KR20190111718A - 광학식 높이 측정용 광모듈 - Google Patents

광학식 높이 측정용 광모듈 Download PDF

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Abstract

[과제] 임의의 형상인 피검물에 대하여 그 높이를 고정밀도로 검출 가능한 광학식 높이 계측용 광모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단] 피검물의 높이를 광학적으로 계측하는 광학식 높이 계측용 광모듈로서, 피검물에 광빔을 조사하는 레이저 광원과 대물 렌즈를 갖는 조사 광학계와, 피검물로부터 반사된 반사광을 검출하는 분할된 광검출기를 각각 갖는 2개의 검출 광학계와, 2개의 검출 광학계로 반사광을 안내하는 광분할 소자를 구비하고, 광분할 소자를 투과한 광과 반사된 광을 각각 2개의 검출 광학계로 안내하고, 투과한 광과 반사된 광의 2개의 검출 광학계 상의 강도 분포는 선대칭으로 반전해 있는 구성으로 한다.

Description

광학식 높이 측정용 광모듈{OPTICAL MODULE FOR OPTICAL HEIGHT MEASUREMENT}
본 발명은 피검물의 높이를 광학적으로 계측하는 광학식 높이 계측용 광모듈에 관한 것이다.
광디스크 장치에 사용되는 포커스 제어 신호는, 피검물이 되는 디스크에 대하여 고정밀도로 포커스를 맞추기 위해 사용되고 있는 것이 알려져 있고, 특허문헌 1에는 피검물에 대한 초점 위치 어긋남량의 변화에 대하여 포커스 제어 신호가 변화하는 형태가 개시되어 있다.
일본국 특개평9-265722호 공보
특허문헌 1에서는, 피검물로부터 반사된 광은, 대물 렌즈와 대물 렌즈군에 의해 광검출기로 안내되어 있지만, 일반적으로 대물 렌즈군의 구성은 예를 들면 콜리메이트 렌즈 및 원기둥 렌즈로 구성되고, 광검출기는 4분할 검출기를 이용함으로써 실현된다. 원기둥 렌즈는 광에 비점수차(非点收差)를 추가할 수 있고, 피검물의 높이가 변화되었을 때, 광검출기 상의 스폿 형상이 타원 형상으로 변화되고, 광검출기로부터의 신호 변화를 연산함으로써, 피검물과의 거리와 상관이 있는 포커스 오차 신호를 생성할 수 있다.
그러나, 피검물의 형상이 디스크와 같은 대략 평면이 아니라, 예를 들면 곡률을 갖는 부분이 있었을 경우, 피검물에 조사하는 광의 위치에 따라, 반사 각도가 변화되고 수광 소자로 안내되는 광의 일부가 되돌아오지 않아, 정상적인 포커스 오차 신호를 생성할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 임의의 형상인 피검물에 대하여, 피검물과의 거리와 상관이 있는 신호를 생성하고, 피검물과의 거리를 고정밀도로 검출 가능한 광학식 높이 계측용 광모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 배경기술 및 과제를 감안하여, 그 일례를 들면, 피검물의 높이를 광학적으로 계측하는 광학식 높이 계측용 광모듈로서, 피검물에 광빔을 조사하는 레이저 광원과 대물 렌즈를 갖는 조사 광학계와, 피검물로부터 반사된 반사광을 검출하는 분할된 광검출기를 각각 갖는 2개의 검출 광학계와, 2개의 검출 광학계로 반사광을 안내하는 광분할 소자를 구비하고, 광분할 소자를 투과한 광과 반사된 광을 각각 2개의 검출 광학계로 안내하고, 투과한 광과 반사된 광의 2개의 검출 광학계 상의 강도 분포는 선대칭으로 반전해 있는 구성으로 한다.
본 발명에 의하면, 임의의 형상인 피검물에 대하여 그 높이를 고정밀도로 검출 가능한 광학식 높이 계측용 광모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 있어서의 광학적으로 피검물의 높이를 계측하는 원리를 설명하는 개념도.
도 2는 실시예에 있어서의 피검물의 표면이 평면이 아닐 경우의 반사광에 대한 설명도.
도 3은 실시예에 있어서의 광빔의 조사 위치의 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의한 높이 오차 증대 원인에 대한 설명도.
도 4는 실시예에 있어서의 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 과제 설명도.
