JP2019032177A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に被測定物の高さ方向に対向する２つの面の間隔を測定でき、高速で安定した測定が可能な変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置１は、光源１１と、対物レンズ１４と、分離光学系１３と、集光レンズ１５と、非点収差発生部１６と、分割光学系１７と、第１受光ユニット１８と、第２受光ユニット１９と、第１絶対位置演算部２１と、第２絶対位置演算部２２と、比較器２３と、を備えている。第１絶対位置演算部２１は、第１受光ユニット１８が受光した光量に基づいて被測定物Ｔの表面Ｔ１の絶対位置情報を演算する。第２絶対位置演算部２２は、第２受光ユニット１９が受光した光量に基づいて被測定物Ｔの裏面Ｔ２の絶対位置情報を演算する。比較器２３は、第１絶対位置演算部２１が演算した絶対位置情報と第２絶対位置演算部２２が演算した絶対位置情報との差分から被測定物の厚みＡ１を演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いた非接触センサによって被測定物の厚みや位置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信号を生成している。

そして、生成したフォーカス信号を用いてアクチュエータを駆動させ、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１参照）。

特開２００９−３００２３６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機械的な応答周波数が制限されていた。その結果、特許文献１に記載された技術では、高い応答速度を得られない、という問題を有していた。

さらに、被測定物の厚みを測定するためには、被測定物の表面側の位置情報と、裏面側の位置情報を取得する必要がある。そのため、特許文献１に記載された変位検出装置では、表面側の位置情報と裏面側の位置情報を取得する際に、それぞれアクチュエータを駆動させる必要がある。その結果、特許文献１に記載された変位検出装置では、アクチュエータを駆動させる際の振動により測定誤差が発生し、被測定物の厚みを高精度に測定することができない、という問題を有していた。

本発明の目的は、高精度に被測定物の高さ方向に対向する２つの面の間隔を測定でき、高速で安定した測定が可能な変位検出装置を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の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、集光レンズと、非点収差発生部と、分割光学系と、第１受光ユニットと、第２受光ユニットと、第１絶対位置演算部と、第２絶対位置演算部と、比較器と、を備えている。
対物レンズは、光源から出射された光を被測定物に向けて集光させる。分離光学系は、被測定物の第１の面で反射された第１反射光及び被測定物の第１の面と対向する第２の面で反射された第２反射光の光路を、光源から出射された光の光路と分離させる。集光レンズは、分離光学系により光源から出射された光の光路と分離された第１反射光及び第２反射光を集光する。非点収差発生部は、集光レンズによって集光された第１反射光及び第２反射光に非点収差を発生させる。分割光学系は、非点収差発生部により非点収差が発生した第１反射光と第２反射光が重なり合った光を２つに分割する。第１受光ユニットは、分割光学系により２つに分割された光から第１反射光を受光する。第２受光ユニットは、分割光学系により２つに分割された光から第２反射光を受光する。
第１絶対位置演算部は、第１受光ユニットが受光した第１反射光の光量に基づいて被測定物の第１の面における第１の面と第２の面が対向する方向である高さ方向の絶対位置情報を演算する。第２絶対位置演算部は、第２受光ユニットが受光した第２反射光の光量に基づいて被測定物の第２の面における高さ方向の絶対位置情報を演算する。比較器は、第１絶対位置演算部が演算した第１の面の絶対位置情報と第２絶対位置演算部が演算した第２の面の絶対位置情報との差分から被測定物における第１の面と第２の面の高さ方向の間隔を演算する。そして、第１絶対位置演算部と第２絶対位置演算部は、互いに同期して第１の面の絶対位置情報と第２の面の絶対位置情報を演算する。

また、本発明の他の変位検出装置は、光源と、対物レンズと、分離光学系と、集光レンズと、分割光学系と、第１ナイフエッジと、第２ナイフエッジと、第１受光ユニットと、第２受光ユニットと、第１絶対位置演算部と、第２絶対位置演算部と、比較器と、を備えている。
対物レンズは、光源から出射された光を被測定物に向けて集光させる。分離光学系は、被測定物の第１の面で反射された第１反射光及び被測定物の第１の面と対向する第２の面で反射された第２反射光の光路を、光源から出射された光の光路と分離させる。集光レンズは、分離光学系により光源から出射された光の光路と分離された第１反射光及び第２反射光を集光する。分割光学系は、集光レンズによって集光された第１反射光と第２反射光が重なり合った光を２つに分割する。第１ナイフエッジは、分割光学系により２つに分割された光のうち一方の光の一部を遮光する。第２ナイフエッジは、分割光学系により２つに分割された光のうち残りの他方の光の一部を遮光する。
第１絶対位置演算部は、第１受光ユニットが受光した第１反射光の光量に基づいて被測定物の第１の面における第１の面と第２の面が対向する方向である高さ方向の絶対位置情報を演算する。第２絶対位置演算部は、第２受光ユニットが受光した第２反射光の光量に基づいて被測定物の第２の面における高さ方向の絶対位置情報を演算する。比較器は、第１絶対位置演算部が演算した第１の面の絶対位置情報と第２絶対位置演算部が演算した第２の面の絶対位置情報との差分から被測定物における第１の面と第２の面の高さ方向の間隔を演算する。そして、第１絶対位置演算部と第２絶対位置演算部は、互いに同期して第１の面の絶対位置情報と第２の面の絶対位置情報を演算する。

本発明の変位検出装置によれば、高精度に被測定物の高さ方向に対向する２つの面の間隔を測定でき、高速で安定した測定が可能となる。

本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置の厚み検出部を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における被測定物に照射された光の状態を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の受光部及び第２の受光部の位置関係を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の受光部で検出された光量から得られるフォーカス信号の特性と、第１の受光部の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における第２の受光部で検出された光量から得られるフォーカス信号の特性と、第２の受光部の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置の厚み検出部を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の受光部及び第２の受光部の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の受光部及び第２の受光部で検出された光量から得られるフォーカス信号の特性を示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る変位検出装置における第１受光側導光部材及び第２受光側導光部材の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。 本発明の第５の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第６の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図１〜図１５を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、以下の説明において記載される各種のレンズは、単レンズであってもよいし、レンズ群であってもよい。

１．第１の実施の形態例
まず、本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）の構成を図１〜図６に従って説明する。

１−１．変位検出装置の構成例
図１は、変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
図１に示すように、変位検出装置１は、被測定物Ｔに対向するヘッド２と、被測定物Ｔの厚みＡ１を演算する厚み検出部３とを有している。ヘッド２は、光源１１と、第１レンズ１２と、分離光学系１３と、対物レンズ１４と、第２レンズ１５と、非点収差発生部１６と、分割光学系１７と、第１の受光部１８と、第２の受光部１９とを有している。なお、厚み検出部３は、ヘッド２内に収容してもよく、あるいはヘッド２の外部に設けた携帯情報処理端末や、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に配置してもよい。

被測定物Ｔは、光を透過可能な性質を有する材料によって略平板状に形成されている。被測定物Ｔは、第１の面を示す表面Ｔ１と、表面Ｔ１と対向する第２の面を示す裏面Ｔ２を有している。そして、変位検出装置１は、被測定物Ｔにおける表面Ｔ１と裏面Ｔ２が対向する方向である高さ方向Ｚの長さ、すなわち被測定物Ｔの厚みＡ１を検出する。

光源１１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、発光ダイオード等が挙げられる。光源１１は、ヘッド２に着脱可能に取り付けられている。光源１１をヘッド２に着脱可能に取り付けることにより、ヘッド２を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源１１を新しい光源１１と交換することができる。これにより、光源１１を交換する度にヘッド２の設置位置がずれる心配がなく、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。

第１レンズ１２は、光源１１の出射側に配置されている。第１レンズ１２は、例えば、コリメートレンズ等により構成されている。第１レンズ１２は、光源１１から出射された光Ｌを平行光にコリメートする。第１レンズ１２により平行光にコリメートされた光Ｌは、分離光学系１３に入射する。

