JP2019168314A - 光学式高さ測定用光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状の被検物に対してその高さを高精度に検出可能な光学式高さ計測用光モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】被検物の高さを光学的に計測する光学式高さ計測用光モジュールであって、被検物に光ビームを照射するレーザ光源と対物レンズを有する照射光学系と、被検物から反射された反射光を検出する分割された光検出器をそれぞれ有する２つの検出光学系と、２つの検出光学系に反射光を導く光分割素子を備え、光分割素子を透過した光と反射した光をそれぞれ２つの検出光学系に導き、透過した光と反射した光の２つの検出光学系上の強度分布は線対称に反転している構成とする。【選択図】図５

Description

本発明は、被検物の高さを光学的に計測する光学式高さ計測用光モジュールに関する。

光ディスク装置に使用されるフォーカス制御信号は、被検物となるディスクに対し高精度にフォーカスを合わせる為に使用されていることが知られており、特許文献１には被検物に対する焦点位置ずれ量の変化に対しフォーカス制御信号が変化する様子が開示されている。

特開平９−２６５７２２号公報

特許文献1では、被検物より反射した光は、対物レンズと対物レンズ群により光検出器に導かれているが、一般に対物レンズ群の構成は例えばコリメートレンズ及び円柱レンズで構成され、光検出器は４分割検出器を用いることにより実現される。円柱レンズは光に非点収差を追加することができ、被検物の高さが変化した際、光検出器上のスポット形状が楕円状に変化し、光検出器からの信号変化を演算することにより、被検物との距離と相関のあるフォーカス誤差信号を生成することができる。

しかし、被検物の形状がディスクのような略平面ではなく、例えば曲率を有する部分があった場合、被検物へ照射する光の位置により、反射角度が変化し受光素子へ導かれる光の一部が戻らず、正常なフォーカス誤差信号を生成することができない場合がある。

本発明は、任意の形状の被検物に対して、被検物との距離と相関のある信号を生成し、被検物との距離を高精度に検出可能な光学式高さ計測用光モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、被検物の高さを光学的に計測する光学式高さ計測用光モジュールであって、被検物に光ビームを照射するレーザ光源と対物レンズを有する照射光学系と、被検物から反射された反射光を検出する分割された光検出器をそれぞれ有する２つの検出光学系と、２つの検出光学系に反射光を導く光分割素子を備え、光分割素子を透過した光と反射した光をそれぞれ２つの検出光学系に導き、透過した光と反射した光の２つの検出光学系上の強度分布は線対称に反転している構成とする。

本発明によれば、任意の形状の被検物に対してその高さを高精度に検出可能な光学式高さ計測用光モジュールを提供することができる。

実施例における光学的に被検物の高さを計測する原理を説明する概念図である。 実施例における被検物の表面が平面でない場合の反射光についての説明図である。 実施例における光ビームの照射位置の曲面の軸中心からのずれによる高さ誤差増大原因についての説明図である。 実施例における非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の課題説明図である。 実施例における非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の説明図である。 実施例における非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の詳細構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本実施例は、任意の形状の被検物に対してその高さを高精度に検出可能な光学式高さ測定用光モジュールにおいて、被検物が平面でない場合について説明する。

まず、光学的に被検物の高さを計測する原理について説明する。図１は、被検物に光ビームを照射して、その反射光から非点収差法を利用して被検物の高さを計測する手法を説明する概念図である。図１（Ａ）において、非点収差法では、一般的にシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）２５を使用し、対物レンズで照射された光ビームの被検物の反射光の光路中にシリンドリカルレンズ２５を挿入すると、シリンドリカルレンズ２５は図１（Ａ）のＸ軸方向のみにレンズ効果があるため、Ｘ軸方向の焦点距離とＹ軸方向の焦点距離がずれて非点収差が発生し、ビームの形状は光軸上の距離によって、縦長楕円（Ｚ−１）、円形（Ｚ０）、横長楕円（Ｚ１）のように変化する。ここで、図１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、シリンドリカルレンズ２５の円柱軸（Ｙ軸方向）に対して４５度傾けて設置したＡ〜Ｄに４分割された光検出器３０で光ビームを受光すると、Ｚ−１、Ｚ０、Ｚ１のそれぞれの場合でＡ〜Ｄの入射光量のバランスが変化する。図１（Ｂ）の場合は、Ｂ、Ｄの入射光量が大きく、図１（Ｃ）の場合は、Ａ〜Ｄの４つの入射光量が等しい、また、図１（Ｄ）の場合は、Ａ、Ｃの入射光量が大きくなる。よって、例えば、図１（Ｃ）のＡ〜Ｄの４つの入射光量が等しい状態になる被検物と対物レンズ、シリンドリカルレンズ２５の距離を所定の基準面として設定しておき、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の演算結果（以降、フォーカスエラー信号（ＦＥ信号）と呼ぶ）の値から被検物の高さを計測することが出来る。すなわち、被検物の反射面が基準面よりも低い場合は、図１（Ｄ）の場合となりＦＥ信号＞０となる。また、被検物の反射面が基準面よりも高い場合は、図１（Ｂ）の場合となりＦＥ信号＜０となり、ＦＥ信号を測定することで基準面との差から被検物の高さを計測することが出来る。

