JP7159017B2

JP7159017B2 - 変位検出装置

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Publication number: JP7159017B2
Application number: JP2018218798A
Authority: JP
Inventors: 英明田宮
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: JP2020085606A

Description

本発明は、光源から出射された光を用いた非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関するものである。

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

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

一方、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで、被測定面の変位を検出する方式がある（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。

特許文献１に開示された変位検出装置では、変位検出の高精度化を図るために、対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を大きくして被測定面に集光させるビーム径を小さくしている。例えば、被測定面に結像されるビーム径を２μｍ程度にすると、リニアスケールの検出精度は、数ｎｍ～１００数ｎｍ程度になる。

特開平５－８９４８０号公報

また、近年では、被測定部材の高さ方向の変位だけでなく、被測定部材における被測定面の状態を確認することが求められている。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、被測定部材における被測定面の１点の変位しか検出することができず、被測定面の全体の状態を確認するためには、測定作業を複数回行う必要があり、測定作業に時間がかかる、という問題を有していた。

本発明の目的は、測定作業にかかる時間の短縮を図ることができる変位検出装置を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、被測定部材の被測定面に対向して配置されたヘッドと、被測定部材の変位を出力する変位出力部と、を備えている。ヘッドと被測定部材は、被測定面とヘッドが対向する方向である高さ方向と直交し、かつ被測定面と平行をなす走査方向に相対的に移動可能としている。
ヘッドは、光照射部と、変位検出部と、受光検出部と、を備えている。
光照射部は、複数の光束群を照射する。変位検出部は、光照射部から出射された複数の光束群を物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する。また、変位検出部は、第１の光束を複数の光束群ごとに、被測定面と平行をなし、かつ走査方向と直交するトラック方向に所定の間隔を空けて照射する。そして、変位検出部は、被測定部材によって反射された第１の光束と第２の光束を重ねた干渉光を生成する。受光検出部は、変位検出部により生成された複数の光束群ごとの干渉光を受光し、複数の干渉信号を出力する。
変位出力部は、相対位置出力部と、被測定部材位置情報取得部と、マップ情報出力部と、を備えている。相対位置出力部は、受光検出部から出力された複数の干渉信号に基づいて、被測定面における複数箇所のヘッドに対する高さ方向の相対位置情報を算出し、出力する。被測定部材位置情報取得部は、ヘッドに対する被測定部材の走査方向、及び被測定面と平行をなし、かつ走査方向と直交するトラック方向の座標位置を取得する。マップ情報出力部は、相対位置出力部から出力された被測定面における複数箇所の高さ方向の相対位置情報と、被測定部材位置情報取得部が取得した被測定部材の走査方向及びトラック方向の座標位置に基づいて、被測定部材の被測定面の状態を示すマップ情報を出力する。相対位置出力部は、被測定面における複数箇所の高さ方向の相対位置情報を同期させる同期部を有する。

本発明の変位検出装置によれば、測定作業にかかる時間の短縮を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置のヘッド内部の構成を示す平面図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の変位検出部の構成を示す概略構成図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の回折格子を示すもので、図４Ａは回折格子の一例を示す断面図、図４Ｂは回折格子の第２の例を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の受光検出部の構成を示す概略構成図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の変位出力部を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の相対位置出力部を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の要部を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における変位検出動作の他の例を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態例にかかる変位検出装置の光照射部を示す概略構成図である。本発明の第３の実施の形態例にかかる変位検出装置のヘッド内部の構成を示す平面図である。

以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図１～図１１を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、以下の説明において記載される各種のレンズは、単レンズであってもよいし、レンズ群であってもよい。

１．第１の実施の形態例
まず、本発明の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）にかかる変位検出装置の構成を図１～図６を参照して説明する。

１－１．変位検出装置の構成例
図１は、変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

本例の変位検出装置１は、透過型の回折格子を用いて、被測定面における垂直な方向の変位を検出することができる変位検出装置である。図１に示すように、変位検出装置１は、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａと対向するヘッド３と、変位を出力する変位出力部４（図６参照）と、を有している。なお、変位出力部４は、ヘッド３内に収容してもよく、あるいはヘッド３の外部に設けた携帯情報処理端末や、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に配置してもよい。

ヘッド３と被測定部材Ｍのうち少なくとも一方を、被測定面Ｍａと平行をなす走査方向を示す第１の方向Ｘに移動可能に構成されている。本例では、ヘッド３が固定されており、被測定部材Ｍが第１の方向Ｘに移動する。

以下、第１の方向Ｘと直交し、被測定面Ｍａと平行をなす方向、すなわちトラック方向を第２の方向Ｙとする。また、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙと直交する方向、すなわちヘッド３と被測定部材Ｍが対向する方向である高さ方向を第３の方向Ｚとする。

図２は、ヘッド３内部の構成を示す概略構成図である。
図２に示すように、ヘッド３は、光源１１と、光源１１から出射された光を複数光束群に分割する光束群分割部１２と、変位検出部１３と、受光検出部１５とを備えている。

光源１１には、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード等が挙げられる。

光源１１として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａのチルト等による物体光と参照光の光路長差の影響を受けにくくチルト許容範囲が広くなる。また、光源１１の可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。

さらに、光源１１として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源１１の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源１１の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。

また、光源１１と光束群分割部１２との間に光ファイバを配置し、光ファイバを用いて光源１１から出射された光Ｌを光束群分割部１２に導光してもよい。これにより、熱源となる光源１１を後述する変位検出部１３や受光検出部１５から離して配置することができ、より安定した計測が可能となる。

この光源１１から出射された光Ｌは、光束群分割部１２に入射する。なお。光源１１と光束群分割部１２の間には、コリメートレンズ等からなる不図示のレンズが配置されている。レンズは、光源１１から出射された光を平行光にコリメートする。そのため、光束群分割部１２には、レンズにより平行光にコリメートされた光が入射される。

光束群分割部１２は、例えば、複数のビームスプリッタにより構成されている。そして、光束群分割部１２は、第２の方向Ｙに沿って配置されている。光束群分割部１２は、光源１１から出射され、不図示のレンズにより平行光にコリメートされた光Ｌを、第２の方向Ｙに所定の間隔Ｈ１を空けて、第１光束群Ｌ１、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４、第５光束群Ｌ５に分割する。

なお、本例では、光束群分割部１２によって光Ｌを５つ光束群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５に分割した例を説明したが、これに限定されるものではない。光束群分割部１２が分割する数は、４つ以下でもよく、６つ以上でもよい。光束群分割部１２は、少なくとも２つ以上光束群に分割できればよい。

光束群分割部１２は、分割した光束群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５を第１の方向Ｘに向けて反射し、変位検出部１３に入射させる。この光源１１と光束群分割部１２により本例の光照射部が構成される。

［変位検出部］
図３は、変位検出部１３を示す概略構成図である。
図３に示すように、変位検出部１３は、光束分割部２１と、第１反射透過部２２と、透過型の回折格子２３と、参照用反射部の一例を示すミラー２４と、第２反射透過部２５と、第１の位相板２６と、第２の位相板２７と、光束結合部２８と、第３の位相板２９と、を備えている。

