JP5670664B2 - Displacement detector - Google Patents
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Description
本発明は、光源から出射された光を用い、非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。 The present invention relates to a displacement detection device that uses light emitted from a light source to detect displacement of a surface to be measured by a non-contact sensor.
従来から、被測定面の変位や形状を測定する装置として変位検出装置が広く利用されている。従来の変位検出装置では、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、連結部材を介して対物レンズに一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで、被測定面の変位を検出する(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, displacement detectors have been widely used as devices for measuring the displacement and shape of a surface to be measured. In the conventional displacement detection device, the light emitted from the light source is condensed on the surface to be measured by the objective lens, and the reflected light reflected by the surface to be measured is condensed by the astigmatic optical element and incident on the light receiving element. A focus error signal is generated by the point aberration method. Then, the servo mechanism is driven using the focus error signal, and the objective lens is displaced so that the focal position of the objective lens becomes the surface to be measured. At this time, the displacement of the surface to be measured is detected by reading the scale of the linear scale that is integrally attached to the objective lens via the connecting member (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、対物レンズの変位量を示すフォーカスエラー信号は迷光等によってリンギング状の波形乱れが発生する場合があり、対物レンズが基準位置にあることを示すゼロクロス点が複数発生する。サーボ機構を駆動させる条件として、対物レンズを光軸方向に駆動した際の各受光素子における受光量のSUM(和)信号がある一定値よりも大きく、かつ、フォーカスエラー信号がゼロクロス点にあるという2条件を満たした対物レンズの位置にフォーカスサーボをかけるため、SUM信号がある一定値よりも大きい区間(以下、SUM信号の立ち上がり区間という)が長いと、その範囲内に上述したフォーカスエラー信号のゼロクロス点が多数発生し、最悪の場合、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動し、対物レンズを間違った位置に変位させてしまうという問題がある。 However, the focus error signal indicating the amount of displacement of the objective lens may cause ringing-like waveform disturbance due to stray light or the like, and a plurality of zero-cross points indicating that the objective lens is at the reference position are generated. As a condition for driving the servo mechanism, the SUM (sum) signal of the amount of light received by each light receiving element when the objective lens is driven in the optical axis direction is larger than a certain value, and the focus error signal is at the zero cross point. In order to apply focus servo to the position of the objective lens that satisfies the two conditions, if the section in which the SUM signal is larger than a certain value (hereinafter referred to as the rising section of the SUM signal) is long, the focus error signal described above is included in the range. Many zero cross points occur, and in the worst case, there is a problem in that the servo mechanism is driven based on an erroneous zero cross point and the objective lens is displaced to an incorrect position.
また、SUM信号の立ち上がり区間が長いと、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間が長くなるという問題も生じる。 In addition, when the rising section of the SUM signal is long, there is a problem that the processing time until the servo mechanism is driven becomes long.
一方、SUM信号の立ち上がり区間が長いと、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、フォーカスサーボがはずれて対物レンズが光軸方向に若干動いたとしても、SUM信号がSUM信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時にシステム側で必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットがある。このようにSUM信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。 On the other hand, if the rising edge of the SUM signal is long, a disturbance such as an impact is applied during the focus servo lock on the surface to be measured, and even if the focus servo is released and the objective lens moves slightly in the optical axis direction, the SUM signal is Since it is difficult to deviate from the signal rise interval, the number of processes required on the system side at the time of focus servo return can be reduced, and there is an advantage that the time until the focus servo return can be shortened. As described above, it is necessary to optimize the rising section of the SUM signal according to specifications such as a use environment and an operation state.
SUM信号の立ち上がり区間を最適化するためには、受光素子を交換して受光素子の面積を変化させることが考えられるが、受光素子自体を交換しなければならないという問題が生じる。 In order to optimize the rising section of the SUM signal, it is conceivable to change the area of the light receiving element by replacing the light receiving element. However, there arises a problem that the light receiving element itself must be replaced.
本発明は、以上のことを配慮してなされたものであり、受光素子を変えることなく、適正なSUM信号立ち上がり区間を持った変位検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above, and an object of the present invention is to provide a displacement detection device having an appropriate SUM signal rising section without changing the light receiving element.
上記目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光源と、対物レンズと、分離光学系と、集光手段と、非点収差発生手段と、受光部と、光量調整手段と、位置情報生成部とを備えている。対物レンズは、光源からの出射光を被測定面に向けて集光し、分離光学系は、被測定面からの反射光の光路を光源から出射光の光路と分離する。集光手段は、分離光学系によって出射光の光路と分離された反射光を集光し、非点収差発生手段は、集光手段によって集光された反射光に非点収差を発生させる。 In order to achieve the above object, a displacement detection device of the present invention includes a light source, an objective lens, a separation optical system, a condensing unit, an astigmatism generating unit, a light receiving unit, a light amount adjusting unit, and positional information. And a generation unit. The objective lens condenses the light emitted from the light source toward the surface to be measured, and the separation optical system separates the optical path of the reflected light from the surface to be measured from the optical path of the light emitted from the light source. The condensing means condenses the reflected light separated from the optical path of the outgoing light by the separation optical system, and the astigmatism generating means generates astigmatism in the reflected light collected by the condensing means.