次に、被検物の表面が平面でない場合の反射光について説明する。図２は、被検物の表面の形状によって反射光が変化する様子を示す模式図である。図２において、被検物に対して光を照射しその反射光を用いて被検物の高さを計測する場合、図２（Ａ）の被検物の表面が平面３１である場合、対物レンズ４０の入射光は被検物で反射され戻るため、対物レンズ４０の開口における光量は変化しない。これに対して、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、被検物の表面が例えば曲面３２である場合、図２（Ｂ）に示すように、曲面３２の頂点以外の箇所に光ビームを照射すると光の反射角が変化し対物レンズ４０の開口により一部欠如される部分が発生し安定的に反射光を得ることが出来ず、高さを正確に計測することができないという問題がある。なお、図２（Ｃ）に示すように、光ビームの照射位置が曲面３２の頂点（被検物の最高点）であれば対物レンズ４０の入射光は被検物で反射されて戻るので、平面の場合と同様に物レンズの開口における光量は変化しない。すなわち、被検物に光ビームを照射して、その反射光から非点収差法を利用して被検物の高さを計測する場合、被検物の表面が平面でない場合は、光ビームの照射位置が被検物の頂点よりずれると安定的に反射光を得ることが出来ず、ＦＥ信号の波形が崩れ、高さ誤差が増加するという問題がある。

ここで、被検物の表面が曲面の場合、光ビームの照射位置の曲面の軸中心からのずれによる高さ誤差増大の原因について検討する。

例えば、被検物の表面が曲率を有する面として、図３（Ａ）に示すように、曲面の中心位置から、ＸＹ方向に光ビームがずれて照射した際の、非点収差法での光検出器上の光スポットを図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）においては、曲面の中心Ｘ＝０、Ｙ＝０から、Ｙ＝０で、Ｘ方向に０，０.０４，０.０８，０.１２と光ビームの照射位置を走査した場合と、Ｙ＝０.０４で、Ｘ方向に０，０.０４，０.０８，０.１２と光ビームの照射位置を走査した場合の光検出器上の光スポットを示している。なお、ＸＹ方向のずれ量は、スポットのずれ量を被検物表面が有する曲率の半径で規格化した値である。図３（Ｂ）から、Ｘ方向に中心からずれるに従って、光ビームの照射位置が曲面の軸中心からのずれによる戻り光の一部が欠如されることにより４分割光検出器上での光スポットの強度分布のバランスが崩れていることがわかる。さらにＹ方向にずれるとその傾向は大きくなる。Ｙ方向に中心からずれた場合、４分割検出器上の一つのエレメントに受光量が偏り、ＦＥ信号の値が大きく変化し、高さズレが生じてしまう。

図４に、以上の課題をまとめた図を示す。図４（Ａ）は、非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の概略構成図である。図４（Ａ）において、レーザ光源５１から出射された光ビームは、ビームスプリッタ５３で反射し、コリメートレンズ５２によって平行光に変換され、対物レンズ５５により集光される照射光学系により被検物である曲面３２に対して光ビームが照射される。曲面３２から反射された反射光は、ビームスプリッタ５３を透過し、シリンドリカルレンズ５８、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）へ導かれる検出光学系を有する。

ここで、この光学系を図のＸ方向に走査するとき、曲面３２の中心から、Ｙ方向に中心からずれた位置で、Ｘ方向に走査した時の、Ｘ方向の位置と、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）から得られるＦＥ信号を４分割光検出器の和信号で正規化した下記式（１）の高さ信号Ｓｈとの関係は、図４（Ｂ）に示すようになる。