図２に示すように、光束分割部２１、第１反射透過部２２、透過型の回折格子２３、ミラー２４、第２反射透過部２５、第１の位相板２６、第２の位相板２７、光束結合部２８、第３の位相板２９は、ヘッド３内において第２の方向Ｙに延在して配置される。また、光束分割部２１、第１反射透過部２２、透過型の回折格子２３、ミラー２４、第２反射透過部２５、第１の位相板２６、第２の位相板２７、光束結合部２８、第３の位相板２９は、ヘッド３内において第１の方向Ｘに沿って並べて配置される。

また、図３に示すように、第１反射透過部２２と第２反射透過部２５は、第１の方向Ｘにおいて対向して配置される。第１反射透過部２２と第２反射透過部２５の間には、回折格子２３と、ミラー２４と、第１の位相板２６と第２の位相板２７が配置されている。なお、ミラー２４は、回折格子２３と第１の方向Ｘにおいて同じ位置に配置され、ミラー２４は、その反射面２４ａが第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙと平行をなし、第３の方向Ｚにおいて、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａと対向する位置に配置される。また、第１の位相板２６と第２の位相板２７は、第１の方向Ｘにおいて回折格子２３と第２反射透過部２５の間に配置される。

図２及び図３に示すように、光束分割部２１は、例えば、ビームスプリッタやハーフミラーにより構成されている。この光束分割部２１には、光束群分割部１２により分割された第１光束群Ｌ１、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４及び第５光束群Ｌ５が入射する。なお、以下の各光束群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５の光路は、同様であるため、第１光束群Ｌ１について説明する。

光束分割部２１は、入射した第１光束群Ｌ１を、物体光となる第１の光束ＬＡと、参照光となる第２の光束ＬＢに分割する。光束分割部２１を透過する第１の光束ＬＡは、第３の方向Ｚにおいて被測定部材Ｍに向けて進行し、光束分割部２１によって反射された第２の光束ＬＢは、第３の方向Ｚにおいて被測定部材Ｍとは反対側に向けて進行する。また、光束分割部２１よりも第１の方向Ｘにおいて光源１１や光束群分割部１２とは反対側には、第１反射透過部２２及びミラー２４が配置されている。

第１反射透過部２２には、光束分割部２１によって分割された第１の光束ＬＡと、第２の光束ＬＢが入射する。第１反射透過部２２は、例えば、偏光ビームスプリッタにより構成されている。本例では、第１反射透過部２２は、ｐ偏光の光を透過させ、ｓ偏光の光を反射する。

第１反射透過部２２は、その反射透過面２２ａが後述する回折格子２３の回折面と略平行で、かつ被測定部材Ｍの被測定面Ｍａ及びミラー２４の反射面２４ａに対してほぼ９０°となるように、配置されている。

第１反射透過部２２は、光束分割部２１によって分割された第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢを透過させる。第１反射透過部２２を透過した第１の光束ＬＡは、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに入射する。第１光束群Ｌ１の第１の光束ＬＡ１は、被測定面Ｍａの第１照射点Ｐ１に入射する。第２光束群Ｌ２の第１の光束ＬＡ２は、被測定面Ｍａの第２照射点Ｐ２に入射する。第３光束群Ｌ３の第１の光束ＬＡ３は、被測定面Ｍａの第３照射点Ｐ３に入射する。第４光束群Ｌ４の第１の光束ＬＡ４は、被測定面Ｍａの第４照射点Ｐ４に入射する。第５光束群Ｌ５の第１の光束ＬＡ５は、被測定面Ｍａの第５照射点Ｐ５に入射する。なお、第１照射点Ｐ１、第２照射点Ｐ２、第３照射点Ｐ３、第４照射点Ｐ４及び第５照射点Ｐ５には、同時に照射される。

第１照射点Ｐ１、第２照射点Ｐ２、第３照射点Ｐ３、第４照射点Ｐ４及び第５照射点Ｐ５は、第１の方向Ｘにおいて同じ座標である。そして、第１照射点Ｐ１、第２照射点Ｐ２、第３照射点Ｐ３、第４照射点Ｐ４及び第５照射点Ｐ５は、第２の方向Ｙに沿って所定の間隔Ｈ１を空けて配置される。この第１照射点Ｐ１、第２照射点Ｐ２、第３照射点Ｐ３、第４照射点Ｐ４及び第５照射点Ｐ５における第２の方向Ｙの間隔、すなわち照射点の座標は、後述する変位出力部４に予め格納されている。

また、被測定部材Ｍが基準位置に配置されている場合、第１反射透過部２２を通過した第１の光束ＬＡは、被測定部材Ｍにおける被測定面Ｍａのほぼ同じ位置である基準点（特定の位置）に入射される。

そして、被測定面Ｍａに入射した第１の光束ＬＡは、被測定面Ｍａによって反射される。被測定面Ｍａによって反射された第１の光束ＬＡは、第１の位相板２６を介して第２反射透過部２５に入射する。また、ミラー２４に入射した第２の光束ＬＢは、ミラー２４によって反射され、第２の位相板２７を介して第２反射透過部２５に入射する。

第１の位相板２６及び第２の位相板２７は、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、例えば、１／２波長板等から構成されている。そのため、通過する光の偏光方向がｐ偏光の場合、ｓ偏光に変化させ、通過する光の偏光方向がｐ偏光の場合、ｓ偏光に変化させる。

第２反射透過部２５は、第１反射透過部２２と同様に、偏光ビームスプリッタである。第２反射透過部２５は、ｐ偏光の光を透過させ、ｓ偏光の光を反射する。また、第２反射透過部２５は、その反射透過面２５ａが後述する回折格子２３の回折面と略平行で、かつ被測定部材Ｍの被測定面Ｍａ及びミラー２４の反射面２４ａに対してほぼ９０°となるように、配置されている。

第２反射透過部２５によって反射された第１の光束ＬＡは、第１の位相板２６を介して回折格子２３に入射する。同様に、第２反射透過部２５によって反射された第２の光束ＬＢは、第２の位相板２７を介して回折格子２３に入射する。

回折格子２３は、透過型の回折格子であり、入射した光を透過させ、かつ回折する。回折格子２３は、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａ及びミラー２４の反射面２４ａに対して略直角、すなわち回折格子２３の回折面と被測定面Ｍａで形成される角度がほぼ９０°となるように配置されている。

なお、回折格子２３、第１反射透過部２２及び第２反射透過部２５における被測定部材Ｍに対する配置精度は、変位検出装置１に要求される測定精度によって種々に設定されるものである。すなわち、変位検出装置１に高い精度を要求する場合、回折格子２３、第１反射透過部２２及び第２反射透過部２５を被測定面Ｍａに対して９０°±０．５°程度の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子２３、第１反射透過部２２及び第２反射透過部２５を、被測定面Ｍａに対して９０°から±２°の範囲に配置しても、変位検出装置１を工作機械等の低い精度の測定に用いる場合には、十分である。

回折格子２３が被測定面Ｍａに対して９０°に配置されているため、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに第１の光束ＬＡが入射角θ１で入射した場合、第１の光束ＬＡは、回折格子２３に対して入射角π／２－θ１で入射する。

なお、回折格子２３を透過し、回折された第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢは、再び第１反射透過部２２に入射する。そして、第１の光束ＬＡは、第１反射透過部２２によって反射されて、再び被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに入射する。なお、被測定部材Ｍが基準位置に配置されている場合、第１の光束ＬＡは、１回目と同じ基準点に入射される。また、第２の光束ＬＢは、第１反射透過部２２によって反射されて、再びミラー２４に入射する。