受光部は、非点収差発生手段により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、入射光束径調整手段は、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。位置情報生成部は、受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面の位置情報を生成する。 The light receiving unit detects the light amount of the reflected light in which astigmatism is generated by the astigmatism generating unit, and the incident light beam diameter adjusting unit adjusts the light beam diameter of the reflected light from the measurement surface incident on the light receiving unit. The position information generation unit generates position information of the surface to be measured using a focus error signal obtained from the amount of light detected by the light receiving unit.
上記構成の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整し、SUM信号の立ち上がり区間を任意の長さに設定することができる。そのため、変位検出装置のSUM信号立ち上がり区間の長さを変える場合であっても、受光素子自体を交換する必要がない。また、SUM信号の立ち上がり区間を短く設定することで、フォーカスエラー信号の誤ったゼロクロス点にフォーカスサーボをかけてしまう可能性が少なくなる。その結果、サーボ機構によって、対物レンズを正確な位置に変位させることができ、精度の高い測定を行うことができる。また、この入射光束径調整手段は受光部の近くに設置することが好ましく、受光素子に入射する被測定面からの反射光の光束径を正確に調整することができ、SUM信号の立ち上がり区間をより正確に設定することができる。 In the displacement detection device having the above-described configuration, the incident beam diameter adjusting means can adjust the beam diameter of the reflected light from the surface to be measured incident on the light receiving unit, and set the rising section of the SUM signal to an arbitrary length. . Therefore, even when the length of the SUM signal rising section of the displacement detection device is changed, it is not necessary to replace the light receiving element itself. Also, by setting the rising edge of the SUM signal to be short, the possibility that the focus servo is applied to the erroneous zero cross point of the focus error signal is reduced. As a result, the objective lens can be displaced to an accurate position by the servo mechanism, and high-precision measurement can be performed. The incident light beam diameter adjusting means is preferably installed near the light receiving section, and can accurately adjust the light beam diameter of the reflected light from the surface to be measured incident on the light receiving element. It can be set more accurately.
本発明の変位検出装置によれば、対物レンズを正確に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。 According to the displacement detection device of the present invention, it is possible to accurately measure the object lens by accurately displacing the objective lens.
以下、本発明の変位検出装置を実施するための形態について、図1〜図4を参照して説明する。各図において共通の部材には、同一の符号を付している。 Hereinafter, the form for implementing the displacement detection apparatus of this invention is demonstrated with reference to FIGS. In each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the common member.
まず、変位検出装置の実施の形態について、図1を参照して説明する。
図1は、変位検出装置の実施の形態を示すブロック図である。
First, an embodiment of a displacement detection device will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a displacement detection device.
図1に示すように、変位検出装置1は、光源2と、対物レンズ3と、分離光学系4と、ミラー5と、2つのコリメータレンズ6,7と、非点収差発生手段8と、受光部9と、位置情報生成部10と、筐体11、光量調整手段12とを備えている。光源2、対物レンズ3、分離光学系4、ミラー5、2つのコリメータレンズ6,7、非点収差発生手段8、受光部9、位置情報生成部10、光量調整手段12は、それぞれ筐体11に配設されている。
As shown in FIG. 1, the
光源2は、例えば、半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオードから構成されている。この光源2は、筐体11に着脱可能に取り付けられている。光源2を筐体11に着脱可能に取り付けることにより、筐体11を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源2を新しい光源と交換することができる。これにより、光源2を交換する度に筐体11の設置位置がずれる心配が無く、信頼性を必要とする測定や製造装置に変位検出装置1を使用する場合に有利となる。