すなわち、図４（Ｂ）に示すように、光ビームの照射位置が曲面の軸中心からのずれにより４分割光検出器上の光スポットの強度分布のバランスが崩れ、高さ誤差が発生する。

そこで、本実施例では、４分割光検出器上での光スポットの強度分布のバランスの崩れを低減するために、光検出器による検出光学系を２つ設け、それぞれの検出光学系が４分割光検出器でのバランスの崩れをキャンセルするように働くようにする。

図５（Ａ）は、本実施例における非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の概略構成図である。図５（Ａ）において、図４（Ａ）と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図４（Ａ）と異なる点は、ハーフビームスプリッタ６０、シリンドリカルレンズ６１、４分割光検出器６２（ＰＤＢ）を設けた点である。

図５（Ａ）において、ビームスプリッタ５３からの曲面３２から反射された反射光は、光分割素子であるハーフビームスプリッタ６０で半分が透過しシリンドリカルレンズ５８、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）へ導かれる。また残りの半分が反射しシリンドリカルレンズ６１、４分割光検出器６２（ＰＤＢ）へ導かれる。ここで、４分割光検出器６２（ＰＤＢ）へ導かれる光ビームは、ハーフビームスプリッタ６０で反射されるため、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）へ導かれる光ビームと反転する構成とする。ここで、この光学系を図のＸ方向に走査するとき、図５（Ｂ）に、曲面３２の中心から、Ｙ方向に中心からずれた位置で、Ｘ方向に走査した時の、Ｘ方向の位置と、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）と４分割光検出器６２（ＰＤＢ）のそれぞれから得られる高さ信号Ｓｈの関係を示す。

図５（Ｂ）に示すように、光ビームの照射位置が曲面の軸中心からのずれにより、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）と４分割光検出器６２（ＰＤＢ）それぞれで、４分割光検出器上での光スポットの強度分布のバランスが崩れ、高さ誤差が発生するが、それぞれの４分割光検出器で得られる高さ信号はほぼ線対象となっている。そのため、それぞれの高さ信号を足し合わせることで高さ誤差を低減できる。すなわち、下記式（２）の高さ信号Ｓｈｄを用いれば良い。

ただし、添え字ＰＤＡは４分割光検出器５９（ＰＤＡ）からの出力、添え字ＰＤＢは４分割光検出器６２（ＰＤＢ）からの出力。

これにより、図５（Ｂ）で、ＰＤＡとＰＤＢの高さ信号を足し合わせたＰＤＡ＋ＰＤＢで示すように、光ビームの照射位置の曲面の軸中心からのずれによる高さ誤差を低減できる。

なお、図５（Ｂ）に示すように、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）と４分割光検出器６２（ＰＤＢ）それぞれの光検出器上の光スポットは、光ビームの照射位置が曲面の軸中心からのずれにより、４分割光検出器５９（ＰＤＡ）と４分割光検出器６２（ＰＤＢ）それぞれで、４分割光検出器上での光スポットの強度分布のバランスが崩れ偏るが、それぞれの４分割光検出器上での光スポットの強度分布は線対称で反転するため、光検出器上の光スポットの強度分布のバランス崩れを演算にてキャンセルすることができる。
このように、検出光学系を２つ設けることにより、良質な中心軸のわかる高さ信号をえることができる。

