JP5414197B2 - Displacement detector - Google Patents

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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および対物レンズと受光素子との間の少なくとも一方の光路上に光学的色消し部材を配置することで、光源から射出される射出光の波長変動によって生じる色収差を補正するものである。   The present invention relates to a displacement detection device that detects a displacement between an objective lens and a surface to be measured using an optical astigmatism method. Specifically, the optical achromatic member is disposed on at least one of the optical path between the light source and the objective lens and between the objective lens and the light receiving element, thereby causing the wavelength variation of the emitted light emitted from the light source. It corrects chromatic aberration.

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位置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。   Conventionally, displacement detectors have been widely used as devices for measuring the displacement and shape of a surface to be measured. In the displacement detection device, the laser light emitted from the light source of the non-contact sensor is condensed on the surface to be measured via the objective lens, and a focus error signal is generated by the astigmatism method from the reflected light reflected by the surface to be measured. Then, using this focus error signal, servo is applied to move and adjust the focal position of the objective lens, and the scale to be measured is read by reading the scale of the linear scale integrally attached to the objective lens via the connecting member The displacement of is detected.

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。   However, the above-described displacement detection device has a problem in that high linearity of the focus error signal itself is poor and thus high detection accuracy cannot be obtained. Therefore, Patent Document 1 proposes a displacement detection apparatus that outputs a calibrated output signal corresponding to a focus error signal of a non-contact sensor from a calibration table.

特開平5−89480号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-89480

しかしながら、上記特許文献1を含む一般的な変位検出装置では、変位検出装置の電源をオンして被測定面の変位測定を開始すると、光源の温度が上昇し、光源から射出されるレーザ光の波長が変動してしまう。また、変位検出装置の周囲の温度変化によっても光源の温度が変動し、レーザ光の波長が変動してしまう。対物レンズを通過する光の屈折率は波長に応じて異なるので、これにより対物レンズの焦点位置もずれてしまう。その結果、従来の変位検出装置では、色収差が大きく影響してしまい、高い安定性でかつ高精度に被測定面の変位を検出することができないという問題があった。   However, in the general displacement detection device including the above-mentioned Patent Document 1, when the displacement detection device is turned on and the displacement measurement of the surface to be measured is started, the temperature of the light source rises and the laser light emitted from the light source Wavelength will fluctuate. Further, the temperature of the light source varies due to a change in the temperature around the displacement detection device, and the wavelength of the laser light also varies. Since the refractive index of the light passing through the objective lens differs depending on the wavelength, this also shifts the focal position of the objective lens. As a result, the conventional displacement detection apparatus has a problem that chromatic aberration is greatly affected, and the displacement of the surface to be measured cannot be detected with high stability and high accuracy.

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、光源の波長変動に関係なく、高い安定性で高精度に被測定面の変位を検出する変位検出装置を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a displacement detection device that detects the displacement of the surface to be measured with high stability and high accuracy regardless of the wavelength variation of the light source. There is.

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集光・発散させる非点生成レンズと、前記非点生成レンズにより集光された反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成し、対物レンズの焦点位置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、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位置を調整する制御部と、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、制御部により対物レンズの焦点位置が調整されたときの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、光源と対物レンズとの間および対物レンズと受光素子との間の少なくとも一方の光路上には、光源から射出される射出光の波長変動によって生じる色収差を補正する光学的色消し部材が配置される。
また、非接触センサを収容する筐体と、対物レンズおよび当該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からなる可動部と、を有している。そして、可動部は、筐体に対して移動可能に設けられる。非接触センサは、光源と対物レンズとの間に配置され、光源から射出された射出光の光束を平行光に変換するコリメートレンズをさらに有している。光学的色消し部材は、筐体に固定されて、コリメートレンズにより平行光に変換された射出光の光路中に配置される。さらに、光学的色消し部材は、第1の屈折率を有する第1の硝材と第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する第2の硝材とが貼り合わされて構成され、コリメートレンズ側の端面および対物レンズ側の端面が平面である。
The displacement detection device according to the present invention solves the above-described problem, and a light source, an objective lens that condenses the light emitted from the light source on the surface to be measured, and the surface to be measured by the objective lens. An astigmatism generating lens that collects and diverges the reflected light that is collected and reflected by the surface to be measured, and generates a focus error signal based on the reflected light that is collected by the astigmatism generating lens, and an objective lens A non-contact sensor having a light receiving element for detecting displacement information based on the focal position of the lens, a control unit for adjusting the focal position of the objective lens based on the displacement information detected by the light receiving element, and a connecting member to the objective lens A displacement scale measuring unit that measures the amount of displacement of the linear scale when the focal position of the objective lens is adjusted by the control unit. At least one light path and between the objective lens and the light receiving element of the figure, the optical achromatic member of correcting chromatic aberration caused by the wavelength variation of the emitted light emitted from the light source is disposed.
Moreover, it has the housing | casing which accommodates a non-contact sensor, and the movable part which consists of a linear scale attached to the objective lens and the said objective lens via the connection member. The movable portion is provided so as to be movable with respect to the housing . The non-contact sensor further includes a collimating lens that is disposed between the light source and the objective lens and converts the light beam of the emitted light emitted from the light source into parallel light. Optical achromatic member is fixed to the housing, Ru is disposed in the optical path of the emitted light is converted into parallel light by a collimator lens. Further, the optical achromatic member is formed by bonding a first glass material having a first refractive index and a second glass material having a second refractive index different from the first refractive index, and a collimating lens. The end surface on the side and the end surface on the objective lens side are flat surfaces.

本発明の変位検出装置において光源と対物レンズとの間の光路上に光学的色消し部材を配置した場合には、光源から射出された射出光は光学的色消し部材に入射される。光学的色消し部材では射出光の波長変動によって生じた焦点位置のずれが補正される。これにより、被測定面には焦点位置が補正された射出光が集光されるので、色収差の影響を抑えることができる。   In the displacement detection device of the present invention, when an optical achromatic member is disposed on the optical path between the light source and the objective lens, the emitted light emitted from the light source is incident on the optical achromatic member. The optical achromatic member corrects the focal position shift caused by the wavelength variation of the emitted light. Thereby, since the emitted light whose focal position is corrected is collected on the surface to be measured, the influence of chromatic aberration can be suppressed.