また、回折格子２３は、その回折角が回折格子２３への入射角とほぼ等しくてもよく、あるいは、等しくなくてもよい。なお、回折格子２３の格子ピッチΛは、被測定部材Ｍへの１回目及び２回目の入射角度をθ１、波長をλとすると、次の式１を満たす値に設定することが好ましい。
［式１］
Λ＝ｎλ／２ｓｉｎ（π／２－θ１）

また、回折格子２３としては、例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示すような回折格子２３Ａ、２３Ｂを用いてもよい。
図４Ａは、回折格子の一例を示す断面図、図４Ｂは、回折格子の他の例を示す断面図である。

図４Ａに示す回折格子２３Ａは、略透明なガラス基板２３Ａａの一面に例えばクロム（Ｃｒ）からなる格子部２３ｂを形成したものである。一般的に、格子部２３ｂは、ガラス基板２３Ａａの一面にクロム等の薄膜を真空蒸着によって形成されるため、その厚みは、１μｍ以下である。

図４Ｂに示す回折格子２３Ｂは、写真乾板を用いた、いわゆるボリュームタイプのホログラムである。吸収型のホログラムを用いてもよいが、ここでは位相型のホログラムについて説明する。この回折格子２３Ｂにおける格子部２３ｃは、例えば次のようにして形成される。まず、ガラス基板２３Ｂａの一面に光に感光する銀塩の乳剤を塗布し、干渉縞を露光し、現像後、漂白する。これにより、格子部２３ｃには、銀の粒子が残っている箇所２３ｄと、残っていない箇所２３ｅが形成される。ここで、銀の粒子が残っている箇所２３ｄは、屈折率が高く、銀の粒子が残っていない箇所２３ｅは、屈折率が低くなる。すなわち、位相型のホログラムである。また、材料として写真乾板の代わりにホログラム記録用フォトポリマーを使用してもよい。

このような構成を有する回折格子２３Ｂの場合、所定の角度（入射角）で光が入射すると、所定の角度（回折角）で光が出力（回折）される。さらに、ブラッグ条件を満たすときに、回折格子２３Ｂによって回折される回折光の出力を最大にすることができる。すなわち、回折格子２３Ｂによって回折された回折光の光量が低下することを防ぐことができる。

この回折格子２３Ｂの格子部２３ｃの厚みＮ１は、格子ピッチΛの４倍以上が好ましい。しかしながら、光が格子部２３ｃで吸収されることを考慮すると、格子部２３ｃの厚みＮ１は、格子ピッチΛの約４～２０倍程度に設定することが好ましい。

また、図４Ｂに示すような、ボリュームタイプのホログラムからなる回折格子２３Ｂは、被測定部材Ｍから反射した第１の光束ＬＡや、ミラー２４から反射した第２の光束ＬＢの回折効率を高めることができ、信号のノイズの低下させることができる。

また、図２及び図３に戻って示すように、第２反射透過部２５における第１反射透過部２２及び回折格子２３と対向する側とは反対側、すなわち第２反射透過部２５を透過した側には、第３の位相板２９と、光束結合部２８が配置されている。

第３の位相板２９は、第１の位相板２６及び第２の位相板２７と同様に、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、例えば、１／２波長板等から構成されている。

光束結合部２８には、第２反射透過部２５を透過した第１の光束ＬＡと、第２反射透過部２５と透過し、かつ第３の位相板２９を通過した第２の光束ＬＢが入射する。光束結合部２８は、偏光ビームスプリッタである。光束結合部２８は、ｐ偏光の光を透過させ、ｓ偏光の光を反射する。そして、光束結合部２８は、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢを重ね合わせ干渉光ＬＣ１～ＬＣ５（以下、単に干渉光ＬＣという）を生成する。光束結合部２８は、重ね合わせた干渉光ＬＣを受光検出部１５に向けて照射する。

［受光検出部］
次に、受光検出部１５について説明する。
図５は、受光検出部１５を示す概略構成図である。

図５に示すように、受光検出部１５は、第４の位相板３１と、ハーフミラーからなりビームスプリッタ３２と、１／２波長板で構成される第５の位相板３３と、第１の偏光ビームスプリッタ３４と、第２の偏光ビームスプリッタ３５とを有している。第４の位相板３１、ビームスプリッタ３２、第５の位相板３３、第１の偏光ビームスプリッタ３４及び第２の偏光ビームスプリッタ３５は、変位検出部１３の構成部材と同様に、ヘッド３内において第２の方向Ｙに延在して配置される。

第４の位相板３１は、例えば、１／４波長板からなり、通過する干渉光ＬＣを円偏光に変化させると共に、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢの偏光方向の向きが互いに逆向きとなるように位相板の光軸が設定されている。

ビームスプリッタ３２は、第４の位相板３１を透過した干渉光ＬＣを２つに分割する。ビームスプリッタ３２によって分割された光のうち一方の光は、第１の偏光ビームスプリッタ３４に入射し、他方の光は、第５の位相板３３を介して、第２の偏光ビームスプリッタ３５に入射する。

第５の位相板３３は、第２の偏光ビームスプリッタ３５に入射する干渉光の偏光方向が第１の偏光ビームスプリッタ３４に対して４５度傾くように配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ３４及び第２の偏光ビームスプリッタ３５は、ｓ偏光成分を有する光を反射させ、ｐ偏光成分を有する光を透過させることで、光を分割する。

第１の偏光ビームスプリッタ３４及び第２の偏光ビームスプリッタ３５における光の出射口側には、第１受光部１５Ａ、第２受光部１５Ｂ、第３受光部１５Ｃ、第４受光部１５Ｄ、第５受光部１５Ｅ（図７参照）が配置されている。

第１受光部１５Ａ、第２受光部１５Ｂ、第３受光部１５Ｃ、第４受光部１５Ｄ及び第５受光部１５Ｅは、第２の方向Ｙに沿って所定の間隔Ｈ１を空けて配置される。第１受光部１５Ａは、第１光束群Ｌ１の第１干渉光ＬＣ１を受光し、第２受光部１５Ｂは、第２光束群Ｌ２の第２干渉光ＬＣ２を受光し、第３受光部１５Ｃは、第３光束群Ｌ３の第３干渉光ＬＣ３を受光する。そして、第４受光部１５Ｄは、第４光束群Ｌ４の第４干渉光ＬＣ４を受光し、第５受光部１５Ｅは、第５光束群Ｌ５の第５干渉光ＬＣ５を受光する。

第１受光部１５Ａは、第１受光素子４１Ａ、第２受光素子４２Ａ、第３受光素子４３Ａ及び第４受光素子４４Ａを有している。第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａは、第１の偏光ビームスプリッタ３４の出射口側に配置されており、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａは、第２の偏光ビームスプリッタ３５の出射口側に配置されている。

なお、第２受光部１５Ｂ、第３受光部１５Ｃ、第４受光部１５Ｄ及び第５受光部１５Ｅは、第１受光部１５Ａと同様に、４つの受光素子を有している。そして、第１受光素子４１Ｂ～４１Ｅと第２受光素子４２Ｂ～４２Ｅは、第１の偏光ビームスプリッタ３４の出射口側に配置されている。また、第３受光素子４３Ｂ～４３Ｅと第４受光素子４４Ｂ～４４Ｅは、第２の偏光ビームスプリッタ３５の出射口側に配置されている。