도 5는 실시예에 있어서의 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 설명도.
도 6은 실시예에 있어서의 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 상세 구성도.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.
[실시예]
본 실시예는, 임의의 형상인 피검물에 대하여 그 높이를 고정밀도로 검출 가능한 광학식 높이 측정용 광모듈에 있어서, 피검물이 평면이 아닐 경우에 대해서 설명한다.
우선, 광학적으로 피검물의 높이를 계측하는 원리에 대해서 설명한다. 도 1은, 피검물에 광빔을 조사하여, 그 반사광으로부터 비점수차법을 이용해서 피검물의 높이를 계측하는 방법을 설명하는 개념도이다. 도 1의 (a)에 있어서, 비점수차법에서는, 일반적으로 실린드리컬 렌즈(원기둥 렌즈)(25)를 사용하고, 대물 렌즈에서 조사된 광빔의 피검물의 반사광의 광로 중에 실린드리컬 렌즈(25)를 삽입하면, 실린드리컬 렌즈(25)는 도 1의 (a)의 X축 방향에만 렌즈 효과가 있기 때문에, X축 방향의 초점 거리와 Y축 방향의 초점 거리가 어긋나 비점수차가 발생하고, 빔의 형상은 광축 상의 거리에 따라, 세로가 긴 타원(Z-1), 원형(Z0), 가로가 긴 타원(Z1)과 같이 변화된다. 여기에서, 도 1의 (b), (c), (d)에 나타내는 바와 같이, 실린드리컬 렌즈(25)의 원기둥축(Y축 방향)에 대하여 45도 기울여 설치한 A∼D로 4분할된 광검출기(30)에서 광빔을 수광하면, Z-1, Z0, Z1의 각각의 경우에서 A∼D의 입사광량의 밸런스가 변화된다. 도 1의 (b)의 경우에는, B, D의 입사광량이 크고, 도 1의 (c)의 경우에는, A∼D의 4개의 입사광량이 동등하고, 또한 도 1의 (d)의 경우에는, A, C의 입사광량이 커진다. 따라서, 예를 들면, 도 1의 (c)의 A∼D의 4개의 입사광량이 동등한 상태가 되는 피검물과 대물 렌즈, 실린드리컬 렌즈(25)의 거리를 소정의 기준면으로서 설정해 두고, (A+C)-(B+D)의 연산 결과(이후, 포커스 에러 신호(FE 신호)라고 함)의 값으로부터 피검물의 높이를 계측할 수 있다. 즉, 피검물의 반사면이 기준면보다 낮을 경우에는, 도 1의 (d)의 경우가 되어 FE 신호＞0이 된다. 또한, 피검물의 반사면이 기준면보다 높을 경우에는, 도 1의 (b)의 경우가 되어 FE 신호＜0이 되고, FE 신호를 측정함으로써 기준면과의 차로부터 피검물의 높이를 계측할 수 있다.
다음으로, 피검물의 표면이 평면이 아닐 경우의 반사광에 대해서 설명한다. 도 2는, 피검물의 표면의 형상에 따라 반사광이 변화되는 형태를 나타내는 모식도이다. 도 2에 있어서, 피검물에 대하여 광을 조사하고 그 반사광을 이용하여 피검물의 높이를 계측할 경우, 도 2의 (a)의 피검물의 표면이 평면(31)일 경우, 대물 렌즈(40)의 입사광은 피검물에서 반사되어 되돌아오기 때문에, 대물 렌즈(40)의 개구에 있어서의 광량은 변화되지 않는다. 이에 대하여, 도 2의 (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 피검물의 표면이 예를 들면 곡면(32)일 경우, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 곡면(32)의 정점(頂点) 이외의 개소(箇所)에 광빔을 조사하면 광의 반사각이 변화되고 대물 렌즈(40)의 개구에 의해 일부 결여되는 부분이 발생하여 안정적으로 반사광을 얻을 수 없어, 높이를 정확하게 계측할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 광빔의 조사 위치가 곡면(32)의 정점(피검물의 최고점)이면 대물 렌즈(40)의 입사광은 피검물에서 반사되어 되돌아오므로, 평면의 경우와 마찬가지로 대물 렌즈의 개구에 있어서의 광량은 변화되지 않는다. 즉, 피검물에 광빔을 조사하여, 그 반사광으로부터 비점수차법을 이용해서 피검물의 높이를 계측할 경우, 피검물의 표면이 평면이 아닐 경우에는, 광빔의 조사 위치가 피검물의 정점으로부터 어긋나면 안정적으로 반사광을 얻을 수 없어, FE 신호의 파형이 무너져, 높이 오차가 증가한다는 문제가 있다.
