(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源および第２の光源と、
前記第１の光源から出射される光を２つの光束に分割する第１の光束分割手段と、
前記第１の光束分割手段によって分割された第１の光束をコリメートさせる第１のコリメータレンズと、
前記第１のコリメータレンズでコリメートさせた第１の光束を反射する反射部材と、
前記第１の光束分割手段によって分割された第２の光束を被測定面上にコリメートさせて入射させる対物レンズと、
前記反射部材によって反射された前記第１の光束と、前記被測定面によって反射された第２の光束との干渉光を受光する第１の受光手段と、
前記第１の受光手段により受光した干渉光強度に基づいて前記被測定面の高さ方向の相対値情報を出力する相対位置情報出力手段と、
前記第２の光源から出射される第３の光束を、前記対物レンズによって前記被測定面に集光させるようにコリメートさせる第２のコリメータレンズと、
前記被測定面によって反射された前記第３の光束を取り出す第２の光束分割手段と、
前記第２の光束分割手段により取り出された前記第３の光束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第３の光束を受光する第２の受光手段と、
前記第２の受光手段により検出された受光強度に基づいて前記被測定面の高さ方向の絶対位置情報を生成し、出力する絶対位置情報出力手段と、
を含む
変位検出装置。
【請求項２】
前記第１の光源と前記第２の光源とは、互いに波長の異なる光を出射し、
前記第２の光源から出射された前記第３の光束は、前記第１の光束分割手段を介して前記被測定面に入射される
請求項１に記載の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いた非接触センサにより、高精度に被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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。
この変位検出装置には、光を用いることにより、被測定面に非接触で変位の計測を行うものがある。こうした変位検出装置では、例えば、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光させる。そして、被測定面によって反射された反射光を非点光学素子で集光して非点収差を発生させ、受光素子に入射させる。
【０００３】
この受光素子での受光強度に基づいて、非点収差法によりフォーカスエラー信号が生成され、集光される光の焦点位置が被測定面となるようにサーボをかけて対物レンズを変位させる。
また、対物レンズには連結部材を介してリニアスケールが一体して取り付けられており、対物レンズの変位に連動してリニアスケールも移動する。この移動するリニアスケールの目盛りを、定点に固定された検出ヘッドにより読み出すことによって、被測定面の高さ方向の変位が検出される。
【０００４】
しかし、このような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、下記特許文献１では、校正テーブルを用いて非接触センサのフォーカスエラー信号を校正する手法が提案されている。
【０００５】
下記特許文献１の変位検出装置においては、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、被測定面に集光させる光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光のビーム径を２μｍ程度とすることにより、リニアスケールの検出精度は、数ｎｍ〜数１００ｎｍ程度とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−８９４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述の特許文献１に開示された変位検出装置では、被測定面に結像される光のビーム径を小さくすることにより、高分解能化を図っている。このため、被測定面からの反射光は被測定面の面粗度の影響を受けやすく、被測定面に結像された光が散乱することによって測定誤差を生じてしまう。
また、ビーム径を小さくして高分解能化したために、被測定面に付着した微細な異物等を検出する場合があり、被測定面の変位や形状等の変位情報が常に正確に得られる訳ではない。
【０００８】
また、近年の半導体製造装置や検査装置等においては、チルト機構を有した超精密位置決めステージが用いられている。こうした超高精密な位置決めステージでは、センサ自体の発熱を抑えつつ、かつ高速に高さ方向を計測することが要求されてきている。
しかし、これまでの変位検出装置では、例えば上記特許文献１に開示された変位検出装置のように、常にビームの結像位置が被測定面上にあるように制御しなければならない。
【０００９】
このため、上記特許文献１では、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータ等のような駆動機構により対物レンズをその光軸方向に上下運動させているが、アクチュエータの構造や質量によって対物レンズの上下運動のメカ的な応答周波数が制限される。
また、コイル等を駆動させることにより対物レンズが熱を帯び、測定位置にドリフトが生じてしまう。
これらの理由から、従来の方法では、その使用条件に制約が生じてしまっていた。
【００１０】