また、対物レンズと受光素子との間の光路上に光学的色消し部材を配置した場合には、被測定面で反射された反射光が光学的色消し部材に入射される。光学的色消し部材では、射出光や反射光の波長変動によって生じた焦点位置のずれが補正される。これにより、受光素子には焦点位置が補正された反射光が集光されるので、色収差の影響を抑えることができる。   Further, when an optical achromatic member is disposed on the optical path between the objective lens and the light receiving element, the reflected light reflected by the surface to be measured is incident on the optical achromatic member. In the optical achromatic member, the deviation of the focal position caused by the wavelength variation of the emitted light or reflected light is corrected. As a result, the reflected light whose focal position is corrected is collected on the light receiving element, so that the influence of chromatic aberration can be suppressed.

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位置を調整する。変位量測定部では、制御部により対物レンズの焦点位置が調整されたときの対物レンズの変位量を測定する。   The control unit adjusts the focal position of the objective lens based on the displacement information detected by the light receiving element. The displacement amount measuring unit measures the displacement amount of the objective lens when the focal position of the objective lens is adjusted by the control unit.

本発明によれば、光路上に光学的色消し部材を配置することで、波長変動による焦点位置のずれを補正することができる。これにより、対物レンズを含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面の変位を検出することができる。   According to the present invention, by disposing the optical achromatic member on the optical path, it is possible to correct the focal position shift due to wavelength variation. Thereby, chromatic aberration caused by the lens on the optical path including the objective lens can be corrected, and the displacement of the surface to be measured can be detected with high stability and high accuracy.

[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。
図1は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置10のブロック構成例を示す図である。図1に示すように、変位検出装置10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。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a block configuration example of a displacement detection device 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the displacement detection apparatus 10 includes a non-contact sensor 100A, a control unit 200, a servo control unit 210, an actuator 300, a displacement amount measurement unit 400, a signal processing unit 404, and a display unit 140. With. In FIG. 1, the configuration of the non-contact sensor 100A is simplified for convenience.

図2は、非接触センサ100Aの構成例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、偏光ビームスプリッタ108と、第1の色消しレンズ150Aと、第2の色消しレンズ150Bと、λ/4板110と、ミラー112と、対物レンズ114と、非点成生レンズ118と、受光素子120、筐体(シャーシ)180とを有する。   FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of the non-contact sensor 100A. As shown in FIG. 2, the non-contact sensor 100A includes a light source 102, a collimating lens 104, a polarizing beam splitter 108, a first achromatic lens 150A, a second achromatic lens 150B, and a λ / 4 plate. 110, a mirror 112, an objective lens 114, an astigmatism lens 118, a light receiving element 120, and a housing (chassis) 180.

筐体180は、光源102、コリメートレンズ104と、偏光ビームスプリッタ108、第1の色消しレンズ150A、第2の色消しレンズ150B、非点成生レンズ118および受光素子120を収容するものである。筐体180の下部には、第1の色消しレンズ150Aを通過した射出光Lをλ/4板110側に通過させるための開口部132が形成される。   The housing 180 houses the light source 102, the collimating lens 104, the polarizing beam splitter 108, the first achromatic lens 150A, the second achromatic lens 150B, the astigmatism lens 118, and the light receiving element 120. . An opening 132 for allowing the emitted light L that has passed through the first achromatic lens 150 </ b> A to pass to the λ / 4 plate 110 side is formed in the lower portion of the housing 180.

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、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は偏光ビームスプリッタ108に入射される。偏光ビームスプリッタ108は、コリメートレンズ104を通過した射出光Lを透過させて第1の色消しレンズ150Aに入射させる。   The light source 102 is composed of, for example, a semiconductor laser diode, a super luminescence diode, a light emitting diode, or the like, and emits an emitted light L such as a laser beam toward the collimating lens 104. The collimating lens 104 converts the emitted light L emitted from the light source 102 into parallel light. The emitted light L converted into parallel light is incident on the polarization beam splitter 108. The polarization beam splitter 108 transmits the emitted light L that has passed through the collimating lens 104 and makes it incident on the first achromatic lens 150A.

第1の色消しレンズ150Aは、光学的色消し部材の一例であり、光源102の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。第1の色消しレンズ150Aを構成する対物レンズは、曲率半径が小さくて発生する色収差も大きく、硝材の組み合わせが限られているため、レンズ設計が困難である。そこで、本実施の形態では、図2に示すように、偏光ビームスプリッタ108とλ/4板110との間、偏光ビームスプリッタ108と非点成生レンズ118との間のそれぞれに第1の色消しレンズ150Aおよび第2の色消しレンズ150Bを配置することで、レンズ設計を容易にしている。   The first achromatic lens 150 </ b> A is an example of an optical achromatic member, and corrects chromatic aberration caused by wavelength variation due to a temperature change of the light source 102. The objective lens constituting the first achromatic lens 150A has a small radius of curvature and a large chromatic aberration, and the combination of glass materials is limited. Therefore, it is difficult to design the lens. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the first color is provided between the polarizing beam splitter 108 and the λ / 4 plate 110 and between the polarizing beam splitter 108 and the astigmatism lens 118, respectively. The lens design is facilitated by arranging the achromatic lens 150A and the second achromatic lens 150B.

また、第1の色消しレンズ150Aは、対物レンズ114と一体化させても良いが、対物レンズ114を含む可動部の質量を極力下げるためには、対物レンズ114から第1の色消しレンズ150Aを分離させることが好ましい。そこで、本実施の形態では、第1の色消しレンズ150Aを筐体180の例えば前方壁面180aの支持部182(図3参照)に取り付け、固定している。   The first achromatic lens 150A may be integrated with the objective lens 114, but in order to reduce the mass of the movable part including the objective lens 114 as much as possible, the first achromatic lens 150A is removed from the objective lens 114. Is preferably separated. Therefore, in the present embodiment, the first achromatic lens 150A is attached and fixed to the support portion 182 (see FIG. 3) of the front wall surface 180a of the housing 180, for example.