여기에서, 피검물의 표면이 곡면일 경우, 광빔의 조사 위치의 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의한 높이 오차 증대의 원인에 대해서 검토한다.
예를 들면, 피검물의 표면이 곡률을 갖는 면으로서, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 곡면의 중심 위치로부터, XY 방향으로 광빔을 어긋나게 조사했을 때의, 비점수차법에 의한 광검출기 상의 광 스폿을 도 3의 (b)에 나타낸다. 도 3의 (b)에 있어서는, 곡면의 중심 X＝0, Y＝0으로부터, Y＝0이고, X 방향으로 0, 0.04, 0.08, 0.12로 광빔의 조사 위치를 주사했을 경우와, Y＝0.04이고, X 방향으로 0, 0.04, 0.08, 0.12로 광빔의 조사 위치를 주사했을 경우의 광검출기 상의 광 스폿을 나타내고 있다. 또한, XY 방향의 어긋남량은, 스폿의 어긋남량을 피검물 표면이 갖는 곡률의 반경으로 규격화한 값이다. 도 3의 (b)에서, X 방향으로 중심으로부터 어긋남에 따라, 광빔의 조사 위치가 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의한 리턴광의 일부가 결여됨으로써 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스가 무너져 있음을 알 수 있다. 또한 Y 방향으로 어긋나면 그 경향은 커진다. Y 방향으로 중심으로부터 어긋났을 경우, 4분할 검출기 상의 하나의 엘리먼트로 수광량이 치우쳐, FE 신호의 값이 크게 변화되어, 높이 어긋남이 생겨 버린다.
도 4에, 이상의 과제를 정리한 도면을 나타낸다. 도 4의 (a)는, 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 개략 구성도이다. 도 4의 (a)에 있어서, 레이저 광원(51)으로부터 출사된 광빔은, 빔 스플리터(53)로 반사하고, 콜리메이트 렌즈(52)에 의해 평행광으로 변환되고, 대물 렌즈(55)에 의해 집광되는 조사 광학계에 의해 피검물인 곡면(32)에 대하여 광빔이 조사된다. 곡면(32)으로부터 반사된 반사광은, 빔 스플리터(53)를 투과하고, 실린드리컬 렌즈(58), 4분할 광검출기(59)(PDA)로 안내되는 검출 광학계를 갖는다.
여기에서, 이 광학계를 도면의 X 방향으로 주사할 때, 곡면(32)의 중심으로부터, Y 방향으로 중심으로부터 어긋난 위치에서, X 방향으로 주사했을 때의, X 방향의 위치와, 4분할 광검출기(59)(PDA)로부터 얻어지는 FE 신호를 4분할 광검출기의 합신호로 정규화한 하기 식 (1)의 높이 신호(Sh)와의 관계는, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이 된다.
Figure pat00001
즉, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 광빔의 조사 위치가 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의해 4분할 광검출기 상의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스가 무너져, 높이 오차가 발생한다.
그래서, 본 실시예에서는, 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스의 무너짐을 저감하기 위해, 광검출기에 의한 검출 광학계를 2개 마련하고, 각각의 검출 광학계가 4분할 광검출기에서의 밸런스의 무너짐을 캔슬하도록 작용하게 한다.
도 5의 (a)는, 본 실시예에 있어서의 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 개략 구성도이다. 도 5의 (a)에 있어서, 도 4의 (a)와 같은 구성은 같은 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다. 도 4의 (a)와 다른 점은, 하프빔 스플리터(60), 실린드리컬 렌즈(61), 4분할 광검출기(62)(PDB)를 마련한 점이다.