The light source 2 is composed of, for example, a semiconductor laser diode or a super luminescence diode. The light source 2 is detachably attached to the
対物レンズ3は、光源2からの出射光を被測定面101に向けて集光する。この対物レンズ3は、レンズ保持部(不図示)に固定されており、レンズ保持部は、アクチュエータ(不図示)によって対物レンズ3の光軸方向に移動可能になっている。レンズ保持部を移動させるアクチュエータとしては、例えば、可動コイルと永久磁石から構成することができる。
The
また、レンズ保持部には、リニアスケール(不図示)が固定されている。このリニアスケールの目盛りは、対物レンズ3の光軸と同軸上に配置されている。このリニアスケールとしては、例えば、光の干渉縞を目盛りとして記録した光学式スケール(ホログラムスケール)や、磁気式スケール等を用いることができる。なお、リニアスケールには、目盛りの略中央位置に原点(基準点)が形成されているとよい。
A linear scale (not shown) is fixed to the lens holding portion. The scale of this linear scale is arranged coaxially with the optical axis of the
分離光学系4は、偏光ビームスプリッタ15と、位相板16から構成されており、被測定面101からの反射光の光路を光源2から出射光の光路と分離する。偏光ビームスプリッタ15は、光源2からの出射光を反射し、被測定面101によって反射された反射光を透過させる。位相板16は、偏光ビームスプリッタ15とミラー5との間に配置されており、偏光ビームスプリッタ15によって反射された出射光と、被測定面101によって反射された反射光の偏光状態を変える。
The separation optical system 4 includes a polarizing
ミラー5は、偏光ビームスプリッタ15によって反射された出射光と、被測定面101によって反射された反射光の光軸方向を変える。具体的には、偏光ビームスプリッタ15によって反射された出射光の光軸を対物レンズ3に向け、被測定面101によって反射されて対物レンズ3を通過した反射光の光軸を位相板16(偏光ビームスプリッタ15)に向ける。
The mirror 5 changes the optical axis direction of the outgoing light reflected by the
ミラー5の表面には、金属皮膜が施されている。これにより、一般的な誘電体多層膜で生じる湿度の変化による偏光や波長特性の変化を抑えることができ、安定な位置検出が可能になる。 A metal film is applied to the surface of the mirror 5. As a result, changes in polarization and wavelength characteristics due to changes in humidity caused by a general dielectric multilayer film can be suppressed, and stable position detection becomes possible.
コリメータレンズ6は、光源2と偏光ビームスプリッタ15との間に配置されており、光源2からの出射光を平行光にする。コリメータレンズ7は、偏光ビームスプリッタ15と非点収差発生手段8との間に配置されている。このコリメータレンズ7は、集光手段の一具体例を示すものであり、偏光ビームスプリッタ15を透過した反射光を集光して受光部9へ導く。
The
なお、対物レンズ3及びコリメータレンズ6,7には、光源2の波長変動による焦点距離の変動を受け難くする色消し対策(色収差補正)を施してもよい。このようにすることで、光源2の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定面101の変位量を測定した測定値に補正を行う必要が無くなる。
It should be noted that the
また、本実施の形態では、光源2から出射された出射光の光路中にコリメータレンズ6を配置し、被測定面101によって反射された反射光の光路中にコリメータレンズ7を配置した。これにより、出射光の光路長と反射光の光路長を任意に設定することが可能になる。その結果、設計の自由度を向上させることができ、最適な部品配置を実現することができる。さらに、コリメータレンズ6によりカップリング効率の最適化、使用する光源の強度分布の取り込み角度の最適化を行うことができ、コリメータレンズ7により後述するフォーカスエラー信号の特性を変化させて、例えば、対物レンズ3を変位させるためのサーボ機構が駆動する範囲(サーボ引き込み範囲)を最適化することができる。
Further, in the present embodiment, the
非点収差発生手段8は、コリメータレンズ7と受光部9との間に配置されており、コリメータレンズ7によって集光された被測定面101からの反射光に非点収差を発生させる。この非点収差発生手段8は、コリメータレンズ7から受光部9までの反射光の光路中に配置されたシリンドリカル面を含む光学部品により構成されている。非点収差発生手段としては、一般にシリンドリカルレンズを用いるが、本実施の形態では、球面とシリンドリカル面を複合させたマルチレンズを採用している。これにより、非点収差の発生と出力信号波形の調整をすることが可能となり、部品点数を削減することができる。 The astigmatism generation means 8 is disposed between the collimator lens 7 and the light receiving unit 9 and generates astigmatism in the reflected light from the surface to be measured 101 collected by the collimator lens 7. The astigmatism generating means 8 is composed of an optical component including a cylindrical surface disposed in the optical path of the reflected light from the collimator lens 7 to the light receiving unit 9. As the astigmatism generating means, a cylindrical lens is generally used, but in this embodiment, a multi-lens that combines a spherical surface and a cylindrical surface is employed. As a result, astigmatism can be generated and the output signal waveform can be adjusted, and the number of parts can be reduced.
なお、本実施の形態の非点収差発生手段8としては、コリメータレンズ7から受光部9までの反射光の光路中に斜めに配置された透明な基板により構成することもできる。 Note that the astigmatism generating means 8 of the present embodiment can also be configured by a transparent substrate disposed obliquely in the optical path of the reflected light from the collimator lens 7 to the light receiving unit 9.