図3は、非接触センサ100Aの固定部600と可動部700とを示す図である。光源102は、筐体180内に設けられた支持部188,188によって所定位置に保持されている。コリメートレンズ104は、筐体180内に設けられた支持部186,186によって所定位置に保持されている。偏光ビームスプリッタ108は、筐体180内に設けられた支持部184,184によって所定位置に保持されている。第1の色消しレンズ150Aは、筐体180内に設けられた支持部182,182によって所定位置に保持されている。本例では、光源102、コリメートレンズ104、偏光ビームスプリッタ108、第1の色消しレンズ150A、筐体180を固定部600と呼ぶ。   FIG. 3 is a diagram illustrating the fixed portion 600 and the movable portion 700 of the non-contact sensor 100A. The light source 102 is held at a predetermined position by support portions 188 and 188 provided in the housing 180. The collimating lens 104 is held at a predetermined position by support portions 186 and 186 provided in the housing 180. The polarization beam splitter 108 is held at a predetermined position by support portions 184 and 184 provided in the housing 180. The first achromatic lens 150 </ b> A is held at a predetermined position by support portions 182 and 182 provided in the housing 180. In this example, the light source 102, the collimating lens 104, the polarization beam splitter 108, the first achromatic lens 150 </ b> A, and the housing 180 are referred to as a fixing unit 600.

一方、連結部材500を介して互いに連結された対物レンズ114およびリニアスケール408は、アクチュエータ300の駆動により移動可能に設けられている。本例では、対物レンズ114、リニアスケール408および連結部材500を可動部700と呼ぶ。   On the other hand, the objective lens 114 and the linear scale 408 coupled to each other via the coupling member 500 are provided to be movable by driving the actuator 300. In this example, the objective lens 114, the linear scale 408, and the connecting member 500 are referred to as a movable portion 700.

このように、本実施の形態では、第1の色消しレンズ150Aは筐体180に取り付けられ、可動部700の対物レンズ114とは別体に設けられる。これにより、可動部700の質量を下げることができ、安定かつ正確に可動部700が動作できるようになっている。   Thus, in the present embodiment, the first achromatic lens 150A is attached to the housing 180 and is provided separately from the objective lens 114 of the movable unit 700. Thereby, the mass of the movable part 700 can be lowered, and the movable part 700 can operate stably and accurately.

図4(A)は第1の色消しレンズ150Aの構成例を示す図である。第1の色消しレンズ150Aは、偏光ビームスプリッタ108とλ/4板110との間であって、コリメートレンズ104により平行光に変換された射出光L中に配置されている(図2参照)。第1の色消しレンズ150Aは、屈折率(第1の屈折率)Naを有する凸レンズ152と屈折率(第2の屈折率)Nbを有する凹レンズ154とが貼り合わされて構成される。凸レンズ152の光源102側の端面152aおよび凹レンズ154の対物レンズ114側の端面154aのそれぞれは平坦に加工されている。これにより、波長が中心波長の場合、第1の色消しレンズ150Aは、レンズではなく平行平板として機能することになり、色収差を効果的に抑えることができる。   FIG. 4A is a diagram illustrating a configuration example of the first achromatic lens 150A. The first achromatic lens 150A is disposed between the polarization beam splitter 108 and the λ / 4 plate 110 and in the emitted light L converted into parallel light by the collimating lens 104 (see FIG. 2). . The first achromatic lens 150A is configured by bonding a convex lens 152 having a refractive index (first refractive index) Na and a concave lens 154 having a refractive index (second refractive index) Nb. The end surface 152a on the light source 102 side of the convex lens 152 and the end surface 154a on the objective lens 114 side of the concave lens 154 are each processed flat. Thus, when the wavelength is the center wavelength, the first achromatic lens 150A functions as a parallel plate instead of a lens, and chromatic aberration can be effectively suppressed.

ここで、凸レンズ152と凹レンズ154との屈折率差は例えば0.01以下とすることが好ましい。これは、光源102から射出される射出光Lの波長が中心波長の場合、屈折率差を小さくしておけば、2つの凸レンズ152と凹レンズ154間の硝材の違いは現れないので、貼り合わせ面での屈折は生じず、一枚のレンズを用いた場合と等しく振舞わせることができるからである。   Here, the refractive index difference between the convex lens 152 and the concave lens 154 is preferably set to 0.01 or less, for example. This is because when the wavelength of the emitted light L emitted from the light source 102 is the center wavelength, the difference in the glass material between the two convex lenses 152 and the concave lens 154 does not appear if the difference in refractive index is made small. This is because there is no refraction at the point, and the same behavior as when a single lens is used can be obtained.

また、凸レンズ152のアッベ数νaと凹レンズ154のアッベ数νbとのアッベ数の比(νa/νb)は1.7以上とすることが好ましい。これは、僅かに波長が変動した場合でも、2つの凸レンズ152と凹レンズ154で生じる屈折率差が大きく変化し、貼り合わせ面をレンズとして機能させることができるからである。この結果、貼り合わせ面の曲率半径を選ぶことにより、波長変動による貼り合わせレンズ全体の焦点距離が一定となるように設定することができる。   The ratio of the Abbe number (νa / νb) between the Abbe number νa of the convex lens 152 and the Abbe number νb of the concave lens 154 is preferably 1.7 or more. This is because even if the wavelength slightly varies, the refractive index difference generated between the two convex lenses 152 and the concave lens 154 changes greatly, and the bonded surface can function as a lens. As a result, by selecting the radius of curvature of the bonded surface, it is possible to set the focal length of the entire bonded lens due to wavelength variation to be constant.

図2に戻り、第1の色消しレンズ150Aを透過した射出光Lはλ/4板110に入射される。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、対物レンズ114に入射される。   Returning to FIG. 2, the emitted light L that has passed through the first achromatic lens 150 </ b> A is incident on the λ / 4 plate 110. The λ / 4 plate 110 converts the incident light L that is incident linearly polarized light into right-handed circularly polarized light. The emitted light L that has passed through the λ / 4 plate 110 is reflected by the mirror 112 toward the surface to be measured TG and is incident on the objective lens 114.

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、アクチュエータ300によりリニアスケール408と連動して移動可能に設けられる。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。   The objective lens 114 is an optical element including a lens having a predetermined numerical aperture, and is provided so as to be movable in conjunction with the linear scale 408 by the actuator 300. The emitted light L incident on the objective lens 114 is condensed on the measurement surface TG.

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、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。   The emitted light L condensed on the measurement surface TG is reflected by the measurement surface TG. The reflected light Lr reflected by the surface to be measured TG passes through the objective lens 114, is reflected by the mirror 112, and enters the λ / 4 plate 110.

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、第1の色消しレンズ150Aを透過して偏光ビームスプリッタ108に再び入射される。   The λ / 4 plate 110 further rotates the reflected light, which is incident polarized light rightward, to the right, and converts it into reflected light Lr composed of linearly polarized light that is shifted from the emitted light L by ½ wavelength. The reflected light Lr that has passed through the λ / 4 plate 110 passes through the first achromatic lens 150A and is incident on the polarization beam splitter 108 again.