도 5의 (a)에 있어서, 빔 스플리터(53)로부터의 곡면(32)으로부터 반사된 반사광은, 광분할 소자인 하프빔 스플리터(60)로 절반이 투과하여 실린드리컬 렌즈(58), 4분할 광검출기(59)(PDA)로 안내된다. 또한 남은 절반이 반사하여 실린드리컬 렌즈(61), 4분할 광검출기(62)(PDB)로 안내된다. 여기에서, 4분할 광검출기(62)(PDB)로 안내되는 광빔은, 하프빔 스플리터(60)로 반사되기 때문에, 4분할 광검출기(59)(PDA)로 안내되는 광빔과 반전되는 구성으로 한다. 여기에서, 이 광학계를 도면의 X 방향으로 주사할 때, 도 5의 (b)에, 곡면(32)의 중심으로부터, Y 방향으로 중심으로부터 어긋난 위치에서, X 방향으로 주사했을 때의, X 방향의 위치와, 4분할 광검출기(59)(PDA)와 4분할 광검출기(62)(PDB)의 각각으로부터 얻어지는 높이 신호(Sh)의 관계를 나타낸다.
도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 광빔의 조사 위치가 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의해, 4분할 광검출기(59)(PDA)와 4분할 광검출기(62)(PDB) 각각에서, 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스가 무너져, 높이 오차가 발생하지만, 각각의 4분할 광검출기에서 얻어지는 높이 신호는 거의 선대칭으로 되어 있다. 그 때문에, 각각의 높이 신호를 서로 더함으로써 높이 오차를 저감할 수 있다. 즉, 하기 식 (2)의 높이 신호(Shd)를 이용하면 된다.
Figure pat00002
단, 첨자 PDA는 4분할 광검출기(59)(PDA)로부터의 출력, 첨자 PDB는 4분할 광검출기(62)(PDB)로부터의 출력.
이에 따라, 도 5의 (b)에서, PDA와 PDB의 높이 신호를 서로 더한 PDA+PDB에서 나타내는 바와 같이, 광빔의 조사 위치의 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의한 높이 오차를 저감할 수 있다.
또한, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 4분할 광검출기(59)(PDA)와 4분할 광검출기(62)(PDB) 각각의 광검출기 상의 광 스폿은, 광빔의 조사 위치가 곡면의 축 중심으로부터의 어긋남에 의해, 4분할 광검출기(59)(PDA)와 4분할 광검출기(62)(PDB) 각각에서, 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스가 무너져 치우치지만, 각각의 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포는 선대칭으로 반전하기 때문에, 광검출기 상의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스 무너짐을 연산으로 캔슬할 수 있다.
이와 같이, 검출 광학계를 2개 마련함으로써, 양질의 중심축을 알 수 있는 높이 신호를 얻을 수 있다.
도 6에, 도 5에서 나타낸 비점수차법에 의한 피검물의 높이를 계측하는 광학계의 본 실시예에 있어서의 상세 구성도를 나타낸다. 도 6에 있어서, 레이저 광원(1)으로부터 출사된 광빔은, λ／2판(2)에 의해 편광 상태가 S 편광으로 편광되고, 편광빔 스플리터(3)로 반사하고, λ／4판(4)에 의해 편광 상태가 S 편광으로부터 원 편광으로 변환되고, 콜리메이트 렌즈(5)에 의해 평행광으로 변환되고, 대물 렌즈(6)에 의해 집광되고 피검물(7)에 대하여 조사된다. 피검물(7)로부터 반사된 반사광은, λ／4판(4)에 의해 편광 상태가 원 편광으로부터 P 편광으로 변환되어 편광빔 스플리터(3)를 투과하고, 광분할 소자인 하프빔 스플리터(9)에 입사한다. 하프빔 스플리터(9)로 피검물(7)로부터 반사된 반사광은, 그 절반이, X축을 중심으로 원기둥축이 45° 기운 실린드리컬 렌즈(12), 4분할 광검출기(13)로 안내된다. 이때, 4분할 광검출기(13)는, 실린드리컬 렌즈(12)의 원기둥축에 대하여 45° 기운 방향에 설치되고, 4분할 광검출기(13)의 분할선은 수평 수직 방향(수평 방향 Y, 수직 방향 Z)에 위치해 있다. 또한, 하프빔 스플리터(9)에 입사한 반사광은, 그 절반이 투과하여 Y축을 중심으로 원기둥축이 45° 기운 실린드리컬 렌즈(10), 4분할 광검출기(11)로 안내된다. 이때, 실린드리컬 렌즈(10)는, 실린드리컬 렌즈(12)와 광축을 중심으로 같은 방향, 같은 각도로 기울어 있으며, 또한, 4분할 광검출기(11)는, 실린드리컬 렌즈(10)의 원기둥축에 대하여 45° 기운 방향에 설치되고, 4분할 광검출기(11)의 분할선은 수평 수직 방향(수평 방향 X, 수직 방향 Z)에 위치해 있다. 