分離光学系１３は、例えば、ビームスプリッタやハーフミラー等により構成されている。分離光学系１３は、光源１１から出射された光Ｌを透過させる。また、分離光学系１３は、被測定物Ｔの表面Ｔ１によって反射された第１反射光Ｌ１と、被測定物Ｔの裏面Ｔ２によって反射された第２反射光Ｌ２を反射させる。すなわち、分離光学系１３は、第１反射光Ｌ１及び第２反射光Ｌ２の光路を、光源１１から出射された光Ｌの光路と分離させる。

分離光学系１３と被測定物Ｔの間には、対物レンズ１４が配置されている。対物レンズ１４は、光源１１から出射され、かつ分離光学系１３を透過した光Ｌを被測定物Ｔに向けて集光する。対物レンズ１４は、その焦点位置ｆ１が被測定物Ｔ内又は被測定物Ｔの近傍に合わせた状態でヘッド２に固定されている。これにより、対物レンズ１４が固定されるため、対物レンズ１４に不要な振動が発生することを防ぐことができる。

なお、本例の変位検出装置１では、対物レンズ１４をヘッド２に固定する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、対物レンズ１４を不図示のレンズ保持部を用いて対物レンズ１４の光軸方向に移動可能に支持してもよい。これにより、被測定物Ｔが対物レンズ１４の焦点位置ｆ１から頻繁に外れる場合に、ヘッド２全体を移動させずに、対物レンズ１４のみを移動させることができる。そして、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１が被測定物Ｔ内又は被測定物Ｔの近傍に合わせた状態で、対物レンズ１４は、レンズ保持部により所定の位置で固定される。そのため、対物レンズ１４は、被測定物Ｔの厚みＡ１を検出する際は、所定の位置で固定される。

また、被測定物Ｔの表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１と、被測定物Ｔの裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２は、対物レンズ１４による再び平行光にコリメートされるそして、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、重なりながら再び分離光学系１３に入射し、分離光学系１３によって第２レンズに１５向けて反射される。

集光レンズの一例を示す第２レンズ１５は、第１レンズ１２と同様に、コリメータレンズ等により、構成されている。第２レンズ１５は、分離光学系１３によって反射された第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２を非点収差発生部１６及び分割光学系１７に向けて集光させる。

なお、第１レンズ１２、対物レンズ１４及び第２レンズ１５は、光源１１の波長変動による焦点距離の変動を受けにくくする色消し対策（色収差補正）を施してもよい。これにより、光源１１の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定物Ｔの厚みＡ１を測定した測定値に補正を行う必要がなくなる。

非点収差発生部１６は、第２レンズ１５と分割光学系１７との間に配置されている。非点収差発生部１６は、第２レンズ１５によって集光された第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２に非点収差を発生させる。非点収差発生部１６としては、例えば、第２レンズ１５から出射された第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２の光路中に斜めに配置された透明な基板により構成される。

非点収差発生部１６としては、光路中に斜めに配置された透明な基板に限定されるものではなく、例えば、シリンドリカルレンズや、球面とシリンドリカル面を複合させたマルチレンズ等その他各種の光学部品を適用できるものである。

分割光学系１７は、例えば、ビームスプリッタやハーフミラー等により構成されている。分割光学系１７は、非点収差発生部１６を通過した光を２つに分割する。分割光学系１７で反射された光は、第１の受光部１８に入射し、分割光学系１７を透過した光は、第２の受光部１９に入射する。また、第１の受光部１８と分割光学系１７の間隔ｈ１（図３参照）と、第２の受光部１９と分割光学系１７の間隔ｈ２（図３参照）は、異なる長さに設定されている。なお、第１の受光部１８と第２の受光部１９の詳細な位置関係については、後述する。

第１の受光部１８と第２の受光部１９のうち少なくとも一方は、分割光学系１７から出射される光の光軸方向に沿って移動可能に支持されている。そして、第１の受光部１８と第２の受光部１９は、厚み測定を行う被測定物Ｔの基準となる厚みに応じて、その位置を調整することができる。

第１受光ユニットを示す第１の受光部１８は、被測定物Ｔの表面Ｔ１で反射され、非点収差発生部１６により非点収差が発生した第１反射光Ｌ１の光量を検出する。第１の受光部１８は、第１反射光Ｌ１の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子３１、３２、３３、３４から構成されている（図２及び図５Ｂ参照）。なお、４つの受光素子３１、３２、３３、３４に照射される照射像（照射スポット）Ｐ１の形状については、後述する。

第２受光ユニットを示す第２の受光部１９は、被測定物Ｔの裏面Ｔ２で反射され、非点収差発生部１６により非点収差が発生した第２反射光Ｌ２の光量を検出する。第２の受光部１９は、第２反射光Ｌ２の光軸に直交する平面上に並ぶ４の受光素子４１、４２、４３、４４から構成されている（図２及び図６Ｂ参照）。なお、４つの受光素子４１、４２、４３、５５に照射される照射像（照射スポット）Ｐ２の形状については、後述する。

第１の受光部１８と第２の受光部１９は、厚み検出部３に接続されている。そして、第１の受光部１８と第２の受光部１９は、得られたフォーカス信号を厚み検出部３に出力する。厚み検出部３は、第１の受光部１８と第２の受光部１９により得られるフォーカス信号を用いて被測定物Ｔの厚みＡ１を演算する。

図２は、厚み検出部３を示すブロック図である。
図１及び２に示すように、厚み検出部３は、第１の受光部１８に接続された第１絶対位置演算部２１と、第２の受光部１９に接続された第２絶対位置演算部２２と、第１絶対位置演算部２１と、第２絶対位置演算部２２に接続された比較器２３とを有している。

図２に示すように、第１絶対位置演算部２１は、第１加算器５１と、第２加算器５２と、差動増幅器５３と、絶対位置演算器５４とを有している。第１加算器５１は、第１の受光部１８の第１受光素子３１と、第２受光素子３２に接続されている。そして、第１加算器５１は、第１受光素子３１と第２受光素子３２で光電変換された信号を加算する。第２加算器５２は、第１の受光部１８の第３受光素子３３と、第４受光素子３４に接続されている。そして、第２加算器５２は、第３受光素子３３と第４受光素子３４で光電変換された信号を加算する。

差動増幅器５３は、第１加算器５１と第２加算器５２に接続されている。差動増幅器５３は、第１加算器５１と第２加算器５２で加算された信号を差動増幅する。差動増幅器５３は、絶対位置演算器５４に接続されている。絶対位置演算器５４は、差動増幅器５３で演算された信号から被測定物Ｔの表面Ｔ１における高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。

第２絶対位置演算部２２は、第１絶対位置演算部２１と同様に、第１加算器６１と、第２加算器６２と、差動増幅器６３と、絶対位置演算器６４とを有している。第１加算器６１は、第２の受光部１９の第１受光素子４１と、第２受光素子４２に接続されている。そして、第１加算器６１は、第１受光素子４１と第２受光素子４２で光電変換された信号を加算する。第２加算器６２は、第２の受光部１９の第３受光素子４３と、第４受光素子４４に接続されている。そして、第２加算器６２は、第３受光素子４３と第４受光素子４４で光電変換された信号を加算する。

差動増幅器６３は、第１加算器６１と第２加算器６２に接続されている。差動増幅器６３は、第１加算器６１と第２加算器６２で加算された信号を差動増幅する。差動増幅器６３は、絶対位置演算器６４に接続されている。絶対位置演算器６４は、差動増幅器６３で演算された信号から被測定物Ｔの裏面Ｔ２における高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。

第１絶対位置演算部２１及び第２絶対位置演算部２２における詳細な絶対位置情報の演算方法については、後述する。

比較器２３は、第１絶対位置演算部２１の絶対位置演算器５４と、第２絶対位置演算部２２の絶対位置演算器６４に接続されている。比較器２３は、第１絶対位置演算部２１で演算された表面Ｔ１の絶対位置情報と、第２絶対位置演算部２２で演算された裏面Ｔ２の絶対位置情報の差から被測定物Ｔの厚みＡ１を演算し、演算した厚みＡ１を出力する。