そこで本発明は上記課題に鑑み、広い使用条件を有し、かつ高精度に高さ方向の位置を検出可能な変位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明による変位検出装置は、第１の光源および第２の光源と、第１の光源から出射される光を２つの光束に分割する第１の光束分割手段と、第１の光束分割手段によって分割された第１の光束をコリメートさせる第１のコリメータレンズと、第１のコリメータレンズでコリメートさせた第１の光束を反射する反射部材と、を備える。
また、この第１の光束分割手段によって分割された第２の光束を被測定面上にコリメートさせて入射させる対物レンズと、反射部材によって反射された第１の光束と、被測定面によって反射された第２の光束との干渉光を受光する第１の受光手段を備える。
また、第１の受光手段により受光した干渉光強度に基づいて被測定面の高さ方向の相対位置情報を出力する相対位置情報出力手段も備える。
また、第２の光源から出射される第３の光束を、対物レンズによって被測定面に集光させるようにコリメートさせる第２のコリメータレンズと、被測定面によって反射された第３の光束を取り出す第２の光束分割手段と、第２の光束分割手段により取り出された第３の光束に非点収差を発生させる非点収差発生手段を備える。
そして、この非点収差発生手段により非点収差が発生した第３の光束を受光する第２の受光手段と、第２の受光手段により検出された受光強度に基づいて被測定面の高さ方向の絶対位置情報を生成し、出力する絶対位置情報出力手段と、を含む。
【００１２】
本発明の変位検出装置によれば、被測定面からの反射光と、反射部材からの反射光の干渉光によって相対位置情報が求められる。すなわち、被測定面の高さに応じて周期的に変化する干渉光強度をスケールとして用いるものである。
また、本発明の変位検出装置によれば、被測定面からの反射光によって絶対位置情報が出力される。これにより、上述の干渉光によるスケールの基準点、基準位置をこの絶対位置情報によって定めることが可能となり、被測定面の変位が正確に検出される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変位検出装置によれば、被測定面からの反射光と、反射部材からの反射光の干渉光によって相対位置情報が取得され、被測定面からの反射光によって絶対位置情報が取得される。
したがって、従来のような微細加工されたスケールを用いずに変位を検出することができる。また、従来のようにスケールを対物レンズと連動して駆動させる必要もない。
このため、従来のような駆動機構を必要としないので、使用時に発生する熱を抑制できる。また、駆動させる必要が無いので、応答周波数といった問題も解消され、使用条件を広くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】相対位置情報出力手段の概略構成を示すブロック図である。
【図３】第２の受光手段によって受光された光のスポットを示す説明図である。
【図４】フォーカスエラー信号を示す説明図である。
【図５】第２の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図６】第３の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態に係る変位検出装置について、図１〜図６を基に説明するが、本発明は以下の例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。
【００１６】
また、本発明では、その実施形態に関わらず、光源としてシングルモードの半導体レーザを用いると、コヒーレンスの高い光が出射されるので、計測範囲をより広くできる。また、この場合には、光源の温度をコントロールし、出射される光の波長を安定させることが望ましい。
また、マルチモードの半導体レーザを用いると、シングルモード半導体レーザよりも干渉性が低いので、受光素子の受光面におけるスペックルが抑制される。ただし、この場合には、計測範囲は可干渉距離となる。
また、光源は、変位検出装置の装置本体から脱着可能に取り付けられることが好ましい。これにより、光源の寿命や、必要とする光源の波長等に応じて容易に光源を交換できる。
【００１７】
また、光源は、外部光源から光ファイバ等によって光を供給する形態であってもよい。この場合には、熱源となる光源を外部に移すことができる。また、これをさらに脱着可能な構成とすることで、変位検出装置から離れた場所での光源のメンテナンスが可能となり、作業性が向上する。
【００１８】
また、光源からの光を気体または液体、真空等の空間を介して外部から供給してもよい。この場合にも熱源を装置本体から切り離すことができるが、光ファイバ等の装置本体に接続される部材から装置本体に伝わる振動を遮断することも可能になる。
【００１９】
また、対物レンズは、温度の変化による光源の波長変動の影響を低減するために、例えばアクロマチックレンズ等を用いる等、色収差補正を行うことが好ましい。
【００２０】
１．第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態に係る変位検出装置１００の構成を示す概略構成図である。本実施形態による変位検出装置１００は、光源１と、光源１から出射される光を２つの光束に分割する第１の光束分割手段２と、第１の光束分割手段２によって分割された第１の光束を反射する反射部材８と、を備える。