図６に、図５で示した非点収差法での被検物の高さを計測する光学系の本実施例における詳細構成図を示す。図６において、レーザ光源１から出射された光ビームは、λ／２板２によって偏光状態をＳ偏光へ偏光され、偏光ビームスプリッタ３で反射し、λ／４板４により偏光状態をＳ偏光から円偏光に変換され、コリメートレンズ５によって平行光に変換され、対物レンズ６により集光され被検物７に対して照射される。被検物７から反射された反射光は、λ／４板４によって偏光状態を円偏光からＰ偏光へ変換されて偏光ビームスプリッタ３を透過し、光分割素子であるハーフビームスプリッタ９へ入射する。ハーフビームスプリッタ９で被検物７から反射された反射光は、その半分が、Ｘ軸を中心に円柱軸が４５°傾いたシリンドリカルレンズ１２、４分割光検出器１３へ導かれる。このとき、４分割光検出器１３は、シリンドリカルレンズ１２の円柱軸に対し４５°傾いた方向に設置され、４分割光検出器１３の分割線は水平垂直方向（水平方向Ｙ、垂直方向Ｚ）に位置している。また、ハーフビームスプリッタ９へ入射した反射光は、その半分が透過しＹ軸を中心に円柱軸が４５°傾いたシリンドリカルレンズ１０、４分割光検出器１１へ導かれる。このとき、シリンドリカルレンズ１０は、シリンドリカルレンズ１２と光軸を中心に同じ方向、同じ角度に傾いており、また、４分割光検出器１１は、シリンドリカルレンズ１０の円柱軸に対し４５°傾いた方向に設置され、４分割光検出器１１の分割線は水平垂直方向（水平方向Ｘ、垂直方向Ｚ）に位置している。ここで、４分割光検出器１３へ導かれる光ビームは、ハーフビームスプリッタ９で反射されるため、４分割光検出器１１へ導かれる光ビームと線対称に反転する。すなわち、４分割光検出器１１と１３で、光スポットの強度分布が線対称に反転する。よって、それぞれの４分割光検出器上での光スポットの強度分布のバランスの崩れをキャンセルするように働く。なお、フロントモニタ８はレーザ光源１のパワー制御のために用いられる検出器である。また、偏光ビームスプリッタ３は光効率が許すならばハーフビームスプリッタでも良い。この場合、λ／２板２、及びλ／４板４は無くとも良い。また、光検出器は受光部の形状が四角形であり、４分割以上に細分化しても良い。また、シリンドリカルレンズ１２、およびシリンドリカルレンズ１０は、光軸を中心に、同じ方向、同じ角度傾き、４分割光検出器１３および４分割光検出器１１は、各々の４分割検出器へ導くシリンドリカルレンズの円柱軸に対し、４５°傾いて設置されている構成となっていれば良い。

このように、本実施例によれば、光検出器による検出光学系を２つ設け、それぞれの検出光学系が光検出器上での光スポットの強度分布のバランス崩れをキャンセルするように働くようにする。これにより、任意の形状の被検物に対してその高さを高精度に検出可能な光学式高さ計測用モジュールを提供することができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本実施例では、偏光ビームスプリッタを使用した光学系にて説明したが、ハーフビームスプリッタであっても有効である。また、検出光学系として非点収差法について説明したが、他のＦＥ信号検出方式、例えばナイフエッジ方式等であっても有効である。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１、５１：レーザ光源、２：１／２λ板、３：偏光ビームスプリッタ、５３：ビームスプリッタ、４：１／４λ板、５、５２：コリメートレンズ、６、４０、５５：対物レンズ、７：被検物、８：フロントモニタ、９、６０：ハーフビームスプリッタ、１０、１２、２５、５８、６１：シリンドリカルレンズ、１１、１３、５９、６２：４分割光検出器、３０：光検出器、３１：平面、３２：曲面

Claims (5)

1. 被検物の高さを光学的に計測する光学式高さ計測用光モジュールであって、
   前記被検物に光ビームを照射するレーザ光源と対物レンズを有する照射光学系と、
   前記被検物から反射された反射光を検出する分割された光検出器をそれぞれ有する２つの検出光学系と、
   該２つの検出光学系に前記反射光を導く光分割素子を備え、
   該光分割素子を透過した光と反射した光をそれぞれ前記２つの検出光学系に導き、前記透過した光と反射した光の前記２つの検出光学系における強度分布が線対称に反転していることを特徴とする光学式高さ計測用光モジュール。
2. 請求項１に記載の光学式高さ計測用光モジュールであって、
   前記２つの検出光学系は非点収差を利用したフォーカスエラー信号を検出することを特徴とする光学式高さ計測用光モジュール。
3. 請求項１または２に記載の光学式高さ計測用光モジュールであって、
   前記分割された光検出器は各受光素子形状が四角形状であり少なくとも４分割以上であることを特徴とする光学式高さ計測用光モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式高さ計測用光モジュールであって、
   前記光分割素子はハーフビームスプリッタであることを特徴とする光学式高さ計測用光モジュール。
5. 請求項１に記載の光学式高さ計測用光モジュールであって、
   前記２つの検出光学系はそれぞれシリンドリカルレンズと４分割光検出器を有し、非点収差を利用したフォーカスエラー信号を４分割光検出器の和信号で正規化したそれぞれの値を加算することで高さ信号を検出することを特徴とする光学式高さ計測用光モジュール。

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