１−２．第１の受光部と第２の受光部の位置関係
次に、図３及び図４を参照して、第１の受光部１８と第２の受光部１９の詳細な位置関係について説明する。
図３は、被測定物Ｔに照射された光の状態を示す説明図、図４は、第１の受光部１８と第２の受光部１９の位置関係を示す説明図である。

まず、図３に示すように、被測定物Ｔは、照射された実線で示す光Ｌを表面Ｔ１で反射させ、また表面Ｔ１を透過した光Ｌを裏面Ｔ２で反射させている。そのため、被測定物Ｔに照射された光Ｌは、第１の面を示す表面Ｔ１で反射された一点鎖線で示す第１反射光Ｌ１と、第２の面を示す裏面Ｔ２で反射された二点鎖線で示す第２反射光Ｌ２となる。また、上述したように、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１は、被測定物Ｔ内又は被測定物Ｔの近傍に合うように設定されている。そのため、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、被測定物Ｔの厚みＡ１分の長さの違いで、わずかに波面が異なる。

図４に示すように、第１の受光部１８は、第２レンズ１５からその受光面までの光路長が、表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１が受光面で集光する長さに設定されている。そのため、第１の受光部１８の受光面には、第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１が結像される。また、第１の受光部１８における第２レンズ１５からその受光面までの光路長は、裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２が発散する長さに設定されている。そのため、第１の受光部１８における第２レンズ１５からその受光面までの光路長は、第１の受光部１８で第１反射光Ｌ１のフォーカス信号を検出可能な範囲で、かつ第２反射光Ｌ２のフォーカス信号は検出不能な範囲に設定される。

これに対して、第２の受光部１９は、第２レンズ１５からその受光面までの光路長が、裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２が受光面で集光する長さの位置に配置されている。そのため、第２の受光部１９の受光面には、第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２が結像される。また、第２の受光部１９における第２レンズ１５からその受光面までの光路長は、表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１が発散する長さに設定されている。そのため、第２の受光部１９における第２レンズ１５からその受光面までの光路長は、第２の受光部１９で第２反射光Ｌ２のフォーカス信号を検出可能な範囲で、かつ第１反射光Ｌ１のフォーカス信号は検出不能な範囲に設定される。

ここで、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２における第２レンズ１５から分割光学系１７までの光路長が等しい。そのため、第１の受光部１８の受光面から分割光学系１７までの間隔ｈ１と、第２の受光部１９の受光面から分割光学系１７までの間隔ｈ２を調整することで、第１の受光部１８と第２の受光部１９までの光路長が上述した範囲に設定されている。なお、被測定物Ｔの厚みＡ１分の長さの違いで、第１の受光部１８の受光面から分割光学系１７までの間隔ｈ１と、第２の受光部１９の受光面から分割光学系１７までの間隔ｈ２は、異なる長さになる。

１−３．第１絶対位置演算部及び第２絶対位置演算部の絶対位置情報の演算方法
次に、図５及び図６を参照して、第１絶対位置演算部及び第２絶対位置演算部の絶対位置情報の演算方法について説明する。

図５Ａは、第１の受光部１８で得られるフォーカス信号の特性を示しており、図５Ｂは、第１の受光部１８の受光面に照射される照射像の例を示している。なお、図５Ａの横軸は、被測定物Ｔの表面Ｔ１と裏面Ｔ２と直交する高さ方向Ｚの位置を示し、縦軸は第１絶対位置演算部２１の差動増幅器５３から出力されるフォーカス信号を示している。

図５Ｂに示すように、第１の受光部１８は、第１受光素子３１と、第２受光素子３２と、第３受光素子３３と、第４受光素子３４が第１反射光Ｌ１の光軸周りに所定の間隔を開けて配置されている。第１受光素子３１と第２受光素子３２は、第１反射光Ｌ１の光軸を挟んで対向しており、第３受光素子３３と第４受光素子３４は、第１反射光Ｌ１の光軸を挟んで対向している。

上述したように、第１の受光部１８は、第２レンズ１５からその受光面までの光路長が、表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１が受光面で集光する長さで、かつ裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２が発散する長さの位置に配置されている。そのため、図５Ｂに示すように、第１の受光部１８の４つの受光素子３１〜３４には、第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１が結像され、その周囲には第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２が照射される。この第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２は、第１の受光部１８の４つの受光素子３１〜３４では、検出不能な光量となっている。

また、第１反射光Ｌ１には、非点収差発生部１６により非点収差が加えられている。そのため、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１が被測定物Ｔの表面Ｔ１と裏面Ｔ２の中間付近に位置している場合、照射像Ｐ１が最も小さくなる。そして、表面Ｔ１の高さ方向Ｚの絶対位置が変化すると、第１の受光部１８に照射される第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１は、第１受光素子３１及び第２受光素子３２側に延びた楕円形、または第３受光素子３３及び第４受光素子３４側に延びた楕円形に変化する。

第１受光素子３１から出力される出力信号をＡ、第２受光素子３２から出力される出力信号をＢ、第３受光素子３３から出力される出力信号をＣ、第４受光素子３４から出力される出力信号をＤとすると、第１絶対位置演算部２１の差動増幅器５３から出力されるフォーカス信号Ｓ_Ｆは、下記式１によって表される。
［式１］
Ｓ_Ｆ＝（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）

そして、第１絶対位置演算部２１の差動増幅器５３から出力されるフォーカス信号Ｓ_Ｆの特性は、図５Ａに示すようになる。図５Ａに示すフォーカス信号Ｓ_Ｆの値が「０」を通り、高さ方向Ｚの変化に対してフォーカス信号Ｓ_Ｆの変化が線形に変化する領域、すなわち一次関数で表現可能な領域が、第１の受光部１８のフォーカス信号検出範囲Ｓ１となる。

そして、第１絶対位置演算部２１の絶対位置演算器５４は、差動増幅器５３から出力されたフォーカス信号Ｓ_Ｆから、被測定物Ｔの表面Ｔ１の高さ方向Ｚの絶対位置情報に変換（演算）し、比較器２３に出力する。

次に、第２絶対位置演算部２２の絶対位置情報の演算方法について図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。
図６Ａは、第２の受光部１９で得られるフォーカス信号の特性を示しており、図６Ｂは、第２の受光部１９の受光面に照射される照射像の例を示している。なお、図６Ａの横軸は、高さ方向Ｚの位置を示し、縦軸は第２絶対位置演算部２２の差動増幅器６３から出力されるフォーカス信号を示している。

図６Ｂに示すように、第２の受光部１９は、第１の受光部１８と同様に、第１受光素子４１と、第２受光素子４２と、第３受光素子４３と、第４受光素子４４が第２反射光Ｌ２の光軸周りに所定の間隔を開けて配置されている。第１受光素子４１と第２受光素子４２は、第２反射光Ｌ２の光軸を挟んで対向しており、第３受光素子４３と第４受光素子４４は、第２反射光Ｌ２の光軸を挟んで対向している。

上述したように、第２の受光部１９は、第２レンズ１５からその受光面までの光路長が、裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２が受光面で集光する長さで、かつ表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１が発散する長さの位置に配置されている。そのため、図６Ｂに示すように、第２の受光部１９の４つの受光素子４１〜４４には、第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２が結像され、その周囲には第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１が照射される。この第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１は、第２の受光部１９の４つの受光素子４１〜４４では、検出不能な光量となっている。

また、第２反射光Ｌ２には、第１反射光Ｌ１と同様に、非点収差発生部１６により非点収差が加えられている。そのため、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１が被測定物Ｔの表面Ｔ１と裏面Ｔ２の中間付近に位置している場合、照射像Ｐ２が最も小さくなる。そして、裏面Ｔ２の高さ方向Ｚの絶対位置が変化すると、第２の受光部１９に照射される第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２は、第１受光素子４１及び第２受光素子４２側に延びた楕円形、または第３受光素子４３及び第４受光素子４４側に延びた楕円形に変化する。