第１受光部１５Ａ、第２受光部１５Ｂ、第３受光部１５Ｃ、第４受光部１５Ｄ及び第５受光部１５Ｅは、各受光素子４１Ａ～４３Ｅが受光し、光電変換した信号を変位出力部４に出力する。

上述したように、第５の位相板３３は、第２の偏光ビームスプリッタ３５に入射する干渉光の偏光方向が第１の偏光ビームスプリッタ３４に対して４５度傾くように配置されている。そのため、第１受光素子４１Ａ～４１Ｅの干渉信号の位相がｓｉｎである場合、第２受光素子４２Ａ～４２Ｅの干渉信号の位相は、－ｓｉｎとなる。そして、第３受光素子４３Ａ～４３Ｅの干渉信号の位相は、ｃｏｓとなり、第４受光素子４４Ａ～４４Ｅの干渉信号の位相は、－ｃｏｓとなる。

［変位出力部］
次に、図６及び図７を参照して変位出力部４の構成について説明する。
図６は、変位出力部４を示すブロック図である。

図６に示すように、変位出力部４は、相対位置出力部１０１と、被測定部材位置情報取得部１０２と、マップ情報出力部１０３と、マップ情報記憶器１０４と、マップ比較情報出力部１０５とを有している。

相対位置出力部１０１は、第１受光部１５Ａ、第２受光部１５Ｂ、第３受光部１５Ｃ、第４受光部１５Ｄ及び第５受光部１５Ｅが受光し、光電変換した信号を受信する。相対位置出力部１０１は、受信した信号に基づいて、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａにおけるヘッド３に対する第３の方向Ｚの相対変化の変位情報を算出し、出力する。なお、相対位置出力部１０１の詳細な構成については、後述する。そして、相対位置出力部１０１は、算出した第３の方向Ｚの変位情報をマップ情報出力部１０３に出力する。

被測定部材位置情報取得部１０２は、例えば、ヘッド３とは別に設けられたエンコーダーから被測定部材Ｍにおけるヘッド３に対する第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報を取得する。そして、被測定部材位置情報取得部１０２は、取得した被測定部材Ｍにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報をマップ情報出力部１０３及びマップ情報記憶器１０４に出力する。

なお、本例では、ヘッド３とは別に設けられたエンコーダーから第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報を取得する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ヘッド３に被測定部材Ｍの第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報を測定する変位検出部を設け、この変位検出部から被測定部材Ｍの第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報を取得してもよい。

マップ情報出力部１０３には、予め変位検出部１３における照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の位置座標が格納されている。マップ情報出力部１０３は、相対位置出力部１０１から出力された被測定面Ｍａにおける第３の方向Ｚの変位情報と、被測定部材位置情報取得部１０２がから取得した被測定部材Ｍにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報に基づいて、被測定面Ｍａの状態、すなわちマップ情報を演算し、出力する。

マップ情報出力部１０３には、マップ情報記憶器１０４と、マップ比較情報出力部１０５が接続されている。マップ情報出力部１０３は、演算した被測定面Ｍａのマップ情報をマップ情報記憶器１０４とマップ比較情報出力部１０５に出力する。

マップ情報記憶器１０４は、被測定部材位置情報取得部１０２から出力された被測定部材Ｍにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報と、マップ情報出力部１０３から出力された被測定部材Ｍのマップ情報を記憶する。また、マップ情報記憶器１０４には、マップ比較情報出力部１０５が接続されている。そして、マップ情報記憶器１０４は、記憶しているマップ情報をマップ比較情報出力部１０５に出力する。マップ比較情報出力部１０５は、マップ情報記憶器１０４に記憶されている第１マップ情報と、マップ情報出力部１０３から出力された第２マップ情報と、を比較する。

次に、図７を参照して相対位置出力部１０１の詳細な構成について説明する。
図７は、相対位置出力部１０１を示すブロック図である。

図７に示すように、相対位置出力部１０１は、第１相対位置出力部１０１Ａと、第２相対位置出力部１０１Ｂと、第３相対位置出力部１０１Ｃと、第４相対位置出力部１０１Ｄと、第５相対位置出力部１０１Ｅと、同期部の一例を示すクロック同期部６９を有している。

第１相対位置出力部１０１Ａは、第１受光部１５Ａから干渉信号を受信し、第２相対位置出力部１０１Ｂは、第２受光部１５Ｂから干渉信号を受信し、第３相対位置出力部１０１Ｃは、第３受光部１５Ｃから干渉信号を受信する。また、第４相対位置出力部１０１Ｄは、第４受光部１５Ｄから干渉信号を受信し、第５相対位置出力部１０１Ｅは、第５受光部１５Ｅから干渉信号を受信する。

第１相対位置出力部１０１Ａは、第１光束群Ｌ１の第１の光束ＬＡ１が被測定面Ｍａに入射した第１照射点Ｐ１の第３の方向Ｚの相対位置情報を算出する。第２相対位置出力部１０１Ｂは、第２光束群Ｌ２の第１の光束ＬＡ２が被測定面Ｍａに入射した第２照射点Ｐ２の第３の方向Ｚの相対位置情報を算出する。第３相対位置出力部１０１Ｃは、第３光束群Ｌ３の第１の光束ＬＡ３が被測定面Ｍａに入射した第３照射点Ｐ３の第３の方向Ｚの相対位置情報を算出する。第４相対位置出力部１０１Ｄは、第４光束群Ｌ４の第１の光束ＬＡ４が被測定面Ｍａに入射した第４照射点Ｐ４の第３の方向Ｚの相対位置情報を算出する。そして、第５相対位置出力部１０１Ｅは、第５光束群Ｌ５の第１の光束ＬＡ５が被測定面Ｍａに入射した第５照射点Ｐ５の第３の方向Ｚの相対位置情報を算出する。

なお、第１相対位置出力部１０１Ａ、第２相対位置出力部１０１Ｂ、第３相対位置出力部１０１Ｃ、第４相対位置出力部１０１Ｄ及び第５相対位置出力部１０１Ｅは、それぞれ同一の構成を有しているため、ここでは第１相対位置出力部１０１Ａについて説明する。

第１相対位置出力部１０１Ａは、２つの差動増幅器６１ａ、６１ｂと、２つのＡ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂと、波形補正処理部６３と、インクリメンタル信号発生器６４とを備えている。

第１差動増幅器６１ａには、第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａが接続されており、第２差動増幅器６１ｂには、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａが接続されている。また、第１差動増幅器６１ａには、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａが接続されており、第２差動増幅器６１ｂには、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａ及び第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂは、波形補正処理部６３と接続している。また、波形補正処理部６３は、インクリメンタル信号発生器６４に接続されている。

第１差動増幅器６１ａは、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４２Ａから干渉信号を受信し、第２差動増幅器６１ｂは、第３受光素子４３Ａ及び第４受光素子４４Ａから干渉信号を受信する。第１差動増幅器６１ａ及び第２差動増幅器６１ｂは、それぞれ受信した干渉信号を差増増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。

第１差動増幅器６１ａで差動増幅された信号は、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部６３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばＡ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４において演算される。

また、第２差動増幅器６１ｂで差動増幅された信号は、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部６３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。なお、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４２Ａで得られる干渉信号の位相がｓｉｎ信号である場合、第３受光素子４３Ａ及び第４受光素子で得られる干渉信号の位相は、ｃｏｓ信号である。そのため、波形補正処理部６３で補正された信号は、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４において演算される。

こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別カイロ等により正逆の判別が行われる。これにより、ヘッド３と被測定部材Ｍとの第３の方向Ｚの相対的な変位量が、プラス方向であるか、マイナス方向であるかを検出できる。

また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢの干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。これにより、ヘッド３と被測定部材Ｍとの第３の方向Ｚにおける相対的な変位量を検出することができる。

また、本例の相対位置出力部１０１が出力する相対位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。

なお、インクリメンタル信号発生器６４では、１クロックあたりの位相変化を演算することで、被測定部材Ｍにおける第３の方向Ｚの変位をデジタル信号として発生させている。

また、第１相対位置出力部１０１Ａ、第２相対位置出力部１０１Ｂ、第３相対位置出力部１０１Ｃ、第４相対位置出力部１０１Ｄ及び第５相対位置出力部１０１Ｅの第１のＡ／Ｄ変換器６２ａと第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂは、クロック同期部６９に接続されている。

クロック同期部６９は、第１相対位置出力部１０１Ａ～第５相対位置出力部１０１Ｅにおける第１のＡ／Ｄ変換器６２ａと第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂによって出力される信号の時間を同期させている。これにより、第１相対位置出力部１０１Ａ、第２相対位置出力部１０１Ｂ、第３相対位置出力部１０１Ｃ、第４相対位置出力部１０１Ｄ及び第５相対位置出力部１０１Ｅで検出される第３の方向Ｚの変位量の検出時間を同期させることができる。その結果、被測定面Ｍａにおける複数の箇所（第１照射点Ｐ１～第５照射点Ｐ５）の第３の方向Ｚの変位量を同時に検出することができる。

このように、相対位置出力部１０１Ａ～１０１Ｅを構成する要素のうち出力される信号の周波数が高いＡ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂを同期させることで、より正確なマップ情報を取得することができる。

なお、本例では、各相対位置出力部１０１Ａ～１０１ＥのＡ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂをクロック同期部６９によって同期させた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、Ａ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂとは異なる要素で同期させてもよく、あるいは相対位置出力部１０１Ａ～１０１Ｅを構成する全ての要素、すなわち２つの差動増幅器６１ａ、６１ｂと、２つのＡ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂと、波形補正処理部６３と、インクリメンタル信号発生器６４に同期部を接続させて同期させてもよい。

１－２．変位検出装置の動作
次に、図１～図３、図８を参照して、本例の変位検出装置１の動作について説明する。
図８は、変位検出装置の要部を示す説明図である。

図２及び図３に示すように、光源から出射した光Ｌは、不図示のレンズによりコリメートされて平行光となる。そして、レンズによりコリメートされた平行光は、光束群分割部１２に入射する。光束群分割部１２に入射した光は、第２の方向Ｙに所定の間隔Ｈ１を空けて、第１光束群Ｌ１、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４及び第５光束群Ｌ５に分割される。そして、第１光束群Ｌ１、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４及び第５光束群Ｌ５は、変位検出部１３に入射する。

なお、第１光束群Ｌ１、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４及び第５光束群Ｌ５における変位検出部１３から受光検出部１５までの光路は、ほぼ同一であるため、ここでは、第１光束群Ｌ１について説明する。

変位検出部１３に入射した第１光束群Ｌ１は、光束分割部２１により物体光となる第１の光束ＬＡと、参照光となる第２の光束ＬＢに分割される。第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢは、第１反射透過部２２を透過する。そして、第１の光束ＬＡは、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに入射し、第２の光束ＬＢは、ミラー２４に入射する。

上述したように、第１光束群Ｌ１の第１の光束ＬＡ１は、被測定面Ｍａの第１照射点Ｐ１に入射する。第２光束群Ｌ２の第１の光束ＬＡ２は、被測定面Ｍａの第２照射点Ｐ２に入射する。第３光束群Ｌ３の第１の光束ＬＡ３は、被測定面Ｍａの第３照射点Ｐ３に入射する。第４光束群Ｌ４の第１の光束ＬＡ４は、被測定面Ｍａの第４照射点Ｐ４に入射する。第５光束群Ｌ５の第１の光束ＬＡ５は、被測定面Ｍａの第５照射点Ｐ５に入射する。

ここで、図８に示すように、被測定部材Ｍが基準位置にある場合、第１の光束ＬＡは、被測定部材Ｍの基準点Ｐ０に入射角θ_１で入射する。そして、第１の光束ＬＡは、被測定部材Ｍによって１回目の反射をし、第１の位相板２６（図３参照）を介して第２反射透過部２５に入射する。第１の光束ＬＡは、第１の位相板２６を通過することで、ｐ偏光からｓ偏光に偏光方向が変化する。そのため、第１の光束ＬＡは、第２反射透過部２５の反射透過面２５ａによって反射し、回折格子２３の任意の回折位置Ｔ０に入射角π／２－θ_１で入射する。

第１の光束ＬＡは、回折格子２３により回折されて、第１反射透過部２２に入射する。上述したように、第１の光束ＬＡは、ｓ偏光に偏光方向が変化しているため、第１反射透過部２２の反射透過面２２ａによって反射され、再び被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに入射する。

ここで、第１反射透過部２２の反射透過面２２ａは、回折格子２３によって回折された第１の光束ＬＡを一回目と同じ基準点Ｐに同じ入射角θ_１で入射可能なように配置されている。そのため、被測定部材Ｍが基準位置にある場合、第１の光束ＬＡは、一回目とほぼ同じ位置である被測定部材Ｍの基準点Ｐ０に入射角θ_１で入射する。

その後、第１の光束ＬＡは、１回目の光路とほぼ同じ光路をたどり、被測定部材Ｍによって反射されて、第１の位相板２６（図３参照）を介して第２反射透過部２５に入射する。第１の光束ＬＡは、第１の位相板２６を通過することで、ｓ偏光からｐ偏光に偏光方向が変化する。そのため、第１の光束ＬＡは、第２反射透過部２５を透過し、光束結合部２８に入射する。

なお、被測定部材Ｍの基準点Ｐ０に入射されて、図８に実線で示す第１の光束ＬＡの光路を基準光という。

このように、被測定部材Ｍが基準位置にある場合、本例では、第１の光束ＬＡにおける被測定部材Ｍに対する１回目の照射位置と２回目の照射位置を基準点Ｐ０のほぼ同じ位置に照射させることができる。これにより、被測定部材Ｍにおける検出ポイント間隔Ｑを極力小さくすることができる。

また、図３に示すように、物体光である第２の光束ＬＢは、ミラー２４で反射されて、第２の位相板２７を介して第２反射透過部２５に入射する。第２の光束ＬＢは、第２の位相板を通過することで、ｐ偏光からｓ偏光に偏光方向が変化する。そのため、第２の光束ＬＢは、第２反射透過部２５によって反射されて、回折格子２３に入射する。そして、第２の光束ＬＢは、回折格子２３によって回折されて、第１反射透過部２２に入射する。

第２の光束ＬＢは、ｓ偏光であるため、第１反射透過部２２によって反射され、再びミラー２４に入射する。そして、第２の光束ＬＢは、ミラー２４によって反射されて、第２の位相板２７を介して第２反射透過部２５に入射する。第２の光束ＬＢは、第２の位相板を通過することで、ｓ偏光からｐ偏光に偏光方向が変化する。そのため、第２の光束ＬＢは、第２反射透過部２５によって透過する。