また、この第１の光束分割手段３によって分割された第２の光束を被測定部材９の被測定面上に集光する対物レンズ５と、反射部材８によって反射された第１の光束と被測定部材９の被測定面によって反射された第２の光束との干渉光を受光する第１の受光手段３０を備える。
【００２１】
また、第１の受光手段３０により受光した干渉光強度に基づいて被測定部材９の被測定面の高さ方向の変位量を出力する相対位置情報出力手段６０も備える。
また、被測定面によって反射された第２の光束の一部を取り出す第２の光束分割手段２０と、第２の光束分割手段２０により取り出された第２の光束に非点収差を発生させる非点収差発生手段１０を備える。
そして、この非点収差発生手段１０により非点収差が発生した第２の光束を受光する第２の受光手段４０と、第２の受光手段４０により検出された受光強度に基づいて被測定面の高さ方向の絶対位置情報を生成し、出力する絶対位置情報出力手段５０と、を含む。
【００２２】
光源１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、発光ダイオード等によって構成してよい。なお、後述するように、本発明においては光源からの光の干渉光を用いて計測を行うので、光源から発せられる光の可干渉距離が長い程、計測範囲が広くなる。
【００２３】
光源１から出射された光は、コリメートレンズ等のレンズ２によって例えば平行光にコリメートされる。また、レンズ２によってコリメートされた光は、例えば偏光ビームスプリッタ等の第１の光束分割手段３によって、２つの光束に分割される。
例えば、光源１からの光のうち、ｓ偏光は光束分割手段３によって反射され、ｐ偏光は光束分割手段３を透過する。
第１の光束分割手段３によって反射されたｓ偏光による第１の光束は、集光レンズ７によって、例えばミラー等の反射部材８に集光される。この反射部材８の光反射膜は、例えば金等の金属皮膜により構成されている。このため、一般の誘電体多膜層による反射膜に比べて、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可能であり、安定した位置検出が行われる。
【００２４】
反射部材８によって反射された第１の光束は、再び集光レンズ７を経由して第１の光束分割手段３に入射する。なお、第１の光束分割手段３と反射部材８の間の光路上には、例えば１／４波長板等の位相板６が配置されている。したがって、第１の光束は、反射部材８へと向かうその往路と復路において位相板６を２回透過することにより、偏光方向が９０度回転してｐ偏光となる。
そして、ｐ偏光となった第１の光束は第１の光束分割手段３を透過し、集光レンズ１１に入射する。
【００２５】
一方、光束分割手段３を透過したｐ偏光による第２の光束は、１／４波長板等の位相板４を透過することによって円偏光となり、対物レンズ５によって被測定部材９の被測定面に集光される。この対物レンズ５のＮＡ値が高い程解像度が高くなり、逆にＮＡ値が低い程、被測定面の測定範囲が広くなる。
なお、対物レンズ５によって集光された第２の光束は、被測定面上に必ずしも結像される必要はない。結像位置を被測定面からずらし、被測定面上でのスポット径を大きくすることにより、被測定面の面粗度や異物等による測定誤差の影響を低減できる。
また、
【００２６】
また、上記特許文献１では、被測定面上に光を結像させるために、非測定面に追随して対物レンズ５を上下方向に駆動させている。これに対し、本実施形態の対物レンズ５は変位検出装置１００において固定されている。
したがって、本実施形態では、対物レンズ５によって第２の光束を結像させようとする位置は、被測定面の凹凸に関わらず変動しない。このため、非測定面の絶対変位を求めるための基準点とすることができる。
【００２７】
被測定面に入射した第２の光束は反射され、再び対物レンズ５を経由して１／４波長版等の位相板４に入射する。第２の光束は位相板４によって円偏光からｓ偏光となり、第１の光束分割手段３によって反射される。
そして、第１の光束分割手段３によって反射された第２の光束は、集光レンズ１１に入射する。
【００２８】
なお、第１の光束分割手段３から反射部材８までの光路長と、第１の光束分割手段３から集光レンズ５による第２の光束の焦点位置、すなわち絶対変位を計測する基準点までの光路長は等しくすることが好ましい。
これにより、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第１の光束および第２の光束が受ける影響を等しくすることができる。したがって、後述する第１の受光手段によって受光する第１の光束と第２の光束の干渉光強度を、周囲環境に関わらず安定させることができ、より正確な計測を行える。
【００２９】
集光レンズ４を透過した第１の光束及び第２の光束は、第２の光束分割手段２０によって２つの光束に分割される。
本実施形態では、第２の光束分割手段２０は、例えばビームスプリッタ１２と偏光板２１とによって構成される。
【００３０】
ビームスプリッタ１２によって反射された第１の光束及び第２の光束は、受光手段３０に入射し、受光される。
また、ビームスプリッタ１２を透過した第１の光束及び第２の光束は、偏光板２０を透過することにより、被測定部材９からの反射光である第２の光束のみが受光手段４０によって受光される。
【００３１】
第１の受光手段３０は、ビームスプリッタ１２によって反射された第１の光束及び第２の光束を２つの光束に分割するハーフミラー３１と、ハーフミラー３１によって分割された第１の光束及び第２の光束を分割する偏光ビームスプリッタ３２を備える。また、偏光ビームスプリッタ３２によって分割された光束をそれぞれ受光する第１の受光素子３３と第２の受光素子３４とを備える。