第１受光素子４１から出力される出力信号をＡ、第２受光素子４２から出力される出力信号をＢ、第３受光素子４３から出力される出力信号をＣ、第４受光素子４４から出力される出力信号をＤとすると、第２絶対位置演算部２２の差動増幅器６３から出力されるフォーカス信号Ｓ_Ｆは、上述した式１によって表される。

そして、第２絶対位置演算部２２の差動増幅器６３から出力されるフォーカス信号Ｓ_Ｆの特性は、図６Ａに示すようになる。図６Ａに示すフォーカス信号Ｓ_Ｆの値が「０」を通り、高さ方向Ｚの変化に対してフォーカス信号Ｓ_Ｆの変化が線形に変化する領域、すなわち一次関数で表現可能な領域が、第２の受光部１９のフォーカス信号検出範囲Ｓ２となる。

そして、第２絶対位置演算部２２の絶対位置演算器６４は、差動増幅器６３から出力されたフォーカス信号Ｓ_Ｆから、被測定物Ｔの裏面Ｔ２の高さ方向Ｚの絶対位置情報に変換（演算）し、比較器２３に出力する。

１−４．変位検出装置の動作
次に、上述した構成を有する変位検出装置１の動作例、すなわち変位検出装置１を用いた被測定物Ｔの厚みＡ１の測定例について説明する。

まず、第１の受光部１８及び第２の受光部１９の取り付け位置を、厚み測定を行う被測定物Ｔの基準となる厚みに応じて調整する。具体的には、第１の受光部１８及び第２の受光部１９のうち少なくとも一方を、分割光学系１７から出射される光の光軸方向に沿って移動させる。被測定物Ｔの厚みに応じて第１の受光部１８及び第２の受光部１９のうち少なくとも片側を調整することで、より多種な被測定物の厚みの測定が可能になる。

また、高精度な平面ミラーを用いて、第１の受光部１８と第２の受光部１９で検出される値が同一面で同じ値になるように、比較器２３で校正を行ってもよい。これにより、第１絶対位置演算部２１及び第２絶対位置演算部２２で出力されるフォーカス信号Ｓ_Ｆの値が「０」となる位置の校正を行うことができる。

さらに、厚みと屈折率が高精度に管理された基準器を用いて、その表面と裏面で反射された反射光のファーカス信号Ｓ_Ｆの値が「０」となるように、第１の受光部１８及び第２の受光部１９のうち少なくとも一方を調整し、変位検出装置１で測定される厚みの絶対値を校正してもよい。

なお、第１の受光部１８及び第２の受光部１９を配置する位置は、図５Ａ及び図６Ａに示すように、照射される照射像Ｐ１、Ｐ２がフォーカス信号検出範囲Ｓ１、Ｓ２の範囲に収まればよい。そのため、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１を厳密に調整する必要がなく、対物レンズ１４を設置する際の取り付け精度の許容範囲を広げることができ、対物レンズ１４の取り付け作業を容易に行うことができる。

次に、上述した第１の受光部１８、第２の受光部１９や厚み検出部３の初期設定を行った変位検出装置１の光源１１から光Ｌを出射させて、ヘッド２から被測定物Ｔに向けて光Ｌを照射させる。被測定物Ｔに照射された光Ｌは、第１レンズ１２によって平行光にコリメートされると共に分離光学系１３を透過する。そして、光Ｌは、対物レンズ１４によって集光されて被測定物Ｔに照射される。図１及び図３に示すように、光Ｌは、被測定物Ｔの表面Ｔ１で反射され、また、被測定物Ｔの表面Ｔ１を透過した光Ｌは、裏面Ｔ２で反射される。

表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１と裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２は、重なり合った状態で、対物レンズ１４によって平行光にコリメートされて、分離光学系１３に照射される。第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、分離光学系１３によって反射されて、第２レンズ１５に照射される。そして、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、第２レンズによって集光され、非点収差発生部１６を透過して分割光学系１７に照射される。

第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、それぞれ非点収差発生部１６を透過することで、非点収差発生部１６により、非点収差が加えられている。そして、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２が重なり合った光は、分割光学系１７によって２つに分割されて、第１の受光部１８と、第２の受光部１９に受光される。

第１の受光部１８は、第１反射光Ｌ１を受光し、第２の受光部１９は、第２反射光Ｌ２を受光する。第１の受光部１８は、受光した第１反射光Ｌ１を光電変換することで得られた信号を第１絶対位置演算部２１に出力する。また、第２の受光部１９は、受光した第２反射光Ｌ２を光電変換することで得られた信号を第２絶対位置演算部２２に出力する。

そして、第１絶対位置演算部２１は、第１の受光部１８からの信号に基づいて被測定物Ｔの表面Ｔ１の絶対位置情報、すなわち高さ方向Ｚの位置を演算し、比較器２３に出力する。第２絶対位置演算部２２は、第２の受光部１９からの信号に基づいて被測定物Ｔの裏面Ｔ２の絶対位置情報、すなわち高さ方向Ｚの位置を演算し、比較器２３に出力する。なお、第１絶対位置演算部２１及び第２絶対位置演算部２２での絶対位置情報の演算方法は、上述したため、ここではその説明は省略する。なお、第１絶対位置演算部２１による絶対位置情報演算動作と、第２絶対位置演算部２２による絶対位置情報演算動作は、互いに同期して行われる。

次に、比較器２３は、第１絶対位置演算部２１で演算された表面Ｔ１の絶対位置情報と、第２絶対位置演算部２２で演算された裏面Ｔ２の絶対位置情報の差から被測定物Ｔの厚みＡ１を演算し、演算した厚みＡ１を出力する。これにより、変位検出装置１を用いた被測定物Ｔの厚みＡ１の測定動作が完了する。

本例の変位検出装置１によれば、被測定物Ｔの表面Ｔ１に入射する光と裏面Ｔ２に入射する光は、同じ光源１１から出射され、同じ第１レンズ１２、分離光学系１３及び対物レンズ１４を通過している。すなわち、表面Ｔ１に入射する光と裏面Ｔ２に入射する光は、光源１１、第１レンズ１２、分離光学系１３及び対物レンズ１４を共有している。

また、被測定物Ｔの表面Ｔ１から反射される第１反射光Ｌ１と、裏面Ｔ２から反射される第２反射光Ｌ２は、同じ対物レンズ１４、分離光学系１３、第２レンズ１５、非点収差発生部１６及び分割光学系１７を通過している。すなわち、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、対物レンズ１４、分離光学系１３、第２レンズ１５、非点収差発生部１６及び分割光学系１７を共有している

そのため、光源１１、第１レンズ１２、分離光学系１３、対物レンズ１４、第２レンズ１５、非点収差発生部１６及び分割光学系１７に生じる振動や、設置位置の誤差は、被測定物Ｔの表面Ｔ１に入射する光と裏面Ｔ２に入射する光や、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２に対して等しく作用する。

さらに、第１絶対位置演算部２１による表面Ｔ１の絶対位置情報演算動作と第２絶対位置演算部２２による裏面Ｔ２の絶対位置情報演算動作は、互いに同期して行われる。そのため、表面Ｔ１の絶対位置情報や裏面Ｔ２の絶対位置情報を演算する際に、光源１１や非点収差発生部１６等の部品による振動や設置位置の誤差による影響をキャンセルすることができ、安定した測定を行うことができる。

さらに、比較器２３において被測定物Ｔの表面Ｔ１と裏面Ｔ２の絶対位置情報の差分を演算することで被測定物Ｔの厚みＡ１を演算するため、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１を被測定物Ｔの表面Ｔ１や裏面Ｔ２に合わせる必要がない。そのため、本例の変位検出装置１では、被測定物Ｔの測定を行う間は、対物レンズ１４をヘッド２に固定することができ、対物レンズ１４をその光軸方向に移動させるアクチュエータ等の移動機構を設ける必要がない。その結果、従来の変位検出装置のように対物レンズ１４を移動させる際に生じる機械的な振動が発生することがないため、高精度に被測定物Ｔの厚みＡ１を測定することができ、高速で安定した測定を行うことができる。