第２反射透過部２５を透過した第２の光束ＬＢは、第３の位相板２９を介して光束結合部２８に入射する。

ここで、第１の光束ＬＡにおける光束分割部２１から光束結合部２８までの光路長と、第２の光束ＬＢにおける光束分割部２１から光束結合部２８までの光路長は、互いに等しくなるように、ミラー２４が配置されている。これにより、変位検出装置１を製造する際に、第１の光束ＬＡの光路長と第２の光束ＬＢの光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧補正、湿度補正や温度補正を行うことなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。

さらに、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢを同じ回折格子２３に入射させて回折させている。これにより、温度変化によって回折格子２３の回折角に変化が起きても、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢが受ける影響を等しくすることができる。

ここで、図８に示すように、被測定部材Ｍが基準位置から第３の方向Ｚである高さ方向へｚ／２だけ移動した場合について説明する。
図８に示すように、被測定部材Ｍが基準位置から高さ方向へｚ／２だけ移動すると、１回目の第１の光束ＬＡの照射位置は、被測定部材Ｍの基準点Ｐ０から第１の照射位置Ｐｂ１に移動する。なお、被測定部材Ｍへの入射角θ_１は、基準点Ｐ０に照射される第１の光束ＬＡの入射角θ_１と同じである。そして、第１の光束ＬＡは、点線で示す光路をたどり、回折格子２３に入射角π／２－θ_１で入射する。なお、被測定部材Ｍへの入射角が等しいため、移動した際の第１の光束ＬＡにおける回折格子２３への入射角π／２―θ_１は、基準光路をたどる第１の光束ＬＡの回折格子２３への入射角π／２－θ_１と同じである。

さらに、第１の光束ＬＡにおける回折格子２３への入射位置は、回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１に移動する。ここで、回折格子２３は、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａに対して略直角に配置されているため、回折位置Ｔ０と回折位置Ｔ１の間隔は、被測定部材Ｍの移動距離の２倍のｚとなる。そして、第１の光束ＬＡには、回折格子２３上を移動したｚ分の波数のみの位相が加算される。

そして、第１の光束ＬＡは、第１反射透過部２２に反射されて、再び被測定部材Ｍに入射する。２回目の第１の光束ＬＡの照射位置は、被測定部材Ｍの第１の照射位置Ｐｂ１から第２の照射位置Ｐｂ２に移動する。なお、被測定部材Ｍへの入射角θ_１は、基準点Ｐ０に照射される第１の光束ＬＡの入射角θ_１及び、１回目の第１の光束ＬＡの入射角θ_１と同じである。

また、被測定部材Ｍに照射された２回目の第１の光束ＬＡは、一点鎖線で示す光路は、実線で基準光路と一致するさらに、第１の光束ＬＡの光路長は、被測定部材Ｍが高さ方向に変位しても、常に一定となっている。すなわち、第１の光束ＬＡの波長は、変化しない。従って、第１の光束ＬＡには、回折格子２３上を回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１まで移動したｚ分の波数のみの位相が加算される。

また、変位検出装置１は、第１の照射位置Ｐｂ１と第２の照射位置Ｐｂ２の間の中心位置Ｐａを検出位置として、検出する。図８に示すように、中心点Ｐａは、基準点Ｐ０とほぼ一致している。そのため、被測定部材Ｍが高さ方向に移動しても、常にほぼ同じ検出位置の変位を検出することができる。これにより、検出ポイント間隔Ｑが狭い被測定面の計測が可能となる。

図３に戻り、光束結合部２８に入射した第１の光束ＬＡは、ｐ偏光であるため、光束結合部２８を透過する。また、第２の光束ＬＢは、第３の位相板２９を通過することで、ｓ偏光からｐ偏光に偏光方向が変化する。そのため、光束結合部２８に入射した第２の光束ＬＢは、光束結合部２８によって反射される。これにより、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、光束結合部２８により重ね合わされて、干渉光ＬＣとなる。そして、干渉光ＬＣは、受光検出部１５の第４の位相板３１に入射する。

ここで、第１の光束ＬＡがｐ偏光であり、第２の光束ＬＢがｓ偏光であるため、干渉光ＬＣが第４の位相板３１を通過することで、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、回転方向が互いに逆向きの円偏光となる。また、第１の光束ＬＡには、回折格子２３上を移動した分の波数の位相が加算されている。そのため、第１の光束ＬＡにおける回折格子２３上を移動した分の波数の位相加算に伴って回転する直線偏光を有する干渉光を得ることができる。この直線偏光の回転は、被測定部材Ｍが回折格子２３の格子ピッチΛだけ高さ方向に移動すると１回転する。

また、干渉光ＬＣは、ビームスプリッタ３２により２つに分割される。分割された光のうち一方の光は、第１の偏光ビームスプリッタ３４に入射し、他方の光は、第５の位相板３３を介して、第２の偏光ビームスプリッタ３５に入射する。そして、第１の偏光ビームスプリッタ３４及び第２の偏光ビームスプリッタ３５は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、光を分割する。

第１の偏光ビームスプリッタ３４を透過した干渉光は、第１受光素子４１Ａによって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ３４によって反射された干渉光は、第２受光素子４２Ａによって受光される。ここで、第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａとによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

同様に、第２の偏光ビームスプリッタ３５を透過した干渉光は、第３受光素子４３Ａによって受光される。また、第２の偏光ビームスプリッタ３５を透過した干渉光は、第４受光素子４４Ａによって受光される。ここで、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａとによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａ、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａは、Ａｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ）の干渉信号を得る。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｘは、被測定部材Ｍにおける第３の方向Ｚである高さ方向の変位量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子２３における格子のピッチである。

上述したように、被測定部材Ｍが高さ方向にｚ／２だけ移動すると、被測定部材Ｍの測定面に照射される第１の光束ＬＡは、基準点Ｐ０から第１の照射位置Ｐｂ１に移動する。また、被測定部材Ｍに反射された第１の光束ＬＡは、回折格子２３の回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１に移動する。そして、回折位置Ｔ０と回折位置Ｔ１の間隔は、基準点Ｐ０と第１の照射位置Ｐｂ１の間隔の２倍のｚとなる。すなわち、回折格子２３上を移動する第１の光束ＬＡの移動量は、被測定部材Ｍを移動した際の２倍のｚとなる。

また、回折格子２３が被測定部材Ｍの被測定面に対して略直角に配置されているため、被測定部材Ｍが高さ方向に変位しても、第１の光束ＬＡの光路長は常に一定となり、第１の光束ＬＡの波長は、変化しない。そして、被測定部材Ｍが第３の方向Ｚ（高さ方向）に変位すると、回折格子２３に入射する位置だけが変化する。

すなわち、被測定部材Ｍが高さ方向にｚだけ移動すると、回折された第１の光束ＬＡには、２Ｋｚの位相が加わる。そのため、２周期の光の明暗が生じる干渉光が、第１受光素子４１Ａ、第２受光素子４２Ａ、第３受光素子４３Ａ及び第４受光素子４４Ａによって受光される。

ここで、第１受光素子４１Ａ、第２受光素子４２Ａ、第３受光素子４３Ａ及び第４受光素子４４Ａによって得られる干渉信号には、光源１１の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源１１の波長に変動が起きても干渉強度には、影響を受けない。