受光部9は、非点収差発生手段8により非点収差が発生した反射光の光量を検出する。この受光部9は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ4つの受光素子21〜24から構成されている(図2参照)。これら4つの受光素子21〜24に入射する反射光の照射像は、反射光に非点収差が発生しているため、対物レンズ3から被測定面101までの距離によって変化する。この照射像(照射スポット)の形状については、後で説明する。
The light receiving unit 9 detects the amount of reflected light in which astigmatism is generated by the astigmatism generating means 8. The light receiving unit 9 includes four
入射光束径調整手段12は、対物レンズ3から受光部9までの反射光の光路中に配置され、受光部9へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。本実施の形態では、入射光束径調整手段12は、コリメータレンズ7と受光部9との間であって、受光部9の直近に配置されている。入射光束径調整手段12は、受光部に照射される光束径の大きさと位置とを正確に調整する為に、受光部上もしくは受光部直近に配置することが好ましい。本実施形態の入射光束径調整手段12は、受光部9へ入射する被測定面からの反射光を遮断するアパーチャ13により構成されている。アパーチャ13は、受光部9へ入射する被測定面からの反射光を遮断する枠部13aと、受光部9に被測定面からの反射光を入射させる開口部13bとを有している。アパーチャ13を用いると、被測定面と対物レンズの距離が大きくずれて、受光部上に照射される光束径が大きくなった際、アパーチャ13aの上部に落ちた光が受光部に入らなくなるのでSUM信号が減少し、アパーチャを用いない場合と比較して、SUM信号の立ち上がり区間を短くすることができる。
The incident light beam diameter adjusting means 12 is disposed in the optical path of the reflected light from the
アパーチャ13は、固定型でも可変型でもよい。可変型のアパーチャは、シャッタ機能等により開口の大きさが変えられるので、変位検出装置の環境、動作状況等の仕様に応じて、受光部9へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整することができる。
The
位置情報生成部10は、受光部9により得られるフォーカスエラー信号及びSUM信号を用いて被測定面101の位置情報を生成する。この位置情報生成部10は、フォーカスエラー信号生成部及びSUM信号生成部(不図示)と、サーボ制御回路(不図示)と、前述のアクチュエータと、前述のリニアスケールと、リニアスケールの目盛りを読み取る検出ヘッド(不図示)から構成されている。
The position
フォーカスエラー信号の値が「0」のときの対物レンズ3で集光される出射光の焦点位置は、集光手段であるコリメータレンズ7と、非点収差発生手段8と、受光部9の光軸方向の位置によって決定される。本実施の形態では、対物レンズ3で集光される出射光の焦点位置が被測定面101にあるときにフォーカスエラー信号の値が「0」になるように、コリメータレンズ7、非点収差発生手段8又は受光部9の光軸上の位置を設定している。
When the value of the focus error signal is “0”, the focal position of the emitted light condensed by the
次に、変位検出装置1による被測定面101の変位量の測定について、図1〜図3を参照して説明する。
図2は、変位検出装置1の受光部9に照射される照射像の例を示す説明図である。図3は、受光部9によって検出された光量から得られるフォーカスエラー信号及びSUM信号の特性を示す図である。
Next, the measurement of the displacement amount of the
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an irradiation image irradiated on the light receiving unit 9 of the
図1に示すように、光源2から出射された出射光は、コリメータレンズ6によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ15によって反射される。偏光ビームスプリッタ15によって反射された光源2からの出射光は、位相板16を通過して円偏光となり、ミラー5によって反射されて対物レンズ3に導かれる。その後、出射光は、対物レンズ3によって被測定面101に向けて集光され、被測定面101で結像される。
As shown in FIG. 1, the emitted light emitted from the light source 2 is converted into parallel light by the
被測定面101で反射した反射光は、ミラー5によって反射されて位相板16に導かれる。位相板16を通過した反射光は、位相板16を通過する前の出射光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ15を透過する。その後、反射光は、コリメータレンズ7によって集光され、非点収差発生手段8によって非点収差を発生した状態となり、入射光束径調整手段12の内側を通過して受光部9に照射される。
The reflected light reflected by the
図2に示すように、受光部9は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ4つの受光素子
21〜24から構成されている。これら4つの受光素子21〜24は、反射光の光軸周りに所定の間隔を空けて配置されており、受光素子21と受光素子23は、反射光の光軸を挟んで対向している。そして、受光素子22と受光素子24は、反射光の光軸を挟んで対向している。
As illustrated in FIG. 2, the light receiving unit 9 includes four
非点収差が発生した反射光が4つの受光素子21〜24に照射される領域(照射スポットP)は、対物レンズ3から被測定面101までの距離によって変化する。本実施の形態では、対物レンズ3によって集光される出射光の焦点位置fが被測定面101にあるときに、照射スポットが小円形になる(図2(d)参照)。ここで、照射スポットが小円形になるときの対物レンズ3の位置を基準位置とする。
The region (irradiation spot P) in which the reflected light in which astigmatism occurs is irradiated onto the four