また、被測定物Ｔがヘッド２からの光Ｌの照射範囲から外れた場合、測定を行うことはできなくなる。しかしながら、本例の変位検出装置１では、対物レンズ１４の焦点位置ｆ１を合わせる動作を必要としないため、再び被測定物Ｔが光Ｌの照射範囲、すなわち対物レンズ１４の焦点位置ｆ１の近傍に被測定物Ｔが配置された際、即座に被測定物Ｔの厚みＡ１を測定することができる。

また、第１絶対位置演算部２１と第２絶対位置演算部２２の差動増幅器５３、６３は、被測定物Ｔの反射率の変化で出力値が変化するおそれがある。この場合、第１絶対位置演算部２１は、第１の受光部１８で得られる絶対位置情報に対して、第１の受光部１８の総受光量で割ってもよい。この総受光量とは、第１の受光部１８の４つの受光素子３１、３２、３３、３４で得られる光量の総和である。

同様に、第２絶対位置演算部２２は、第２の受光部１９で得られる絶対位置情報に対して、第２の受光部１９の総受光量で割ってもよい。この総受光量とは、第２の受光部１９の４つの受光素子４１、４２、４３、４４で得られる光量の総和である。これにより、被測定物Ｔからの反射光量の影響を抑制することができ、光量の変化による第１絶対位置演算部２１と第２絶対位置演算部２２で演算される絶対位置情報の変化を抑えることができる。

第２反射光Ｌ２は、被測定物Ｔの表面Ｔ１を透過して被測定物Ｔ内を通過する。そのため、例えば、裏面Ｔ２の絶対位置情報を演算する第２絶対位置演算部２２や比較器２３に、被測定物Ｔの屈折率の係数を予め代入可能にしてもよい。さらに、実際の被測定物Ｔの厚みＡ１は、被測定物Ｔの屈折率で割った値に近くなるため、比較器２３において演算した厚みＡ１を屈折率に基づいて補正してもよい。

また、比較器２３から出力される情報は、被測定物Ｔの厚みＡ１に対応したデジタルの厚み情報と、被測定物Ｔの厚みＡ１をアナログの電圧値に変換した情報と、で選択可能にしてもよい。比較器２３から出力される情報が、アナログの電圧値であれば、より高速でデータ遅延の被測定物Ｔの厚みＡ１情報を出力することができる。

２．第２の実施の形態例
次に、図７を参照して第２の実施の形態例に係る変位検出装置について説明する。
図７は、第２の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

この第２の実施の形態例に係る変位検出装置１０１が、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と異なる点は、分離光学系の構成である。そのため、ここでは、分離光学系について説明し、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図７に示すように、変位検出装置１０１は、被測定物Ｔに対向するヘッド１０２と、厚みを演算する厚み検出部１０３とを有している。ヘッド１０２は、光源１１と、第１レンズ１２と、偏光ビームスプリッタ１１３と、位相板１２５と、対物レンズ１４と、第２レンズ１５と、非点収差発生部１６と、分割光学系１７と、第１の受光部１８と、第２の受光部１９とを有している。

変位検出装置１０１では、偏光ビームスプリッタ１１３と位相板１２５により、分離光学系が構成される。なお、第１レンズ１２、対物レンズ１４、第２レンズ１５、非点収差発生部１６、分割光学系１７、第１の受光部１８及び第２の受光部１９は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同一であるため、その説明は省略する。

偏光ビームスプリッタ１１３は、ｓ偏光の光を反射して、ｐ偏光の光を透過させる。そして、光源１１から出射された光Ｌは、偏光ビームスプリッタ１１３に入射する前に、ｐ偏光に変換されている。そのため、偏光ビームスプリッタ１１３に入射した光Ｌは、偏光ビームスプリッタ１１３を透過する。偏光ビームスプリッタ１１３と対物レンズ１４の間には、位相板１２５が配置されている。

位相板１２５は、例えば、１／４波長板等から構成されている。そのため、位相板１２５は、通過する光がｐ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変換させる。また、通過する光が第１の向きに回転する円偏光の場合、ｓ偏光に変換させる。さらに、通過する光がｓ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の方向とは反対である第２の向きに回転する円偏光に変換させる。そして、通過する光が第２の向きに回転する円偏光の場合、ｐ偏光に変換させる。

そして、偏光ビームスプリッタ１１３を透過して光Ｌの偏光方向は、ｐ偏光であるため、位相板１２５を通過することで、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変換する。また、被測定物Ｔの表面Ｔ１で反射された第１反射光Ｌ１と裏面Ｔ２で反射された第２反射光Ｌ２の偏光方向は、位相板１２５を通過する前では、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光である。そのため、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２が位相板１２５を通過すると、その偏光方向は、ｓ偏光に変換される。

そして、第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２は、その偏光方向がｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１１３によって反射されて、第２レンズ１５に照射される。

その他の構成は、第１の実施の形態に係る変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置１０１によっても、上述した第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

また、被測定物Ｔが複屈折等の偏光特性が無い場合、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１よりも第２の実施の形態例に係る変位検出装置１０１のほうが、被測定物Ｔに照射させる光Ｌの光量を多くすることができ、ノイズレベル等の信号品質を向上させることができる。

３．第３の実施の形態例
次に、図８〜図１１を参照して第３の実施の形態例に係る変位検出装置について説明する。
図８は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。図９は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置の厚み検出部を示すブロック図である。図１０は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の受光部及び第２の受光部の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。図１１は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置の第１の受光部及び第２の受光部で検出された光量から得られるフォーカス信号の特性を示す説明図である。

この第３の実施の形態例に係る変位検出装置２０１は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１における非点収差発生部に代えてナイフエッジ法を用いたものである。そのため、ここでは、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と共通する部分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２０１は、被測定物Ｔに対向するヘッド２０２と、厚みを演算する厚み検出部２０３とを有している。ヘッド２０２は、光源２１１と、第１レンズ２１２と、分離光学系２１３と、対物レンズ２１４と、第２レンズ２１５と、分割光学系２１７と、第１ナイフエッジ２２６と、第２ナイフエッジ２２７と、第１の受光部２１８と、第２の受光部２１９とを有している。光源２１１、第１レンズ２１２、分離光学系２１３、対物レンズ２１４、第２レンズ２１５及び分割光学系２１７は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様であるため、その説明は省略する。

第１ナイフエッジ２２６は、分割光学系２１７と第１の受光部２１８の間に配置され、第２ナイフエッジ２２７は、分割光学系２１７と第２の受光部２１９の間に配置されている。第１ナイフエッジ２２６は、分割光学系２１７で反射された第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２が重なり合った光のうち光軸と直交する平面の領域の略半分の領域を遮蔽する。同様に、第２ナイフエッジ２２７は、分割光学系２１７を透過した第１反射光Ｌ１と第２反射光Ｌ２が重なり合った光のうち光軸と直交する平面の領域の略半分の領域を遮蔽する。

さらに、第１ナイフエッジ２２６と分割光学系２１７の間隔ｈ３は、第１反射光Ｌ１が第１ナイフエッジ２２６の近傍で結像され、第２反射光Ｌ２が第１の受光部２１８の受光面で発散する長さに設定されている。また、第２ナイフエッジ２２７と分割光学系２１７の間隔ｈ４は、第２反射光Ｌ２が第２のナイフエッジ２２７の近傍で結像され、第１反射光Ｌ１が第２の受光部２１９の受光面で発散する長さに設定されている。なお、第１ナイフエッジ２２６と第２ナイフエッジ２２７を配置する位置は、被測定物Ｔの厚みＡ１に応じて、調整される。

図９に示すように、厚み検出部２０３は、第１の受光部２１８に接続された第１絶対位置演算部２２１と、第２の受光部２１９に接続された第２絶対位置演算部２２２と、第１絶対位置演算部２２１と、第２絶対位置演算部２２２に接続された比較器２２３とを有している。