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の色消しレンズ150B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の色消しレンズ150Bに入射される。   The polarized beam splitter 108 reflects the reflected light Lr toward the second achromatic lens 150B because the incident reflected light Lr is shifted by ½ wavelength with respect to the emitted light L. The reflected light Lr reflected by the polarizing beam splitter 108 enters the second achromatic lens 150B.

第2の色消しレンズ150Bは、偏光ビームスプリッタ108と非点成生レンズ118との間に配置され、偏光ビームスプリッタ108で反射した反射光Lrの色収差を補正する。図4(B)は第2の色消しレンズ150Bの構成例を示す図である。第2の色消しレンズ150Bは、屈折率(第1の屈折率)Naを有する凸レンズ152と屈折率(第2の屈折率)Nbを有する凹レンズ154とが貼り合わされて構成される。受光素子120側では、対物レンズ114と異なり収差はそれ程重要視されないので、凸レンズ152の端面152a側および凹レンズ154の端面154a側は平坦に加工されていない。もちろん、上述したように端面152a,154a側を加工しても良い。その他の屈折率、屈折率差、アッベ数、アッベ数の比は、上述した第1の色消しレンズ150Aと同様の構成である。この第2の色消しレンズ150Bで色収差が補正された反射光Lrは非点成生レンズ118に入射される。   The second achromatic lens 150B is disposed between the polarization beam splitter 108 and the astigmatism lens 118, and corrects chromatic aberration of the reflected light Lr reflected by the polarization beam splitter 108. FIG. 4B is a diagram illustrating a configuration example of the second achromatic lens 150B. The second achromatic lens 150B is configured by bonding a convex lens 152 having a refractive index (first refractive index) Na and a concave lens 154 having a refractive index (second refractive index) Nb. On the light receiving element 120 side, unlike the objective lens 114, the aberration is not so important. Therefore, the end surface 152a side of the convex lens 152 and the end surface 154a side of the concave lens 154 are not processed flat. Of course, the end surfaces 152a and 154a may be processed as described above. The other refractive index, refractive index difference, Abbe number, and Abbe number ratio are the same as those in the first achromatic lens 150A described above. The reflected light Lr whose chromatic aberration is corrected by the second achromatic lens 150B enters the astigmatism lens 118.

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。   The astigmatism generating lens 118 has a shape obtained by dividing a cylinder into two in the axial direction, and collects and diverges light in a section having a curvature, and transmits light as it is in a plane section. The reflected light Lr incident on the astigmatism lens 118 is condensed on the light receiving element 120.

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5(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が対物レンズ114の焦点距離f1(図1参照)にあるときには、図5(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、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5(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5(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。   The light receiving element 120 generates a focus error signal SFE based on the reflected light Lr collected by the astigmatism lens 118 and supplies the focus error signal SFE to the servo control unit 210. The light receiving element 120 is configured by a four-divided diode. 5A to 5C are diagrams illustrating the beam diameter of the reflected light Lr collected on the four-divided diode. When the surface to be measured TG is at the focal length f1 (see FIG. 1) of the objective lens 114, the condensed light becomes a circular light spot LR as shown in FIG. Further, when the objective lens 114 moves away from the measurement target surface TG from the focal length f1, as shown in FIG. 5B, an elliptical light spot LRx spreading laterally is obtained, and when the objective lens 114 approaches the focal length f1, As shown in FIG. 5C, an elliptical light spot LRy spreads vertically.

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6のグラフに示すような特性を有する。図6の特性において、原点Oを合焦位置とし、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(焦点位置)dとが等しくなる。
Here, if the output signals output from each of the divided photodiodes are A, B, C, and D, the focus error signal SFE representing the deviation of the focal length f1 is given by the following equation (1).
SFE = (A + C)-(B + D) (1)
At this time, the focus error signal SFE given by the above equation (1) has characteristics as shown in the graph of FIG. In the characteristics shown in FIG. 6, when the origin O is the in-focus position and the distance between the objective lens 114 and the measured surface TG is d, the focal distance f1 and the distance (focal position) d are equal at the origin O. Become.

図1に戻り、サーボ制御部210は、受光素子120から出力されるフォーカスエラー信号SFEに基づいて対物レンズ114の焦点位置の調整を行う。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と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。   Returning to FIG. 1, the servo control unit 210 adjusts the focal position of the objective lens 114 based on the focus error signal SFE output from the light receiving element 120. The servo control unit 210 includes a servo amplifier (not shown) and a comparison circuit. The servo amplifier amplifies the supplied focus error signal SFE and supplies it to the comparison circuit. The comparison circuit compares a preset reference value with the focus error signal SFE. The reference value is set within a range in which an error from the focal length f1 can be allowed, and is stored in the ROM of the comparison circuit, for example. As a result of comparing the reference value and the focus error signal SFE, the servo controller 210 determines that the focus error signal SFE has a zero value when the value of the focus error signal SFE exceeds the allowable range of the reference value. Signal) Sd is generated and supplied to the actuator 300.

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により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、対物レンズ114の近傍に取り付けても良い。   The actuator 300 includes a movable coil 302, a permanent magnet 304, and a connecting member 500. The upper end portion of the connecting member 500 is attached to the lower portion of the movable coil 302. The objective lens 114 is attached and fixed to the lower end portion of the connecting member 500. The movable coil 302 moves the connecting member 500 in the directions of arrows D1 and D2 so that the focus error signal SFE has a zero value according to the drive signal Sd supplied by the servo control unit 210. In conjunction with this movement, the objective lens 114 integrally attached to the connecting member 500 is also moved in the directions of the arrows D1 and D2, and the distance d between the objective lens 114 and the measured surface TG is always the focal length f1 of the objective lens 114. The feedback control is performed so that the value becomes equal to. The actuator 300 may be attached in the vicinity of the objective lens 114 as shown in FIG.

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。   Since a voice coil motor is used as the actuator 300, the linearity with respect to the displacement of the surface to be measured TG is high. This is because the voice coil motor is a motor that is linearly displaced with respect to the current supplied to the movable coil 302. Therefore, the displacement amount can be easily detected by measuring the current supplied to the movable coil 302. The actuator 300 is not limited to a voice coil motor, and may be replaced with a DC servo motor, a stepping motor, a piezoelectric element, or the like.