本実施の形態では、対物レンズ3が基準位置よりも被測定面101に近づくと、照射スポットは、受光素子22,24側に延びた楕円形になる(図2(c)参照)。対物レンズ3が被測定面101にさらに近づくと、照射スポットは、受光部である受光素子21,22,23、24上で円形になり(図2(b)参照)、対物レンズ3が被測定面101にさらに近づくと、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。(図2 (a)参照)。また、対物レンズ3が、基準位置よりも、被測定面101から遠ざかると、照射スポットは、受光素子21,23側に延びた楕円形となり(図2(e)参照)、対物レンズ3が被測定面101からさらに遠ざかると、照射スポットは、受光素子21,22,23、24上で大円形になり(図2(f)参照)、対物レンズ3が被測定面101からさらに遠ざかると、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。(図2 (g)参照)。
In the present embodiment, when the
各受光素子21〜24は、検出した光を電気エネルギーに変換(光電変換)して出力信号を生成し、位置情報生成部10のフォーカスエラー信号生成部及びSUM信号生成部へ出力する。
Each of the
フォーカスエラー信号生成部は、各受光素子21〜24が出力した出力信号からフォーカスエラー信号SFEを生成する。このフォーカスエラー信号SFEは、対物レンズ3の基準位置に対する光軸方向へのずれを表している。
Focus error signal generating unit generates a focus error signal S FE from the output signal of the
各受光素子21,22,23,24の出力信号を出力信号A,B,C,Dとすると、フォーカスエラー信号SFEは、次式により算出される。
(数1)SFE=(A+C)−(B+D)
When the output signals of the
(Equation 1) SFE = (A + C)-(B + D)
SUM信号生成部は、各受光素子21〜24が出力した出力信号からSUM信号SSUMを生成する。このSUM信号SSUMは、受光素子21,22,23,24に入射する被測定面からの反射光の総光量を表している。
SUM signal generating unit generates a SUM signal S SUM from the output signal of the
各受光素子21,22,23,24の出力信号を出力信号A,B,C,Dとすると、SUM信号SSUMは、次式により算出される。
(数2)SSUM=(A+C)+(B+D)
Assuming that the output signals of the
(Expression 2) S SUM = (A + C) + (B + D)
上述の(数1)により算出されたフォーカスエラー信号SFE及び(数2)により算出されたSUM信号SSUMの特性は、図3に示すようになる。 Characteristics of the calculated SUM signal S SUM by the calculated focus error signal S FE and was (Equation 2) by the above equation (1) is as shown in FIG.
図3の実線で示したフォーカスエラー信号SFEの特性において、原点Oは対物レンズ3の基準位置を示している。
位置情報生成部10のフォーカスエラー信号生成部は、生成したフォーカスエラー信号SFEをアナログデジタル変換して、サーボ制御回路へ出力する。サーボ制御回路は、フォーカスエラー信号SFEの値が「0」となるような駆動信号をアクチュエータに出力して、アクチュエータの駆動制御を行う。これにより、レンズ保持部に固定されたリニアスケールが対物レンズ3の光軸方向に移動する。そして、検出ヘッドがリニアスケールの目盛りを読み取ることにより、被測定面101の変位量が測定される。
In the characteristic of the focus error signal SFE indicated by the solid line in FIG. 3, the origin O indicates the reference position of the
The focus error signal generation unit of the position
図3において、従来の入射光束径調整手段を用いない場合のSUM信号の特性を点線で示す。
図3の点線で示したSUM信号SSUMの特性において、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が小さくなり各受光素子21,22,23,24に入射する光量が多くなると、S1に示すようにSUM信号が立ち上がる。一方、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が大きくなり各受光素子21,22,23,24に入射する光量が少なくなると、S3に示すようにSUM信号が立ち下がる。SUM信号の立ち上がり区間S2は、SUM信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間で形成される。なお、照射スポットが図2(a)及び図2(g)の状態の場合には、被測定面から反射する光束径が非常に大きく、各受光素子21,22,23,24に入射する光量が非常に小さくなるため、SUM信号SSUMの値は「ほぼ0」となる。
In FIG. 3, the characteristic of the SUM signal when the conventional incident beam diameter adjusting means is not used is indicated by a dotted line.
In the characteristics of the SUM signal SSUM shown by the dotted line in FIG. 3, when the light beam diameter on the light receiving surface of the reflected light from the surface to be measured is reduced and the amount of light incident on each light receiving
図4は、変位検出装置の実施の形態に係る入射光束径調整手段であるアパーチャと受光素子との相対位置関係を示す平面図である。
本実施形態においては、入射光束径調整手段として、受光素子21,22,23,24を覆うアパーチャ13を用いる。アパーチャ13の中央部には、開口部13bが形成されている。開口部13bの大きさは、変位検出装置の仕様形態に合わせて、適宜設定する。
FIG. 4 is a plan view showing a relative positional relationship between an aperture which is an incident light beam diameter adjusting unit and a light receiving element according to the embodiment of the displacement detection device.