第１絶対位置演算部２２１は、差動増幅器２５３と、絶対位置演算器２５４とを有している。差動増幅器２５３は、第１の受光部２１８の第１受光素子２３１と、第２受光素子２３２に接続されている。差動増幅器２５３は、第１受光素子２３１と第２受光素子２３２で光電変換された信号を差動増幅する。差動増幅器２５３は、絶対位置演算器２５４に接続されている。そして、絶対位置演算器２５４は、差動増幅器２５３からの信号に基づいて被測定物Ｔの表面Ｔ１における高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。

第２絶対位置演算部２２２は、第１絶対位置演算部２２１と同様に、差動増幅器２６３と、絶対位置演算器２６４とを有している。差動増幅器２６３は、第２の受光部２１９の第１受光素子２４１と、第２受光素子２４２に接続されている。差動増幅器２６３は、第１受光素子２４１と第２受光素子２４２で光電変換された信号を差動増幅する。差動増幅器２６３は、絶対位置演算器２６４に接続されている。そして、絶対位置演算器２６４は、差動増幅器２６３からの信号に基づいて被測定物Ｔの裏面Ｔ２における高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。

比較器２２３は、第１絶対位置演算部２２１の絶対位置演算器２５４と、第２絶対位置演算部２２２の絶対位置演算器２６４に接続されている。比較器２２３は、第１絶対位置演算部２２１で演算された表面Ｔ１の絶対位置情報と、第２絶対位置演算部２２２で演算された裏面Ｔ２の絶対位置情報の差から被測定物Ｔの厚みを演算し、演算した厚みを出力する。

図１０に示すように、第１の受光部２１８及び第２の受光部２１９の第１受光素子２３１、２４１、第２受光素子２３２、２４２は、光軸を挟んで対向している。第１の受光部２１８及び第２の受光部２１９のそれぞれ２つの受光素子２３１、２４１、２３２、２４２には、第１反射光Ｌ１又は第２反射光Ｌ２の照射像Ｐが結像される。具体的には、第１の受光部２１８の２つの受光素子２３１、２３２には、第１反射光Ｌ１の照射像が結像され、第２の受光部２１９の２つの受光素子２４１、２４２には、第２反射光Ｌ２の照射像が照射される。

第１反射光Ｌ１及び第２反射光Ｌ２は、第１ナイフエッジ２２６及び第２ナイフエッジ２２７によって光軸と直交する平面の略半分が遮光されている。そのため、表面Ｔ１又は裏面Ｔ２の高さ方向Ｚの絶対位置が変化すると、第１の受光部２１８又は第２の受光部２１９に照射される照射像Ｐは、第１受光素子２３１、２４１側、または第２受光素子２３２、２４２側に移動する。

そのため、第１絶対位置演算部２２１及び第２絶対位置演算部２２２は、それぞれ、２つの受光素子２３１、２４１、２３２、２４２で光電変換された信号を差動増幅器２５３、２６３で差増増幅することで、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様な、図１１に示すような、フォーカス信号を得ることができる。

その他の構成は、第１の実施の形態に係る変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このようなナイフエッジ法を用いた構成を有する変位検出装置２０１によっても、上述した第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

４．第４の実施の形態例
次に、図１２及び図１３を参照して第４の実施の形態例に係る変位検出装置について説明する。
図１２は、第４の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。図１３は、第４の実施の形態例に係る変位検出装置における第１受光側導光部材及び第２受光側導光部材の受光面に照射される照射像の例を示す説明図である。

この第４の実施の形態例に係る変位検出装置３０１は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１における光源１１、第１の受光部１８及び第２の受光部１９をヘッド２の外側に配置したものである。そのため、ここでは、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１２に示すように、変位検出装置３０１は、光源１１と、ヘッド３０２と、第１受光ユニット３２５と、第２受光ユニット３２６と、厚み検出部３とを有している。ヘッド３０２には、第１レンズ１２と、分離光学系１３と、対物レンズ１４と、第２レンズ１５と、非点収差発生部１６と、分割光学系１７が配置されている。

また、変位検出装置３０１は、照射側導光部材３０４と、第１受光側導光部材３０５と、第２受光側導光部材３０６とを有している。照射側導光部材３０４は、例えば、光ファイバにより構成されている。照射側導光部材３０４は、光源１１から照射された光Ｌをヘッド３０２の第１レンズ１２まで導光する。

第１受光側導光部材３０５は、分割光学系１７によって反射された第１反射光Ｌ１を第１の受光部１８まで導光する。そして、第２受光側導光部材３０６は、分割光学系１７を透過した第２反射光Ｌ２を第２の受光部１９まで導光する。また、第１受光側導光部材３０５と第１の受光部１８で第１受光ユニット３２５を構成し、第２受光側導光部材３０６と第２の受光部１９で第２受光ユニット３２６を構成している。そのため、第１受光側導光部材３０５における光を受光する受光面が、第１受光ユニット３２５の受光面となる。また、第２受光側導光部材３０６における光を受光する受光面が、第２受光ユニット３２６の受光面となる。

第１受光側導光部材３０５の受光面と分割光学系１７の間隔ｈ１は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１における第１の受光部１８の受光面と分割光学系１７の間隔ｈ１と等しく設定されている。そのため、第１受光側導光部材３０５の受光面には、第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１が結像され、第２反射光Ｌ２は発散する。そのため、第１受光側導光部材３０５は、第１反射光Ｌ１を第１の受光部１８まで導光することができる。

第２受光側導光部材３０６の受光面と分割光学系１７の間隔ｈ２は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１における第２の受光部１９の受光面と分割光学系１７の間隔ｈ１と等しく設定されている。そのため、第２受光側導光部材３０６の受光面には、第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２が結像され、第１反射光Ｌ１は発散する。そのため、第２受光側導光部材３０６は、第２反射光Ｌ２を第２の受光部１９まで導光することができる。

図１３に示すように、第１受光側導光部材３０５及び第２受光側導光部材３０６は、それぞれ第１光ファイバ３２１と、第２光ファイバ３２２と、第３光ファイバ３２３と、第４光ファイバ３２４とを有している。第１光ファイバ３２１、第２光ファイバ３２２、第３光ファイバ３２３、第４光ファイバ３２４は、光の光軸周りに配置されている。第１光ファイバ３２１と第２光ファイバ３２２は、光軸を挟んで対向しており、第３光ファイバ３２３と第４光ファイバ３２４は、光軸を挟んで対向している。

第１光ファイバ３２１における光の出射端は、受光部１８、１９の第１受光素子３１、４１（図６Ｂ、図７Ｂ参照）に対向している。第２光ファイバ３２２における光の出射端は、受光部１８、１９の第２受光素子３２、４２に対向し、第３光ファイバ３２３における光の出射端は、受光部１８、１９の第３受光素子３３、４３に対向している。そして、第４光ファイバ３２４は、受光部１８、１９の第４受光素子３４、４４に対向している。

表面Ｔ１や、裏面Ｔ２の高さ方向Ｚの絶対位置が変化すると、第１受光側導光部材３０５や第２受光側導光部材３０６の受光面に照射される第１反射光Ｌ１の照射像Ｐ１や第２反射光Ｌ２の照射像Ｐ２は、第１光ファイバ３２１及び第２光ファイバ３２２側に延びた楕円形、または第３光ファイバ３２３及び第４光ファイバ３２４側に延びた楕円形に変化する。

その他の構成は、第１の実施の形態に係る変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置３０１によっても、上述した第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

この第４の実施の形態例に係る変位検出装置４０１によれば、熱源となる光源１１を他の部材から離すことができる。また、ヘッド３０２から離れた場所で、光源１１や第１の受光部１８及び第２の受光部１９のメンテナンスが可能となり、作業性が向上する。さらに、外部からの強磁界によって光や、第１の受光部１８や、第２の受光部１９に与える影響を防止することができる。

５．第５の実施の形態例
次に、図１４を参照して第５の実施の形態例に係る変位検出装置について説明する。
図１４は、第５の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