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、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よい。   The displacement measuring unit 400 includes a linear scale 408 and a lattice interferometer 402. The linear scale 408 is formed with a scale (light-shielding pattern) 406 made of, for example, chromium at a predetermined pitch, and is attached and fixed at a predetermined position of the connecting member 500. The linear scale 408 is provided with an origin 410 at a substantially central position of the scale 406. Here, the scale 406 of the linear scale 408 is attached on the extension line Oa of the optical axis Lo of the objective lens 114. In other words, the linear scale 408 is arranged coaxially (in-line) with respect to the optical axis Lo of the objective lens 114. As the linear scale 408, for example, an optical scale (hologram scale) in which light interference fringes are recorded as a scale 406 can be used. In place of the optical scale, a magnetic scale or a capacitive scale may be used.

格子干渉計402は、筐体180(図2参照)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の方向の上下方向、矢印D1,D2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筐体180等に固定することが可能である。   The grating interferometer 402 is fixed to the housing 180 (see FIG. 2), reads the value of the scale 406 of the linear scale 408, generates a scale read signal Sv, and supplies the generated scale read signal Sv to the signal processing unit 404. To do. When the surface to be measured TG is displaced, the objective lens 114 and the linear scale 408 are displaced by the same distance in the same direction so as to maintain the focal length f1, so that the lattice interferometer 402 indicates the displacement amount on the scale of the linear scale 408. Read from 406. The grating interferometer 402 can be moved in the vertical direction of the extension line Oa of the optical axis Lo and in the directions of the arrows D1 and D2, and can be fixed to the housing 180 or the like at the moved position. .

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。   The signal processing unit 404 calculates the amount of displacement of the measurement surface TG based on the scale reading signal Sv output from the grating interferometer 402. Then, the signal processing unit 404 performs predetermined image signal processing based on the control signal Ss from the control unit 200, generates an image signal Si based on the calculated displacement amount, and outputs the image signal Si to the display unit 140. The image signal Si generated by the signal processing unit 404 may be stored in a data logger (not shown).

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。   The display unit 140 includes, for example, an LCD (Liquid Crystal Display), a PDP (Plasma Display Panel), or an EL (Electro Luminescence). The display unit 140 performs display based on the image signal Si output from the signal processing unit 404, and displays the displacement of the measurement target surface TG on the screen of the display unit 140. Thereby, automatic measurement can be easily performed.

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。   The control unit 200 controls operations of the servo control unit 210 and the signal processing unit 404, and includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read-Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). .

以上説明したように、本実施の形態によれば、偏光ビームスプリッタ108とλ/4板110との間の光路上に第1の色消しレンズ150Aを配置すると共に、偏光ビームスプリッタ108と非点成生レンズ118との間の光路上に第2の色消しレンズ150Bを配置することで、射出光Lや反射光Lrの波長変動による焦点距離のずれを補正することができる。これにより、対物レンズ114を含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面TGの変位を検出することができる。   As described above, according to the present embodiment, the first achromatic lens 150A is disposed on the optical path between the polarizing beam splitter 108 and the λ / 4 plate 110, and the astigmatism with the polarizing beam splitter 108 is also reduced. By disposing the second achromatic lens 150B on the optical path to the adult lens 118, it is possible to correct the focal length shift due to the wavelength variation of the emitted light L and the reflected light Lr. Thereby, chromatic aberration caused by the lens on the optical path including the objective lens 114 can be corrected, and the displacement of the measurement surface TG can be detected with high stability and high accuracy.

また、第1の色消しレンズ150Aは筐体180に固定され、対物レンズ114とは別体で設けられるため、対物レンズ114を含む可動部700の軽量化を図ることができる。これにより、可動部700を安定かつ正確に動作させることができ、被測定面TGの変位を高精度に検出することができる。   Further, since the first achromatic lens 150A is fixed to the housing 180 and is provided separately from the objective lens 114, the movable portion 700 including the objective lens 114 can be reduced in weight. Thereby, the movable part 700 can be operated stably and accurately, and the displacement of the surface to be measured TG can be detected with high accuracy.

また、上述した変位検出装置10によって得られた変位量は、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。   In addition, the displacement obtained by the above-described displacement detection device 10 is such that the linear scale 408 that is moved integrally with the objective lens 114 is arranged coaxially with the optical axis Lo of the objective lens 114, so-called in-line. Therefore, Abbe error does not occur. For this reason, since the displacement amount of the linear scale 408 and the displacement amount of the objective lens 114 correspond to 1: 1, the displacement amount can be detected with extremely high accuracy.

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。   Moreover, if it is within the detection range of the linear scale 408 (full scale of the scale 406), a wide detection range can be obtained without impairing the detection accuracy.

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。   Further, since feedback control is used, no measurement error occurs even if the sensitivity of the focus error signal SFE changes due to the reflectance of the surface to be measured TG, and errors due to variations and drifts in the elements of the servo system and the actuator 300 occur. This eliminates the need for adjustment and calibration, and enables stable detection over a long period of time.

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。   Furthermore, by forming the origin 410 on the linear scale 408, there is an advantage that the amount of displacement of the measured surface TG can be detected with the position of the origin 410 as the reference position.

[第2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。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10,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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which is common in the displacement detection apparatus 10 demonstrated in 1st Embodiment mentioned above, and the non-contact sensor 100A, and detailed description is abbreviate | omitted.

図7は、本発明の第2の実施形態に係る非接触センサ100Bの構成例を示す図である。非接触センサ100Bは、図7に示すように、光源102と、コリメートレンズ104と、偏光ビームスプリッタ108と、第1の色消しレンズ150Aと、第2の色消しレンズ150Bと、λ/4板110と、ミラー112と、対物レンズ114と、非点成生レンズ118と、受光素子120とを有する。なお筐体180は便宜上省略している。   FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a non-contact sensor 100B according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the non-contact sensor 100B includes a light source 102, a collimating lens 104, a polarizing beam splitter 108, a first achromatic lens 150A, a second achromatic lens 150B, and a λ / 4 plate. 110, a mirror 112, an objective lens 114, an astigmatism lens 118, and a light receiving element 120. Note that the housing 180 is omitted for convenience.