In the present embodiment, the
図3において、アパーチャ13を用いた場合のSUM信号SSUMの特性を実線で示す。
照射スポットが図2(a)及び図2(b)の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ13の枠部13aによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部13bを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、SUM信号SSUMの値は小さくなり、アパーチャ13に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどSUM信号SSUMの値は「0」に近くなる。
In FIG. 3, the characteristic of the SUM signal SSUM when the
When the irradiation spot is in the state shown in FIGS. 2A and 2B, most of the reflected light from the surface to be measured is blocked by the
照射スポットが図2(c)及び図2(d)及び図2(e)の状態においては、アパーチャ13の枠部13aによって遮られる被測定面からの反射光はほとんどなく、大部分の被測定面からの反射光が開口部13bを通じて受光素子に入射する。このため、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、SUM信号が立ち上がった状態となる。
When the irradiation spot is in the state shown in FIGS. 2C, 2D, and 2E, there is almost no reflected light from the surface to be measured that is blocked by the
照射スポットが図2(f)及び図2(g)の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ13の枠部13aによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部13bを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、SUM信号SSUMの値は小さくなり、アパーチャ13に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどSUM信号SSUMの値は「0」に近くなる。
When the irradiation spot is in the state of FIGS. 2 (f) and 2 (g), most of the reflected light from the surface to be measured is blocked by the
以上説明したように、アパーチャ13を用いない場合では、図2(b)の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多くなり、SUM信号が立ち上がってしまうが、本実施の形態のように、アパーチャ13を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、SUM信号の立ち上がりを遅らせることができる。また、アパーチャ13を用いない場合では、図2(f)の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、SUM信号が立ち上がったままの状態であるが、本実施の形態のように、アパーチャ13を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、SUM信号の立ち下がりを早くさせることができる。このように、SUM信号の立ち上がりを遅くして、SUM信号の立ち下がりを早くし、SUM信号の立ち上がり区間を短くすると、その区間に存在するフォーカスエラー信号の範囲も短くなる。従って、フォーカスエラー信号に迷光等によるリンギング状の誤ったゼロクロス点が複数発生している場合であっても、SUM信号の立ち上がり区間内に存在するゼロクロス点は少なくなるので、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動してしまう可能性を少なくすることができる。
As described above, when the
また、SUM信号の立ち上がり区間、SUM信号の立ち下がり区間は、アパーチャ13の開口部13bの大きさを変えることで、制御することができる。すなわち、開口部13bを大きくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が大きくなり、SUM信号の立ち上がりが速くなり、SUM信号の立ち下がりが遅くなり、SUM信号の立ち上がり区間は長くなる。一方、開口部13bを小さくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が小さくなり、SUM信号の立ち上がりが遅くなり、SUM信号の立ち下がりが早くなるのでSUM信号の立ち上がり区間は短くなる。なお、開口部の大きさの変更は、アパーチャ13に設けたシャッタ機能で行うようにしてもよいし、異なった開口を有するアパーチャに交換してもよい。
The rising interval of the SUM signal and the falling interval of the SUM signal can be controlled by changing the size of the
本実施形態の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光量を調整して、SUM信号の立ち上がり区間を適性に調整することで、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構が対物レンズを変位させてしまうことを防止できる。その結果、対物レンズを正確な位置に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。また、変位検出装置の仕様が変更された場合でも、受光素子自体を交換して対応する必要がない。さらに、SUM信号の立ち上がり区間を短くすることで、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間を短くすることができる。また、SUM信号の立ち上がり区間を長くすると、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、対物レンズが光軸方向に若干動いてフォーカスサーボがはずれたとしても、SUM信号はSUM信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時に必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットもある。このように、SUM信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。 In the displacement detection apparatus of the present embodiment, the incident light beam diameter adjusting means adjusts the amount of reflected light from the surface to be measured that is incident on the light receiving unit, thereby appropriately adjusting the rising section of the SUM signal. It is possible to prevent the servo mechanism from displacing the objective lens based on the zero cross point. As a result, the objective lens can be displaced to an accurate position to perform highly accurate measurement. Even when the specification of the displacement detection device is changed, it is not necessary to replace the light receiving element itself. Furthermore, the processing time until the servo mechanism is driven can be shortened by shortening the rising edge of the SUM signal. In addition, if the rising edge of the SUM signal is lengthened, even if a disturbance such as an impact is applied during the focus servo lock on the surface to be measured and the objective lens moves slightly in the optical axis direction and the focus servo is released, the SUM signal is Since it is difficult to deviate from the signal rising section, the number of processes required for the focus servo return is reduced, and there is an advantage that the time until the focus servo return can be shortened. As described above, it is necessary to optimize the rising section of the SUM signal according to specifications such as a use environment and an operation state.