여기에서, 4분할 광검출기(13)로 안내되는 광빔은, 하프빔 스플리터(9)로 반사되기 때문에, 4분할 광검출기(11)로 안내되는 광빔과 선대칭으로 반전한다. 즉, 4분할 광검출기(11과 13)에서, 광 스폿의 강도 분포가 선대칭으로 반전한다. 따라서, 각각의 4분할 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스의 무너짐을 캔슬하도록 작동한다. 또한, 프론트 모니터(8)는 레이저 광원(1)의 파워 제어를 위해 이용되는 검출기이다. 또한, 편광빔 스플리터(3)는 광효율이 허용되면 하프빔 스플리터여도 된다. 이 경우, λ／2판(2), 및 λ／4판(4)은 없어도 된다. 또한, 광검출기는 수광부의 형상이 사각형이며, 4분할 이상으로 세분화해도 된다. 또한, 실린드리컬 렌즈(12), 및 실린드리컬 렌즈(10)는, 광축을 중심으로, 같은 방향, 같은 각도 기울기로, 4분할 광검출기(13) 및 4분할 광검출기(11)는, 각각의 4분할 검출기로 안내하는 실린드리컬 렌즈의 원기둥축에 대하여, 45° 기울어 설치되어 있는 구성으로 되어 있으면 된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 광검출기에 의한 검출 광학계를 2개 마련하고, 각각의 검출 광학계가 광검출기 상에서의 광 스폿의 강도 분포의 밸런스 무너짐을 캔슬하도록 작용하게 한다. 이에 따라, 임의의 형상인 피검물에 대하여 그 높이를 고정밀도로 검출 가능한 광학식 높이 계측용 모듈을 제공할 수 있다.
이상 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 본 실시예에서는, 편광빔 스플리터를 사용한 광학계로 설명했지만, 하프빔 스플리터여도 유효하다. 또한, 검출 광학계로서 비점수차법에 대해서 설명했지만, 다른 FE 신호 검출 방식, 예를 들면 나이프 에지 방식 등이어도 유효하다. 또한, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세히 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.
1, 51: 레이저 광원 2: 1／2λ판
3: 편광빔 스플리터 53: 빔 스플리터
4: 1／4λ판 5, 52: 콜리메이트 렌즈
6, 40, 55: 대물 렌즈 7: 피검물
8: 프론트 모니터 9, 60: 하프빔 스플리터
10, 12, 25, 58, 61: 실린드리컬 렌즈
11, 13, 59, 62: 4분할 광검출기 30: 광검출기
31: 평면 32: 곡면

Claims (5)

  1. 피검물의 높이를 광학적으로 계측하는 광학식 높이 계측용 광모듈로서,
    상기 피검물에 광빔을 조사하는 레이저 광원과 대물 렌즈를 갖는 조사(照射) 광학계와,
    상기 피검물로부터 반사된 반사광을 검출하는 분할된 광검출기를 각각 갖는 2개의 검출 광학계와,
    당해 2개의 검출 광학계로 상기 반사광을 안내하는 광분할 소자를 구비하고,
    당해 광분할 소자를 투과한 광과 반사된 광을 각각 상기 2개의 검출 광학계로 안내하고, 상기 투과한 광과 반사된 광의 상기 2개의 검출 광학계에 있어서의 강도 분포가 선대칭으로 반전해 있는 것을 특징으로 하는 광학식 높이 계측용 광모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 검출 광학계는 비점수차(非点收差)를 이용한 포커스 에러 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학식 높이 계측용 광모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분할된 광검출기는 각 수광 소자 형상이 사각 형상이며 적어도 4분할 이상인 것을 특징으로 하는 광학식 높이 계측용 광모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광분할 소자는 하프빔 스플리터인 것을 특징으로 하는 광학식 높이 계측용 광모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 검출 광학계는 각각 실린드리컬 렌즈와 4분할 광검출기를 갖고, 비점수차를 이용한 포커스 에러 신호를 4분할 광검출기의 합신호로 정규화한 각각의 값을 가산함으로써 높이 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학식 높이 계측용 광모듈.
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