また、ハーフミラー３１によって分割されたもう一方の光束の光路上に配置された１／４波長板等の位相板３５と、位相板３５を透過した光束を分割する偏光ビームスプリッタ３６を備える。また、偏光ビームスプリッタ３６によって分割されたそれぞれの光束を受光する第３の受光素子３７と第４の受光素子３８とを備える。
【００３２】
ハーフミラー３１に入射した第１の光束及び第２の光束は、共にそれぞれ分割される。
ハーフミラー３１を透過した第１の光束及び第２の光束は、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。偏光ビームスプリッタ３２は、互いに偏光方向が９０度異なる第１の光束と第２の光束の偏光方向が、偏光ビームスプリッタ３２の入射面に対してそれぞれ偏光方向が４５度傾くように傾けて配置される。
【００３３】
これにより、第１の光束及び第２の光束の両方の光束は、偏光ビームスプリッタ３２に対してそれぞれｐ偏光成分及びｓ偏光成分を有することになる。したがって、偏光ビームスプリッタ３２を透過した第１の光束及び第２の光束は、例えば同じ偏光方向を有するｐ偏光となるので、第１の光束と第２の光束とを干渉させることができる。
また同様に、偏光ビームスプリッタ３２によって反射される第１の光束及び第２の光束は、偏光ビームスプリッタ３２に対するｓ偏光であり、同じ偏光方向を有しているので干渉させることができる。
【００３４】
偏光ビームスプリッタ３２によって反射された第１の光束と第２の光束との干渉光は、第１の受光素子３３によって受光される。また、偏光ビームスプリッタ３２を透過した第１の光束と第２の光束との干渉光は、第２の受光素子３４によって受光される。
また、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４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。
【００３５】
第１の受光素子３３と第２の受光素子３４では、Ａｃｏｓ（Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは干渉の振幅であり、Ｋは２Π／Λによって示される波数であり、Λは光源１の波長である。
また、ｘは、被測定部材９の被測定面によって反射された第２の光束の、被測定面の形状に応じて変化する光路長の変化量である。
反射部材８は固定されているので、第１の光束の光路長は変化しない。したがって、第１の受光素子３３及び第２の受光素子３４では、被測定面の形状に応じて第２の光束の光路長がΛ／２変化するごとに、１周期の光の明暗が生じる干渉光が受光される。
【００３６】
一方、ハーフミラー３１によって反射された第１の光束と第２の光束は、１／４波長板等の位相板３５に入射する。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である第１の光束と第２の光束は、位相板３５を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。
また、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ３７に入射する。
【００３７】
この直線偏光のｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ３７によって反射され、第３の受光素子３７に受光される。また、ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３７を透過し、第４の受光素子３８によって受光される。
偏光ビームスプリッタ３７に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。したがって、第２の光束の光路長が変化し、第１の光束と第２の光束の位相がずれると、重ね合わされた直線偏光の偏光方向は回転する。
【００３８】
第２の光束の光路長がΛ／２だけ変化すると、直線偏光はちょうど１８０度回転する。したがって、第３の受光素子３７と第４の受光素子３８では、第２の光束の光路長がΛ／２変化するごとに、１周期の光の明暗が生じる干渉光が受光され、その光電変換される信号はＡｃｏｓ（Ｋｘ＋δ’）によって表される。δ’は初期位相である。
また、第３の受光素子３７と第４の受光素子３８とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。
【００３９】
なお、本実施形態では、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４に受光される光束を分割する偏光ビームスプリッタ３２に対して、第３の受光素子３７と第４の受光素子３８に受光される光束を分割する偏光ビームスプリッタ３６は４５度傾けて配置されている。
このため、第３の受光素子３７と第４の受光素子３８において得られる信号は、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。
【００４０】
したがって、例えば第１の受光素子３３と第２の受光素子３４で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子３７と第４の受光素子３８において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
【００４１】