この第５の実施の形態例に係る変位検出装置４０１は、第４の実施の形態例に係る変位検出装置３０１と同様に、第３の実施の形態例に係る変位検出装置２０１における光源２１１、第１の受光部２１８及び第２の受光部２１９をヘッド２０２の外側に配置してものである。そのため、ここでは、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１及び第３の実施の形態例に係る変位検出装置２０１と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１４に示すように、変位検出装置４０１は、光源２１１と、ヘッド４０２と、第１受光ユニット４２５と、第２受光ユニット４２６と、厚み検出部２０３とを有している。ヘッド４０２には、第１レンズ２１２と、分離光学系２１３と、対物レンズ２１４と、第２レンズ２１５と、分割光学系２１７と、第１ナイフエッジ２２６と、第２ナイフエッジ２２７が配置されている。

また、変位検出装置４０１は、照射側導光部材４０４と、第１受光側導光部材４０５と、第２受光側導光部材４０６とを有している。照射側導光部材４０４は、例えば、光ファイバにより構成されている。照射側導光部材４０４は、光源２１１から照射された光Ｌをヘッド４０２の第１レンズ２１２まで導光する。

第１受光側導光部材４０５は、第１反射光Ｌ１を第１の受光部２１８まで導光し、第２受光側導光部材４０６は、第２反射光Ｌ２を第２の受光部２１９まで導光する。また、第１受光側導光部材４０５と第１の受光部２１８で第１受光ユニット４２５を構成し、第２受光側導光部材４０６と第２の受光部２１９で第２受光ユニット４２６を構成している。

第１受光側導光部材４０５は、第１光ファイバ４３１と、第２光ファイバ４３２と、三角形状の反射プリズム４３３とを有している。反射プリズム４３３の頂点は、分割光学系２１７で反射された第１反射光Ｌ１の光軸と一致している。また、反射プリズム４３３の頂点を間に挟んで配置される２つの反射面は、被測定物Ｔの表面Ｔ１の高さ方向に変位した際に移動する照射像の移動方向に沿って配置されている。

第１光ファイバ４３１及び第２光ファイバ４３２における光を受光する受光面は、反射プリズム４３３を間に挟んで対向している。また、第１光ファイバ４３１における光の出射端は、第１の受光部２１８の第１受光素子２３１（図１０参照）と対向し、第２光ファイバ４３２における光の出射端は、第１の受光部２１８の第２受光素子２３２（図１０参照）と対向している。

第２受光側導光部材４０６は、第１受光側導光部材４０５と同様に、第１光ファイバ４４１と、第２光ファイバ４４２と、三角形状の反射プリズム４４３とを有している。反射プリズム４４３の頂点は、分割光学系２１７を透過した第２反射光Ｌ２の光軸と一致している。また、反射プリズム４４３の頂点を間に挟んで配置される２つの反射面は、被測定物Ｔの裏面Ｔ２の高さ方向に変位した際に移動する照射像の移動方向に沿って配置されている。

第１光ファイバ４４１及び第２光ファイバ４４２における光を受光する受光面は、反射プリズム４４３を間に挟んで対向している。また、第１光ファイバ４４１における光の出射端は、第２の受光部２１９の第１受光素子２４１（図１０参照）と対向し、第２光ファイバ４４２における光の出射端は、第２の受光部２１９の第２受光素子２４２（図１０参照）と対向している。

その他の構成は、第３の実施の形態に係る変位検出装置２０１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置４０１によっても、上述した第３の実施の形態例に係る変位検出装置２０１や第４の実施の形態例に係る変位検出装置３０１と同様の作用効果を得ることができる。

６．第６の実施の形態例
次に、図１５を参照して第６の実施の形態例に係る変位検出装置について説明する。
図１５は、第６の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

この第６の実施の形態例に係る変位検出装置５０１は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１のヘッド２を用いて、高さ方向Ｚと直交する方向、すなわち被測定物の表面や裏面と平行する横方向Ｘの絶対位置を検出する装置である。そのため、ここでは、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１５に示すように、変位検出装置５０１は、ヘッド２と、変位測定部５０３と、スケール５０５とを有している。ヘッド２とスケール５０５は、互いに対向しており、少なくとも一方が横方向Ｘに移動可能に配置されている。なお、ヘッド２の構成は、第１の実施の形態例に係る変位検出装置１のヘッド２と同一であるため、ここではその説明は省略する。

スケール５０５は、略平板状に形成されている。スケール５０５は、ヘッド２と対向する表面５０５ａと、表面５０５ａと対向する裏面５０５ｂとを有している。スケール５０５は、ヘッド２から照射された光Ｌを透過可能な部材で形成されている。さらに、スケール５０５は、ヘッド２から照射された光Ｌを表面５０５ａ及び裏面５０５ｂで反射する。

表面５０５ａ及び裏面５０５ｂは、互いに対向する方向である高さ方向Ｚと直交する横方向Ｘと略平行に配置されている。スケール５０５の高さ方向Ｚの厚みＡ１、すなわち表面５０５ａと裏面５０５ｂの間隔は、横方向Ｘに沿って連続的に一定の傾斜、又は段階的に変化している。

変位測定部５０３は、第１絶対位置演算部５２１と、第２絶対位置演算部５２２と、比較器５２３と、変位変換器５２４とを有している。

第１絶対位置演算部５２１は、第１の受光部１８で光電変換された信号に基づいて、スケール５０５の表面５０５ａにおける高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。第２絶対位置演算部５２２は、第２の受光部１９で光電変換された信号に基づいてスケール５０５の裏面５０５ｂにおける高さ方向Ｚの絶対位置情報を演算する。なお、第１絶対位置演算部５２１及び第２絶対位置演算部５２２における表面５０５ａ及び裏面５０５ｂの絶対位置情報の演算方法は、第１の実施の形態例に係る第１絶対位置演算部２１及び第２絶対位置演算部２２における被測定物Ｔの表面Ｔ１及び裏面Ｔ２の絶対位置情報の演算方法と同一である。

比較器５２３は、第１絶対位置演算部５２１で演算されたスケール５０５の表面５０５ａの絶対位置情報と、第２絶対位置演算部５２２で演算されたスケール５０５の裏面５０５ｂの絶対位置情報の差からスケール５０５の厚みＡ２を演算する。そして、比較器５２３は、変位変換器５２４に接続されており、演算したスケール５０５の厚みＡ２情報を変位変換器５２４に出力する。

変位変換器５２４には、スケール５０５における厚みＡ２情報とスケール５０５の横方向Ｘにおける絶対位置情報とを対向付けしたテーブルが格納されている。変位変換器５２４は、予め格納されたテーブルを参照し、比較器５２３から出力されたスケール５０５の厚みＡ２情報を、横方向Ｘの絶対位置情報に変換する。これにより、この第６の実施の形態例に係る変位検出装置５０１によれば、スケール５０５の厚みＡ２からスケール５０５の横方向Ｘの絶対位置を検出することができる。

例えば、スケール５０５の厚みＡ２を１ｍｍとし、表面５０５ａを横方向Ｘに１０μｍ／ｍｍの傾斜を持たせた場合について説明する。すなわち、スケール５０５は、横方向Ｘに１ｍｍ変位すると、厚みＡ２は、１０μｍ変化する。この場合、フォーカス信号の検出範囲を±５０μｍとすることで、横方向Ｘの測定範囲の長さは１０ｍｍとなる。このときの高さ方向Ｚの検出分解能は、フォーカス信号検出範囲の１／１００００である５ｎｍ程度になり、横方向Ｘの検出分解能は０．５μｍとなる。

その他の構成は、第１の実施の形態に係る変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置５０１によっても、上述した第１の実施の形態例に係る変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第６の実施の形態例に係る変位検出装置５０１のヘッドとしては、第２〜第４の実施の形態例に係る変位検出装置１０１〜４０１のヘッドを用いてもよい。