第1の色消しレンズ150Aは、光学的色消し部材の一例であり、光源102の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。第1の色消しレンズ150Aは、コリメートレンズ104と偏光ビームスプリッタ108との間であって、コリメートレンズ104により変換された平行光中に配置されている。第1の色消しレンズ150Aは、凸レンズ152と凹レンズ154とが貼り合わされて構成され、凸レンズ152の光源102側の端面152aおよび凹レンズ154の対物レンズ114側の端面154aのそれぞれは平坦に加工されている(図4(A)参照)。   The first achromatic lens 150 </ b> A is an example of an optical achromatic member, and corrects chromatic aberration caused by wavelength variation due to a temperature change of the light source 102. The first achromatic lens 150 </ b> A is disposed between the collimating lens 104 and the polarization beam splitter 108 and in the parallel light converted by the collimating lens 104. The first achromatic lens 150A is configured by bonding a convex lens 152 and a concave lens 154, and the end surface 152a of the convex lens 152 on the light source 102 side and the end surface 154a of the concave lens 154 on the objective lens 114 side are each processed into a flat shape. (See FIG. 4A).

第2の色消しレンズ150Bは、偏光ビームスプリッタ108と非点成生レンズ118との間に配置され、偏光ビームスプリッタ108で反射した反射光Lrの色収差を補正する。第2の色消しレンズ150Bの構成は、上述した第2の色消しレンズ150Bと同様の構成のものが用いられる(図4(B)参照)。   The second achromatic lens 150B is disposed between the polarization beam splitter 108 and the astigmatism lens 118, and corrects chromatic aberration of the reflected light Lr reflected by the polarization beam splitter 108. The configuration of the second achromatic lens 150B is the same as that of the above-described second achromatic lens 150B (see FIG. 4B).

本実施の形態によっても、上記第1の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施の形態では、コリメートレンズ104と偏光ビームスプリッタ108との間の光路上に第1の色消しレンズ150Aを配置すると共に偏光ビームスプリッタ108と非点成生レンズ118との間の光路上に第2の色消しレンズ150Bを配置する。これにより、対物レンズ114を含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面TGの変位を検出することができる。   Also according to the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. That is, in the present embodiment, the first achromatic lens 150A is disposed on the optical path between the collimating lens 104 and the polarizing beam splitter 108, and the light between the polarizing beam splitter 108 and the astigmatism lens 118 is light. A second achromatic lens 150B is disposed on the road. Thereby, chromatic aberration caused by the lens on the optical path including the objective lens 114 can be corrected, and the displacement of the measurement surface TG can be detected with high stability and high accuracy.

[第3の実施の形態]
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。上記第1および第2の実施の形態では光学的色消し部材として第1および第2の色消しレンズ150A,150Bを用いていたが、本実施の形態では光学的色消し部材として回折型光学素子160を用いる点において異なっている。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10,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。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the first and second embodiments, the first and second achromatic lenses 150A and 150B are used as the optical achromatic member. In this embodiment, a diffractive optical element is used as the optical achromatic member. The difference is that 160 is used. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which is common in the displacement detection apparatus 10 demonstrated in 1st Embodiment mentioned above, and the non-contact sensor 100A, and detailed description is abbreviate | omitted.

図8は、本発明の第3の実施形態に係る非接触センサ100Cの構成例を示す図である。非接触センサ100Cは、図8に示すように、光源102と、コリメートレンズ104と、偏光ビームスプリッタ108と、回折型光学素子160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。なお筐体180は便宜上省略している。   FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a non-contact sensor 100C according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the non-contact sensor 100C includes a light source 102, a collimating lens 104, a polarizing beam splitter 108, a diffractive optical element 160, a λ / 4 plate 110, a mirror 112, and a first objective. It has a lens 114, a second objective lens 116, an astigmatism lens 118, and a light receiving element 120. Note that the housing 180 is omitted for convenience.

回折型光学素子160は、光学的色消し部材の一例であり、光源102の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。本例では、回折型光学素子160の一例として第1および第2のフレネル・ゾーン・プレート160A,160Bを用いている。   The diffractive optical element 160 is an example of an optical achromatic member, and corrects chromatic aberration caused by wavelength variation due to a temperature change of the light source 102. In this example, the first and second Fresnel zone plates 160A and 160B are used as an example of the diffractive optical element 160.

図9(A)および図9(B)は、第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aの構成例を示す図である。第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aは、コリメートレンズ104と偏光ビームスプリッタ108との間であって、コリメートレンズ104により平行光に変換された射出光L中に配置される。第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aはガラス基板上に輪帯状の凹凸が形成されて構成されている。   FIGS. 9A and 9B are diagrams showing a configuration example of the first Fresnel zone plate 160A. The first Fresnel zone plate 160 </ b> A is disposed between the collimating lens 104 and the polarization beam splitter 108 and in the emitted light L converted into parallel light by the collimating lens 104. The first Fresnel zone plate 160A is configured by forming ring-shaped irregularities on a glass substrate.

ここで、図9(B)に示すように、第1のフレネル・ゾーン・プレート160A(輪帯)の中心からk番目の輪帯の境界をrkとし、使用される光の波長をλとすると、第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aの焦点距離は下記式(2)で与えられる。
Ff=rk2/kλ (2)
Here, as shown in FIG. 9B, when the boundary of the k-th annular zone from the center of the first Fresnel zone plate 160A (annular zone) is rk and the wavelength of the light used is λ. The focal length of the first Fresnel zone plate 160A is given by the following equation (2).
Ff = rk 2 / kλ (2)

輪帯の凹部の深さhは下記式(3)で与えられる。
h=0.5λ/(n−1) (3)
nは第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aに用いられる基板材料の光学的屈折率である。
The depth h of the concave portion of the annular zone is given by the following formula (3).
h = 0.5λ / (n−1) (3)
n is the optical refractive index of the substrate material used for the first Fresnel zone plate 160A.

このとき、波長がδλ変化する場合、焦点距離の変化量δFfは下記式(4)で与えられる。
δFf=−(δλ/λ)Ff (4)
すなわち、波長がδλだけシフトする場合、焦点距離は比例して短くなることを意味する。そのため、波長が長い方向へシフトすると焦点距離は短くなるので、第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aを用いることで効果的に色収差が補正できる。
At this time, when the wavelength changes by δλ, the focal length change amount δFf is given by the following equation (4).
δFf = − (δλ / λ) Ff (4)
That is, when the wavelength is shifted by δλ, the focal length is shortened in proportion. Therefore, since the focal length is shortened when the wavelength is shifted in the longer direction, the chromatic aberration can be effectively corrected by using the first Fresnel zone plate 160A.