本発明は、前述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態では、光源2から出射された出射光をコリメータレンズ6により平行光にしたが、コリメータレンズ6を通った光源2からの出射光は、発散光或いは収束光であってもよい。また、光量調整手段12としてアパーチャ13を用いたが、マスク等の部材を用いてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention described in the claims. For example, in the above-described embodiment, the emitted light emitted from the light source 2 is collimated by the
また、上述した実施の形態では、光源2を筐体11に着脱可能に取り付ける構造とした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、光源2を筐体11内に配設せずに筐体11から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体11内に光を供給するようにしてもよい。
これにより、熱源となる光源2を筐体11から切り離すことができ、筐体11内の温度上昇を防止することができる。また、光源2を光ファイバに着脱可能に取り付ける構造にすることにより、筐体11から離れた場所で光源2の交換を行うことができるようになり、メンテナンス性を向上させることができる。
In the embodiment described above, the light source 2 is detachably attached to the
Thereby, the light source 2 used as a heat source can be separated from the
また、本発明の変位検出装置としては、光源2を筐体11から離れた位置に配設し、光源2からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体11内に供給するようにしてもよい。
これにより、熱源となる光源2を筐体11から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体11に接続される部材が削除され、筐体11に振動が伝わらないようにすることができる。
Moreover, as a displacement detection apparatus of this invention, the light source 2 is arrange | positioned in the position away from the housing | casing 11, and the emitted light from the light source 2 is supplied in the housing | casing 11 through gas, a liquid, or a vacuum space. You may do it.
As a result, the light source 2 serving as a heat source can be separated from the
また、本発明の変位検出装置としては、ハーフミラー等を介して、波長の等しい光源を2個設けるようにしてもよい。
これにより、2個の光源を交互に発光することができるため、一の光源が寿命等によって使えなくなった場合であっても、他の光源に切り替えることで、変位検出装置を長時間にわたって使用することができる。
In the displacement detection device of the present invention, two light sources having the same wavelength may be provided via a half mirror or the like.
Thereby, since two light sources can emit light alternately, even when one light source cannot be used due to its lifetime, the displacement detection device can be used for a long time by switching to another light source. be able to.
また、上述した実施の形態では、非点収差発生手段8によって非点収差を発生させた反射光を受光部9が直接検出するようにした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、非点収差が発生した反射光を光ファイバによって受光部9に導くようにしてもよい。
これにより、受光部9の設置位置を自由に設定することができるため、受光部9と位置情報生成部10に近接して配置することができる。その結果、電気通信距離の短縮化を図ることができ、応答速度を高速化することができる。
In the above-described embodiment, the light receiving unit 9 directly detects the reflected light in which astigmatism is generated by the astigmatism generating means 8. However, as the displacement detection device of the present invention, the reflected light in which astigmatism has occurred may be guided to the light receiving unit 9 by an optical fiber.
As a result, the installation position of the light receiving unit 9 can be freely set, so that the light receiving unit 9 and the position
また、本発明の変位検出装置としては、偏光ビームスプリッタ15と受光部9との間の光路上に、例えばくもりガラス等の光散乱体を配置してもよい。
これにより、受光部9に入射する反射光の光軸方向に垂直な断面内において均一な光強度分布が得られ、被測定面101の面粗度の影響をより低減することができる。
また、こうした光散乱体を例えば1KHz以上で振動させ、散乱方向を様々に変化させると、受光素子21〜24上でのスペックルが平均化され、スペックルコントラストが低減される。
Moreover, as a displacement detection apparatus of this invention, you may arrange | position light-scattering bodies, such as cloudy glass, on the optical path between the
Thereby, a uniform light intensity distribution can be obtained in a cross section perpendicular to the optical axis direction of the reflected light incident on the light receiving unit 9, and the influence of the surface roughness of the measured
In addition, when such a light scatterer is vibrated at, for example, 1 KHz or more and the scattering direction is changed variously, speckles on the
また、被測定面101に、光源2から出射される出射光を反射させるミラー処理を施してもよい。これにより、S/N比の高い信号から位置情報を得ることができる。
また、被測定面を有する被測定物に光源2から出射される出射光と同一の波長の光を反射させる回折格子を形成してもよい。このような被測定面に対しては、上述した実施の形態の変位検出装置と、回折光を受光して面方向の位置を検出するいわゆるリニアスケールとを組み合わせた変位検出装置を構成することが好ましい。これにより、3次元方向の変位検出が可能となる。
Further, the
In addition, a diffraction grating that reflects light having the same wavelength as the emitted light emitted from the light source 2 may be formed on the measurement object having the measurement surface. For such a surface to be measured, it is possible to configure a displacement detection device that combines the displacement detection device of the above-described embodiment and a so-called linear scale that receives the diffracted light and detects the position in the surface direction. preferable. Thereby, displacement detection in a three-dimensional direction is possible.