なお、本発明は上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。上述した実施の形態例では、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態例に係る変位検出装置では、被測定物の表面と裏面の絶対位置情報から被測定物の厚さを測定する例を説明したが、これに限定されるものではない。本発明の変位検出装置は、例えば、被測定物における互いに対向する任意の２つの面の絶対位置情報から２つの面の間隔を測定してもよい。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…変位検出装置、 ２…ヘッド、 ３…厚み検出部、 １１…光源、 １２…第１レンズ、 １３…分離光学系、 １４…対物レンズ、 １５…第２レンズ（集光レンズ）、 １６…非点収差発生部、 １７…分割光学系、 １８…第１の受光部（第１受光ユニット）、 １９…第２の受光部（第２受光ユニット）、 ２１…第１絶対位置演算部、 ２２…第２絶対位置演算部、 ２３…比較器、 ３１、３２、３３、３４、４１、４２、４３、４４…受光素子、 ２２６…第１ナイフエッジ、 ２２７…第２ナイフエッジ、 ３０４…照射側導光部材、 ３０５…第１受光側導光部材、 ３０６…第２受光側導光部材、 ３２５…第１受光ユニット、 ３２６…第２受光ユニット、 ５０５…スケール、 ５０５ａ…表面（第１の面）、 ５０５ｂ…裏面（第２の面）、 ５２４…変位変換器、 Ａ１…厚み、 ｆ１…焦点位置、 Ｌ…光、 Ｌ１…第１反射光、、 Ｌ２…第２反射光、 Ｐ１、Ｐ２…照射像、 Ｔ…被測定物、 Ｔ１…表面（第１の面）、 Ｔ２…裏面（第２の面）、 Ｘ…横方向、 Ｚ…高さ方向

Claims (11)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を被測定物に向けて集光させる対物レンズと、
   前記被測定物の第１の面で反射された第１反射光及び前記被測定物の前記第１の面と対向する第２の面で反射された第２反射光の光路を、前記光源から出射された前記光の光路と分離させる分離光学系と、
   前記分離光学系により前記光源から出射された前記光の光路と分離された前記第１反射光及び前記第２反射光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズによって集光された前記第１反射光及び前記第２反射光に非点収差を発生させる非点収差発生部と、
   前記非点収差発生部により非点収差が発生した前記第１反射光と前記第２反射光が重なり合った光を２つに分割する分割光学系と、
   前記分割光学系により２つに分割された光から前記第１反射光を受光する第１受光ユニットと、
   前記分割光学系により２つに分割された光から前記第２反射光を受光する第２受光ユニットと、
   前記第１受光ユニットが受光した前記第１反射光の光量に基づいて前記被測定物の前記第１の面における前記第１の面と前記第２の面が対向する方向である高さ方向の絶対位置情報を演算する第１絶対位置演算部と、
   前記第２受光ユニットが受光した前記第２反射光の光量に基づいて前記被測定物の前記第２の面における高さ方向の絶対位置情報を演算する第２絶対位置演算部と、
   前記第１絶対位置演算部が演算した前記第１の面の絶対位置情報と前記第２絶対位置演算部が演算した前記第２の面の絶対位置情報との差分から前記被測定物における前記第１の面と前記第２の面の高さ方向の間隔を演算する比較器と、を備え、
   前記第１絶対位置演算部と前記第２絶対位置演算部は、互いに同期して前記第１の面の絶対位置情報と前記第２の面の前記絶対位置情報を演算する
   変位検出装置。
2. 光源と、
   前記光源から出射された光を被測定物に向けて集光させる対物レンズと、
   前記被測定物の第１の面で反射された第１反射光及び前記被測定物の前記第１の面と対向する第２の面で反射された第２反射光の光路を、前記光源から出射された前記光の光路と分離させる分離光学系と、
   前記分離光学系により前記光源から出射された前記光の光路と分離された前記第１反射光及び前記第２反射光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズによって集光された前記第１反射光と前記第２反射光が重なり合った光を２つに分割する分割光学系と、
   前記分割光学系により２つに分割された光のうち一方の光の一部を遮光する第１ナイフエッジと、
   前記分割光学系により２つに分割された光のうち残りの他方の光の一部を遮光する第２ナイフエッジと、
   前記第１ナイフエッジにより一部が遮光された光から前記第１反射光を受光する第１受光ユニットと、
   前記第２ナイフエッジにより一部が遮光された光から前記第２反射光を受光する第２受光ユニットと、
   前記第１受光ユニットが受光した前記第１反射光の光量に基づいて前記被測定物の前記第１の面における前記第１の面と前記第２の面が対向する方向である高さ方向の絶対位置情報を演算する第１絶対位置演算部と、
   前記第２受光ユニットが受光した前記第２反射光の光量に基づいて前記被測定物の前記第２の面における高さ方向の絶対位置情報を演算する第２絶対位置演算部と、
   前記第１絶対位置演算部が演算した前記第１の面の絶対位置情報と前記第２絶対位置演算部が演算した前記第２の面の絶対位置情報との差分から前記被測定物における前記第１の面と前記第２の面の高さ方向の間隔を演算する比較器と、を備え、
   前記第１絶対位置演算部と前記第２絶対位置演算部は、互いに同期して前記第１の面の絶対位置情報と前記第２の面の前記絶対位置情報を演算する
   変位検出装置。
3. 前記第１受光ユニットの受光面は、前記第１反射光の照射像が前記第１受光ユニットの受光面で結像され、前記第２反射光が発散する位置に配置され、
   前記第２受光ユニットの受光面は、前記第２反射光の照射像が前記第２受光ユニットの受光面で結像され、前記第１反射光が発散する位置に配置される
   請求項１に記載の変位検出装置。
4. 前記対物レンズを当該対物レンズの光軸方向に移動可能に支持するレンズ保持部を有し、
   前記レンズ保持部は、測定する際は前記対物レンズを所定の位置で固定する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
5. 前記第１受光ユニットの受光面及び前記第２受光ユニットの受光面のうち少なくとも一方は、前記分割光学系から出射される光の光軸方向に沿って移動可能に支持される
   請求項１、３及び４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
6. 前記非点収差発生部は、前記集光レンズから出射される前記第１反射光及び前記第２反射光の光路に対して斜めに配置された透明は基板、又はシリンドリカルレンズである
   請求項１、３〜５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
7. 前記対物レンズには、色消し対策が施されている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の変位検出装置。
8. 前記第１絶対位置演算部は、演算した前記第１の面の絶対位置情報を前記第１受光ユニットで得られる総受光量で割り、
   前記第２絶対位置演算部は、演算した前記第２の面の絶対位置情報を前記第２受光ユニットで得られる総受光量で割る
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
9. 前記第２の面には、前記第１の面を透過した前記光が反射され、
   前記第２絶対位置演算部及び前記比較器のうちいずれか一方は、前記被測定物の屈折率の係数が予め代入され、
   前記比較器は、前記屈折率に基づいて演算した前記被測定物における前記第１の面と前記第２の面の高さ方向の間隔を補正する
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の変位検出装置。
10. 前記光源から出射された光を前記対物レンズに導光する照射側導光部材と、を備え、
    前記第１受光ユニットは、
    複数の受光素子を有する第１の受光部と、
    前記分割光学系から出射された光を前記第１の受光部まで導光する第１受光側導光部材と、を有し、
    前記第２受光ユニットは、
    複数の受光素子を有する第２の受光部と、
    前記分割光学系から出射された光を前記第２の受光部まで導光する第２受光側導光部材と、を有する
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の変位検出装置。
11. 前記被測定物は、前記第１の面と前記第２の面の高さ方向の間隔が、高さ方向と直交する横方向に沿って連続的、又は段階的に変化するスケールであり、
    前記スケールにおける前記第１の面と前記第２の面における高さ方向の間隔の情報と、前記横方向の絶対位置情報とを対応付けしたテーブルが格納された変位変換器をさらに備え、
    前記変位変換器は、前記比較器で演算された前記第１の面と前記第２の面の高さ方向の間隔を前記横方向の絶対位置情報に変換し、前記スケールの前記横方向の絶対位置情報を出力する
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変位検出装置。

Images