第2のフレネル・ゾーン・プレート160Bは、偏光ビームスプリッタ108と第2の対物レンズ116との間に配置される。第2のフレネル・ゾーン・プレート160Bは、上述した第1のフレネル・ゾーン・プレート160Aと同様の構成である。   The second Fresnel zone plate 160B is disposed between the polarizing beam splitter 108 and the second objective lens 116. The second Fresnel zone plate 160B has the same configuration as the first Fresnel zone plate 160A described above.

なお、上述した第1および第2のフレネル・ゾーン・プレート160A,160Bを利用した場合、回折効率は例えば41%である。そこで、さらに回折効率を向上させるために、第1および第2のフレネル・ゾーン・プレート160A,160B以外に他の回折型光学素子160を用いることもできる。   When the first and second Fresnel zone plates 160A and 160B described above are used, the diffraction efficiency is 41%, for example. In order to further improve the diffraction efficiency, other diffractive optical elements 160 can be used in addition to the first and second Fresnel zone plates 160A and 160B.

図10(A)〜(C)は、他の回折型光学素子160の構成例を示す図である。他の回折型光学素子160として、図10(A)に示すように多段フレネル・ゾーン・プレート160Cや、図10(B)に示すようにブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート160Dを用いることもできる。さらに、他の回折型光学素子160として、図10(C)に示すように、断面が中心から外へ向けて空間周波数を変調させたフレネル・レンズ160Eを用いることもできる。   10A to 10C are diagrams showing a configuration example of another diffractive optical element 160. FIG. As another diffractive optical element 160, a multistage Fresnel zone plate 160C as shown in FIG. 10A or a blazed Fresnel zone plate 160D as shown in FIG. 10B can be used. Furthermore, as another diffractive optical element 160, as shown in FIG. 10C, a Fresnel lens 160E whose spatial frequency is modulated from the center toward the outside can also be used.

本実施の形態によれば、第1および第2のフレネル・ゾーン・プレート160A,160Bを用いた場合よりも回折効率を向上させることができる。   According to the present embodiment, the diffraction efficiency can be improved as compared with the case where the first and second Fresnel zone plates 160A and 160B are used.

[第4の実施の形態]
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、第1の対物レンズ114と受光素子120との間の一箇所にのみ回折型光学素子160を配置している点において上記第1の実施の形態と異なっている。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10,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。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. The present embodiment is different from the first embodiment in that the diffractive optical element 160 is disposed only at one location between the first objective lens 114 and the light receiving element 120. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which is common in the displacement detection apparatus 10 demonstrated in 1st Embodiment mentioned above, and the non-contact sensor 100A, and detailed description is abbreviate | omitted.

図11は、本発明の第4の実施形態に係る非接触センサ100Dの構成例を示す図である。非接触センサ100Dは、図11に示すように、光源102と、コリメートレンズ104と、偏光ビームスプリッタ108と、回折型光学素子160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。なお筐体180は便宜上省略している。   FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a non-contact sensor 100D according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, the non-contact sensor 100D includes a light source 102, a collimating lens 104, a polarizing beam splitter 108, a diffractive optical element 160, a λ / 4 plate 110, a mirror 112, and a first objective. It has a lens 114, a second objective lens 116, an astigmatism lens 118, and a light receiving element 120. Note that the housing 180 is omitted for convenience.

回折型光学素子160は光学的色消し部材の一例であり、本例では回折型光学素子160の一例としてフレネル・ゾーン・プレート160Fを用いている。フレネル・ゾーン・プレート160Fは、上述した第1および第2のフレネル・ゾーン・プレート160A,160Bと同様の構成である。なお、フレネル・ゾーン・プレート160F以外にも上述した多段フレネル・ゾーン・プレート160Cやブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート160D、フレネル・レンズ160Eを用いても良い。   The diffractive optical element 160 is an example of an optical achromatic member. In this example, a Fresnel zone plate 160F is used as an example of the diffractive optical element 160. The Fresnel zone plate 160F has the same configuration as the first and second Fresnel zone plates 160A and 160B described above. In addition to the Fresnel zone plate 160F, the multistage Fresnel zone plate 160C, the blazed Fresnel zone plate 160D, and the Fresnel lens 160E may be used.

フレネル・ゾーン・プレート160Fは偏光ビームスプリッタ108と第2の対物レンズ116と間に配置されている。フレネル・ゾーン・プレート160Fはその波長分散がレンズに比べて絶対値で一桁大きく、レンズとは真逆の機能を有する。すなわち、レンズは波長が長い方向へシフトすると焦点距離も長くなるのに対し、フレネル・ゾーン・プレート160F等の回折型光学素子では焦点距離が短い方向へシフトする。ここで、受光素子120側では、コリメートレンズ104や偏光ビームスプリッタ108、第1の対物レンズ114等の光学素子を経た光束(反射光Lr)が到達するので、波長変動の影響が大きく現れる。そこで、本実施の形態においては、受光素子120側の偏光ビームスプリッタ108と第2の対物レンズ116との間にフレネル・ゾーン・プレート160Fを配置することで、効果的に色収差の補正を行うことができる。   The Fresnel zone plate 160F is disposed between the polarizing beam splitter 108 and the second objective lens 116. The Fresnel zone plate 160F has an absolute value larger than that of the lens by an order of magnitude, and has a function opposite to that of the lens. That is, when the wavelength of the lens is shifted in the longer direction, the focal length becomes longer, whereas in a diffractive optical element such as the Fresnel zone plate 160F, the focal length is shifted in the shorter direction. Here, since the light beam (reflected light Lr) that has passed through the optical elements such as the collimator lens 104, the polarization beam splitter 108, and the first objective lens 114 arrives on the light receiving element 120 side, the influence of wavelength fluctuations appears greatly. Therefore, in this embodiment, the Fresnel zone plate 160F is disposed between the polarization beam splitter 108 on the light receiving element 120 side and the second objective lens 116, thereby effectively correcting chromatic aberration. Can do.

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。   It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention.

例えば、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。   For example, the actuator 300 is not limited to a voice coil motor, and may be replaced with a DC servo motor, a stepping motor, a piezoelectric element, or the like.