また、被測定物に回折格子を形成する場合は、回折格子上の表面に、光源2からの出射光を反射させる反射膜を形成して被測定面としてもよい。上述した実施の形態の変位検出装置は、反射膜によって形成された被測定面からの反射光を検出することで、高さ方向の変位検出を行う。このとき、光源2から出射された出射光には、回折格子による回折光が生じないため、正確な変位検出を行うことができる。なお、リニアスケールは、この反射膜を透過する光源を用いることにより、回折光等の検出を行う。 When a diffraction grating is formed on the object to be measured, a reflection film that reflects light emitted from the light source 2 may be formed on the surface of the diffraction grating to form a surface to be measured. The displacement detection device of the above-described embodiment detects displacement in the height direction by detecting reflected light from the surface to be measured formed by the reflective film. At this time, since the emitted light emitted from the light source 2 is not diffracted by the diffraction grating, accurate displacement detection can be performed. The linear scale detects diffracted light and the like by using a light source that passes through the reflective film.
また、反射膜によって形成された被測定面は、回折格子の下地側に形成してもよい。この場合は、光源2から出射された光が回折格子を形成する材料を透過し、リニアスケールに用いる光が回折格子によって回折光となる。 Further, the surface to be measured formed by the reflective film may be formed on the base side of the diffraction grating. In this case, the light emitted from the light source 2 passes through the material forming the diffraction grating, and the light used for the linear scale becomes diffracted light by the diffraction grating.
また、本発明の変位検出装置では、対物レンズによって集光された出射光の焦点が被測定面の手前又は奥側で結像されている状態として、被測定面上の出射光の径(ビーム径)を所定の大きさにしてもよい。これにより、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等を変位量として検出することを抑制することができる。なお、被測定面上の出射光の径は、50μm以上であることが望ましい。 Further, in the displacement detection device of the present invention, the diameter of the emitted light (beam) on the measured surface is assumed as a state in which the focal point of the emitted light collected by the objective lens is imaged in front of or behind the measured surface. The diameter may be a predetermined size. Thereby, it can suppress detecting the surface roughness of a to-be-measured surface, dirt, fine dust, etc. as a displacement amount. The diameter of the emitted light on the surface to be measured is desirably 50 μm or more.
1・・・位検出装置、2・・・光源、3・・・対物レンズ、4・・・分離光学系、5・・・ミラー、6・・・コリメータレンズ、7・・・コリメータレンズ(集光手段)、8・・・非点収差発生手段、9・・・受光部、10・・・位置情報生成部、11・・・筐体、12・・・入射光束径調整手段、13・・・アパーチャ、13a・・・枠部、13b・・・開口部、15・・・偏光ビームスプリッタ、16・・・位相板、21,22,23,24・・・受光素子、101・・・被測定面、P・・・照射スポット
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記光源からの出射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
前記被測定面からの反射光の光路を前記光源からの出射光の光路と分離する分離光学系と、
前記分離光学系によって前記出射光の光路と分離された前記反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された前記反射光に非点収差を発生させる非点収差発生手段と、
前記非点収差発生手段により非点収差が発生した前記反射光の光量を検出する受光部と、
反射光の光路上であって、前記対物レンズと前記受光部との間であって、前記非点収差発生手段と前記受光部との間に設けられた、前記受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する入射光束径調整手段と、
前記受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて前記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と、を備え、
前記入射光束径調整手段は、前記受光部に入射する被測定面からの反射光を遮る矩形状の枠部と、前記被測定面からの反射光を前記受光部に入射させるために前記枠部の中央に設けられた矩形状の開口部と、からなること
を特徴とする変位検出装置。
A light source;
An objective lens that focuses the emitted light from the light source toward the surface to be measured;
A separation optical system that separates an optical path of reflected light from the measurement surface from an optical path of light emitted from the light source;
Condensing means for condensing the reflected light separated from the optical path of the outgoing light by the separation optical system;
Astigmatism generating means for generating astigmatism in the reflected light collected by the light collecting means;
A light receiving unit for detecting the amount of the reflected light in which astigmatism is generated by the astigmatism generating unit;
A surface to be measured which is on the optical path of the reflected light and which is provided between the objective lens and the light receiving unit and between the astigmatism generating means and the light receiving unit. Incident light beam diameter adjusting means for adjusting the light beam diameter of the reflected light from
A position information generation unit that generates position information of the surface to be measured using a focus error signal obtained from a light amount detected by the light receiving unit, and
The incident light beam diameter adjusting means includes a rectangular frame portion that blocks light reflected from the surface to be measured incident on the light receiving portion, and the frame portion for causing the reflected light from the surface to be measured to enter the light receiving portion. And a rectangular opening provided at the center of the displacement detecting device.
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