さらに、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａにおいて得られる信号は、第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａにおいて得られる信号に対し、９０度位相がずれている。したがって、第１受光素子４１Ａと第２受光素子４２Ａで得られる信号をｓｉｎ信号とし、第３受光素子４３Ａと第４受光素子４４Ａにおいて得られる信号をｃｏｓ信号とすることで、リサージュ信号を取得することができる。

これらの受光素子によって得られる信号は、変位出力部４の相対位置出力部１０１による演算され、被測定面Ｍａにおける第１照射点Ｐ１、第２照射点Ｐ２、第３照射点Ｐ３、第４照射点Ｐ４及び第５照射点Ｐ５の変位量を検出することができる。なお、クロック同期部６９により、第１相対位置出力部１０１Ａ、第２相対位置出力部１０１Ｂ、第３相対位置出力部１０１Ｃ、第４相対位置出力部１０１Ｄ及び第５相対位置出力部１０１Ｅは、クロック同期部６９により同期が取られているため、被測定面Ｍａ上の複数の点の変位量を同時に検出することができる。

なお、相対位置出力部１０１による出力される変位情報には、絶対位置情報が含まれない。しかしながら、インクリメンタル信号には、周期がｃｏｓ（２Ｋｘ）のアブソリュート情報が含まれる。例えば、回折格子２３のピッチが１．６μｍである場合、インクリメンタル信号には、１周期０．８μｍのアブソリュート情報が含まれる。例えば、高精度な半導体製造装置の場合、ステージ上の被測定部材Ｍの高さを計測するに当たって、０．８μｍの高さの繰り返し再現性でステージを移動させることは容易である。

相対位置出力部１０１は、演算した各照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５における第３の方向Ｚの変位情報をマップ情報出力部１０３に出力する。また、マップ情報出力部１０３には、被測定部材位置情報取得部１０２から被測定部材Ｍにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報が出力されている。これにより、マップ情報出力部１０３は、各照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の被測定面Ｍａにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの座標位置を演算する。そして、マップ情報出力部１０３は、相対位置出力部１０１から出力された各照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５における第３の方向Ｚの変位情報と、各照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５における第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの座標位置とを対応付ける。これにより、マップ情報出力部１０３は、被測定面Ｍａにおける各点の第３の方向Ｚの変位情報を出力することができる。

さらに、図１に示すように、ヘッド３又は被測定部材Ｍを第１の方向Ｘに移動させた際に、マップ情報出力部１０３は、各照射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５における第３の方向Ｚの変位情報と、被測定部材Ｍにおける第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの位置情報を同時に取得する。これにより、被測定部材Ｍの被測定面Ｍａ全体の状態（マップ情報）を高速に検出することができる。その結果、高精度に被測定部材Ｍの高さ方向（第３の方向Ｚ）の変位を高分解能かつ安定して検出でき、測定作業にかかる時間の短縮を図ることができる

また、マップ情報出力部１０３が演算したマップ情報をマップ情報記憶器１０４に記憶させる。そして、マップ比較情報出力部１０５により、マップ情報記憶器１０４に記憶されている以前に測定した第１マップ情報と、マップ情報出力部１０３から出力された現時点の被測定面Ｍａの状態を示す第２マップ情報とを比較する。なお、第２マップ情報は、第１マップ情報よりも新しい情報である。これにより、図１に示すように、基準となる基準被測定部材ＭＡと、他の被測定部材Ｍとの第３の方向Ｚの変位量、すなわち形状の違いを比較することができる。

図９は、本例の変位検出装置１における変位検出動作の他の例を示す説明図である。
さらに、図９に示すように、ヘッド３又は被測定部材Ｍを第１の方向Ｘに沿って往復移動させることで、被測定部材Ｍの初期値に対する経時的な変化を観察することもできる。これにより、被測定部材Ｍを加工する前と、加工した後のマップ情報を取得することができる。

２．第２の実施の形態例
次に、第２に実施の形態例にかかる変位検出装置について図１０を参照して説明する。
図１０は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置の光照射部を示す概略構成図である。

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置が第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、光照射部の構成である。そのため、ここでは、光照射部についてのみ説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１０に示すように、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置の光照射部は、光源１１と、コリメートレンズ１８と、アイソレータ１９と、不図示の光束群分割部を有している。コリメートレンズ１８とアイソレータ１９は、光源１１と光束群分割部の間に配置される。

コリメートレンズ１８は、光源１１から照射された光Ｌを平行光にコリメートし、アイソレータ１９に照射する。光Ｌを平行光にコリメートすることで、十分なビーム径を確保することができる。これにより、被測定面Ｍａに小さな凹凸や異物があった場合でも、平均化することができ、干渉信号の乱れを緩和することができる。

アイソレータ１９は、光Ｌを一方向だけ通過させ、逆方向には光を遮断する光学素子である。光源１１から出射された光Ｌが直線偏光である場合、アイソレータ１９によって直線偏光の向きが変わる。

これにより、変位検出部１３に照射され、変位検出部１３によって反射された０次光が光源１１に戻ることをアイソレータ１９により抑制することができる。その結果、光源１１の不要光によるモードホップ、いわゆる波長の飛びが発生することを軽減することができる。

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

３．第３の実施の形態例
次に、第３に実施の形態例にかかる変位検出装置について図１１を参照して説明する。
図１１は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置のヘッド内部の構成を示す概略構成図である。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置が第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、光照射部の構成である。そのため、ここでは、光照射部についてのみ説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１１に示すように、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置は、複数の光源１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅと、変位検出部１３Ａと、受光検出部１５と、不図示の変位出力部とを有している。複数（５つ）の光源１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅは、第２の方向Ｙに沿って並べて配置されている。なお、第１光源１１Ａからは、第１光束群Ｌ１が照射され、第２光源１１Ｂからは、第２光束群Ｌ２が照射され、第３光源１１Ｃからは第３光束群Ｌ３が照射される。そして、第４光源１１Ｄからは、第４光束群Ｌ４が照射され、第５光源１１Ｅからは、第５光束群Ｌ５が照射される。

そして、第１光束群Ｌ１は、変位検出部１３Ａの光束分割部２１によって物体光となる第１の光束ＬＡ１と、参照光となる第２の光束ＬＢ１に分割される。そして、第１の光束ＬＡ１と第２の光束ＬＢ１は、光束結合部２８により重ね合わされて干渉光ＬＣ１となる。干渉光ＬＣ１は、受光検出部１５に入射する。

また、第２光束群Ｌ２、第３光束群Ｌ３、第４光束群Ｌ４、第５光束群Ｌ５における変位検出部１３Ａから受光検出部１５までの光路は、第１光束群Ｌ１と同様であるため、その説明は省略する。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このように複数の光源１１Ａ～１１Ｅを有する変位検出装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置によれば、光束群分割部を省略することができるだけでなく、受光検出部１５で検出される光量を増加させることができる。また、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置においても、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置のように、光源１１Ａ～１１Ｅと変位検出部１３Ａの間に、コリメートレンズ１８及びアイソレータ１９を配置してもよい。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施の形態例では、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。

また、ミラー２４を被測定部材Ｍの移動に連動するように移動させてもよい。すなわち、被測定部材Ｍにおける高さ方向の移動量と同じ移動量だけミラー２４を移動させる。これにより、第２の光束ＬＢに第１の光束ＬＡと正負の異なる位相を加えることができる。