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。   In the first embodiment, the astigmatism method is used to obtain the focus error signal SFE. However, the present invention is not limited to this, and a critical angle method, a knife edge method, or the like may be used instead. In either method, since the focus error signal SFE is controlled so as to have a zero value, the displacement can be detected with high accuracy even if the reflectance of the surface TG to be measured is different.

さらに、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、対物レンズ(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、筐体180に固定しても良い。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。筐体180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、対物レンズ114等を含む変位検出装置10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。   Further, the detection optical system including the light source 102, the polarization beam splitter 108, the mirror 112, and the light receiving element 120 is attached to the connecting member 500 so as to move integrally with the objective lens (first objective lens) 114. You may comprise and you may fix to the housing | casing 180. FIG. By configuring so as to move integrally with the objective lens 114, the displacement detection range is expanded to the full scale of the linear scale 408. When fixed to the housing 180, that is, when configured in a distributed type, the actuator 300 can be made relatively small, and the weight of the displacement detection device 10 including the objective lens 114 can be reduced. it can. This makes it possible to detect the displacement amount at a higher speed.

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。It is a figure which shows the structure of the displacement detection apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 非接触センサ部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a non-contact sensor part. 非接触センサの固定部と可動部を示す図である。It is a figure which shows the stationary part and movable part of a non-contact sensor. 第1および第2の色消しレンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 1st and 2nd achromatic lens. 受光素子の受光動作を示す図である。It is a figure which shows the light reception operation | movement of a light receiving element. フォーカスエラー信号の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of a focus error signal. 本発明の第2の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the non-contact sensor part which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the non-contact sensor part which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 回折型光学素子の構成を示す図である(その1)。It is a figure which shows the structure of a diffraction type optical element (the 1). 回折型光学素子の構成を示す図である(その2)。It is a figure which shows the structure of a diffraction type optical element (the 2). 本発明の第4の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the non-contact sensor part which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・変位検出装置、100A,100B,100C,100D・・・非接触センサ、102・・・光源、104・・・コリメートレンズ、114・・・対物レンズ、120・・・受光素子、150A・・・第1の色消しレンズ、150B・・・第2の色消しレンズ、152・・・凸レンズ、152a・・・端面、154・・・凹レンズ、154a・・・端面、160・・・回折型光学素子、160A・・・第1のフレネル・ゾーン・プレート、160B・・・第2のフレネル・ゾーン・プレート、160D・・・ブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート、160E・・・フレネル・レンズ、180・・・筐体、210・・・サーボ制御部、400・・・変位量測定部、402・・・格子干渉計、408・・・リニアスケール、SFE・・・フォーカスエラー信号 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Displacement detection apparatus, 100A, 100B, 100C, 100D ... Non-contact sensor, 102 ... Light source, 104 ... Collimating lens, 114 ... Objective lens, 120 ... Light receiving element, 150A ... first achromatic lens, 150B ... second achromatic lens, 152 ... convex lens, 152a ... end surface, 154 ... concave lens, 154a ... end surface, 160 ... diffraction Type optical element, 160A ... first Fresnel zone plate, 160B ... second Fresnel zone plate, 160D ... blazed Fresnel zone plate, 160E ... Fresnel lens, 180 ... housing, 210 ... servo control unit, 400 ... displacement measuring unit, 402 ... lattice interferometer, 408 ... linear scale, SFE ... Focus error signal

Claims (3)

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集光・発散させる非点生成レンズと、前記非点生成レンズにより集光された反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成し、前記対物レンズの焦点位置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位置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位置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の光路上には、前記光源から射出される前記射出光の波長変動によって生じる色収差を補正する光学的色消し部材が配置され、
前記非接触センサを収容する筐体と、
前記対物レンズおよび当該対物レンズに連結部材を介して取り付けられた前記リニアスケールからなる可動部と、を有し、
前記可動部は、前記筐体に対して移動可能に設けられ、
前記非接触センサは、
前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記光源から射出された前記射出光の光束を平行光に変換するコリメートレンズをさらに有し、
前記光学的色消し部材は、
前記筐体に固定されて、前記コリメートレンズにより平行光に変換された前記射出光の光路中に配置され、且つ第1の屈折率を有する第1の硝材と前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する第2の硝材とが貼り合わされて構成され、前記コリメートレンズ側の端面および前記対物レンズ側の端面が平面である
変位検出装置。
A light source, an objective lens that condenses the light emitted from the light source on the surface to be measured, and condenses the reflected light that is condensed on the surface to be measured by the objective lens and reflected by the surface to be measured. An astigmatism generating lens that diverges; and a light receiving element that generates a focus error signal based on reflected light collected by the astigmatism generation lens and detects displacement information based on a focal position of the objective lens. A non-contact sensor;
A control unit for adjusting the focal position of the objective lens based on the displacement information detected by the light receiving element;
A displacement scale measuring unit having a linear scale attached to the objective lens via a connecting member, and measuring the displacement amount of the linear scale when the focal position of the objective lens is adjusted by the control unit; With
An optical color that corrects chromatic aberration caused by wavelength variation of the emitted light emitted from the light source on at least one of the optical path between the light source and the objective lens and between the objective lens and the light receiving element. An eraser is placed,
A housing for housing the non-contact sensor;
A movable part comprising the objective lens and the linear scale attached to the objective lens via a connecting member;
The movable part is provided to be movable with respect to the housing,
The non-contact sensor is
A collimating lens that is disposed between the light source and the objective lens, and converts the luminous flux of the emitted light emitted from the light source into parallel light;
The optical achromatic member is
The first glass material having the first refractive index is different from the first refractive index, which is fixed in the casing and arranged in the optical path of the emitted light converted into parallel light by the collimating lens. A displacement detection device comprising a second glass material having a second refractive index bonded together, and an end surface on the collimating lens side and an end surface on the objective lens side being flat .
前記第1の硝材と前記第2の硝材との屈折率差を0.01以下とし、第1の硝材のアッベ数と前記第2の硝材のアッベ数との比を1.7以上とした
請求項1に記載の変位検出装置。
The refractive index difference between the first glass material and the second glass material is 0.01 or less, and the ratio between the Abbe number of the first glass material and the Abbe number of the second glass material is 1.7 or more. Item 2. The displacement detection device according to Item 1.
前記光学的色消し部材は回折型光学素子から構成される
請求項1又は2に記載の変位検出装置。
The displacement detection device according to claim 1, wherein the optical achromatic member is constituted by a diffractive optical element.
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