１…変位検出装置、３…ヘッド、４…変位出力部、１１…光源、１２…光束群分割部、１３…変位検出部、１５…受光検出部、１５Ａ…第１受光部、１５Ｂ…第２受光部、１５Ｃ…第３受光部、１５Ｄ…第４受光部、１５Ｅ…第５受光部、１８…コリメートレンズ、１９…アイソレータ、２１…光束分割部、２２…第１反射透過部、２２ａ、２５ａ…反射透過面、２３…回折格子、２４…ミラー（参照用反射部）、２４ａ…反射面、２５…第２反射透過部、２８…光束結合部、４１Ａ…受光素子、４２Ａ…第２受光素子、４３Ａ…第３受光素子、４４Ａ…第４受光素子、６１ａ…第１差動増幅器、６１ｂ…第２差動増幅器、６２ａ…第１のＡ／Ｄ変換器、６２ｂ…第２のＡ／Ｄ変換器、６３…波形補正処理部、６４…インクリメンタル信号発生器、６９…クロック同期部（同期部）、１０１…相対位置出力部、１０１Ａ…第１相対位置出力部、１０１Ｂ…第２相対位置出力部、１０１Ｃ…第３相対位置出力部、１０１Ｄ…第４相対位置出力部、１０１Ｅ…第５相対位置出力部、１０２…被測定部材位置情報取得部、１０３…マップ情報出力部、１０４…マップ情報記憶器、１０５…マップ比較情報出力部、Ｈ１…間隔、Ｌ１…第１光束群、Ｌ２…第２光束群、Ｌ３…第３光束群、Ｌ４…第４光束群、Ｌ５…第５光束群、ＬＡ…第１の光束、ＬＢ…第２の光束、ＬＣ…干渉光、Ｐ０…基準点、Ｐ１…第１照射点、Ｐ２…第２照射点、Ｐ３…第３照射点、Ｐ４…第４照射点、Ｐ５…第５照射点、Ｐｂ１…第１の照射位置、Ｐｂ２…第２の照射位置、Ｔ０、Ｔ１…回折位置、Ｘ…第１の方向（走査方向）、Ｙ…第２の方向（トラック方向）、Ｚ…第３の方向（高さ方向）

Claims

被測定部材の被測定面に対向して配置されたヘッドと、
前記被測定部材の変位を出力する変位出力部と、を備え、
前記ヘッドと前記被測定部材は、前記被測定面と前記ヘッドが対向する方向である高さ方向と直交し、かつ前記被測定面と平行をなす走査方向に相対的に移動可能とし、
前記ヘッドは、
複数の光束群を照射する光照射部と、
前記光照射部から出射された前記複数の光束群を物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割し、前記第１の光束を前記複数の光束群ごとに、前記被測定面と平行をなし、かつ前記走査方向と直交するトラック方向に所定の間隔を空けて照射し、前記被測定部材によって反射された前記第１の光束と前記第２の光束を重ねた干渉光を生成する変位検出部と、
前記変位検出部により生成された前記複数の光束群ごとの前記干渉光を受光し、複数の干渉信号を出力する受光検出部と、を備え、
前記変位出力部は、
前記受光検出部から出力された前記複数の干渉信号に基づいて、前記被測定面における複数箇所の前記ヘッドに対する前記高さ方向の相対位置情報を算出し、出力する相対位置出力部と、
前記ヘッドに対する前記被測定部材の前記走査方向、及び前記被測定面と平行をなし、かつ前記走査方向と直交するトラック方向の座標位置を取得する被測定部材位置情報取得部と、
前記相対位置出力部から出力された前記被測定面における複数箇所の前記高さ方向の相対位置情報と、前記被測定部材位置情報取得部が取得した前記被測定部材の前記走査方向及び前記トラック方向の座標位置に基づいて、前記被測定部材の前記被測定面の状態を示すマップ情報を出力するマップ情報出力部と、を備え、
前記相対位置出力部は、前記被測定面における複数箇所の前記高さ方向の相対位置情報を同期させる同期部を有する
変位検出装置。
前記受光検出部は、前記複数の光束群の前記干渉光を別々に受光する複数の受光部を有し、
前記相対位置出力部は、前記複数の受光部から別々に前記干渉信号を取得する複数の相対位置出力部を有し、
前記複数の相対位置出力部は、それぞれ前記干渉信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有し、
前記同期部は、前記複数の相対位置出力部の前記Ａ／Ｄ変換器に接続され、前記Ａ／Ｄ変換器によって出力される信号の時間を同期させる
請求項１に記載の変位検出装置。
前記変位出力部は、
前記マップ情報出力部により出力された前記マップ情報が記憶されるマップ情報記憶器と、
前記マップ情報記憶器に記憶された第１マップ情報と、前記マップ情報出力部により出力された前記第１マップ情報よりも新しい第２マップ情報とを比較するマップ比較情報出力部と、を備えた
請求項１又は２に記載の変位検出装置。
前記変位検出部は、
前記光束群を前記第１の光束と、前記第２の光束に分割する光束分割部と、
前記第１の光束及び前記第２の光束の偏光方向に応じて、前記第１の光束及び前記第２の光束を透過又は反射する第１反射透過部と、
前記第１の光束及び前記第２の光束の偏光方向を変化させる位相板と、
前記被測定面と対向して配置され、前記光束分割部によって分割された前記第２の光束を反射する参照用反射部と、
前記被測定面から反射した前記第１の光束を回折し、かつ回折した前記第１の光束を再び前記第１反射透過部へ入射させる透過型の回折格子と、
前記第１反射透過部と対向して配置され、前記第１の光束及び前記第２の光束の偏光方向に応じて、前記第１の光束及び前記第２の光束を透過又は反射する第２反射透過部と、
前記第２反射透過部を透過した前記第１の光束と前記第２の光束を重ね合わせて前記干渉光を生成し、前記干渉光を前記受光検出部に照射する光束結合部と、を備え、
前記第１反射透過部は、
前記光束分割部によって分割された前記第１の光束を前記被測定部材に向けて透過させ、
前記被測定部材で反射され、かつ前記回折格子によって回折された前記第１の光束を前記被測定部材に向けて反射し、
前記第２反射透過部は、
前記第１反射透過部を透過し、かつ前記被測定部材によって反射された前記第１の光束を前記回折格子に向けて反射し、
前記回折格子によって回折され、前記参照用反射部によって再び反射された前記第２の光束を前記光束結合部に向けて透過させる
請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
前記第１反射透過部は、前記被測定部材が基準位置にある場合、前記第１の光束を、前記被測定部材の特定の位置に導き、
前記被測定面で再び反射された際の前記第１の光束の光路が、前記被測定部材における前記特定の位置で前記第１の光束が反射した際の光路と重なる
請求項４に記載の変位検出装置。
前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記参照用反射部を介して前記光束結合部までの光路長は、略等しく設定されている
請求項４又は５に記載の変位検出装置。
前記回折格子の回折面は、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置される
請求項４から６のいずれか１項に記載の変位検出装置。
前記光照射部は、
光を照射する光源と、
前記光源から照射された前記光を前記トラック方向に所定の間隔を空けて前記複数の光束群に分割する光束群分割部と、を有する
請求項１から７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
前記光照射部は、
前記複数の光束群に対応した光を照射する複数の光源を有する
請求項１から７のいずれか１項に記載の変位検出装置。