これらの受光素子によって得られる信号は、相対位置情報出力手段６０によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。
例えば、図２に示すように、本実施形態の相対位置情報出力手段６０では、まず、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を差動増幅器６１ａによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。
そしてこの信号はＡ／Ｄ変換器によって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。
【００４２】
また同様に、第３の受光素子３５及び第４の受光素子３６で得られた信号は、差動増幅器６１ｂによって差動増幅され、Ａ／Ｄ変換器６１ｂによってＡ／Ｄ変換される。そして、波形補正処理部６３により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、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から出力される。
【００４３】
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回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定面の高さ方向の変位量が、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単位時間の位相変化をカウントすることにより、第１の光束と第２の光束と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。したがって、これにより被測定面の高さ方向の変位量が検出される。
【００４４】
なお、本実施形態の相対位置情報出力手段６０の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。
【００４５】
次に、第２の光束分割手段２０によって分割されるもう一方の光束、すなわちビームスプリッタ１２を透過した光束について以下に説明する。
ビームスプリッタ１２を透過した第１の光束と第２の光束の光路上には、第２の光束のみを透過させる偏光板２１が配置されている。これにより、被測定物９の測定面からの反射光である第２の光束のみが取り出され、オフセット光量が除去される。
【００４６】
また、この偏光板２１上に例えばクロム膜または誘電体多層膜等を形成することにより、ビームスプリッタとしての機能を兼ね沿わせることも可能である。
この場合には、ビームスプリッタ１２と偏光板２１の作用を一つの部品にて成立させるため、部品点数の削減が図られる。
そして偏光板２１を透過した第２の光束は、第２の受光手段４０に入射する。
【００４７】
また、第２の受光手段４０に入射する第２の光束には、非点収差発生手段１０により非点収差が付与される。
本実施形態では、集光レンズ１１によって収束される第１の光束及び第２の光束の光路上に、光束の光軸に対して傾けたビームスプリッタ１２を配置することで、ビームスプリッタ１２を透過した光束に被点収差を発生させている。
シリンドリカルレンズを配置することによって非点収差を発生させてもよいが、本実施形態では、ビームスプリッタ１２は光束を２方向に分割すると同時に非点収差も発生させており、部品点数を削減できるので好ましい。
【００４８】
第２の受光手段４０は、図３に示すように、第５〜第８の受光素子４１〜４４とを含んで構成される。第２の受光手段上に形成される第２の光束のスポットは、被測定面の高さ方向の位置によって外形が変化する。
例えば、被測定面上に照射される第２の光束の焦点が、被測定面よりも上側にある場合は、図３Ａに示すように、第２の受光手段４０上の第２の光束のスポットＡ１は楕円形となる。
【００４９】
また、被測定面上に照射される第２の光束の焦点が被測定面上にある場合には、例えば図３Ｂに示すように、そのスポットＡ２は略円形となる。
また、被測定面上に照射される第２の光束の焦点が被測定面よりも下方にある場合には、図３Ｃに示すように、そのスポットＡ３は、スポットＡ１と比べて長軸方向が９０度回転した楕円形となる。
【００５０】
受光素子４１〜４４から出力される出力信号を、それぞれ受光素子４１から順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、被測定面上に照射される第２の光束の焦点位置からのずれを示すフォーカスエラー信号ＳＦＥは下記式１によって表される。
ＳＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）―（Ｂ＋Ｄ）・・・（１）
【００５１】
図４に、この式１によって求められるフォーカスエラー信号の特性を示す。横軸は被測定面の高さ方向の位置であり、縦軸はフォーカスエラー信号である。
点Ｂに示すように、例えば被測定面上に照射される第２の光束の焦点が被測定面上にあるとき、フォーカスエラー信号はゼロとなる。
本実施形態では、対物レンズ５は固定されているので、被測定面上に照射される第２の光束の焦点位置は、一定である。したがって、フォーカスエラー信号がゼロとなるときにおける被測定面の高さも常に同じであり、フォーカスエラー信号がゼロとなる位置を変位検出における基準点として用いることが可能である。
【００５２】
このフォーカスエラー信号を求める演算部は、第２の受光手段４０に内臓されていてもよいし、絶対位置情報出力手段５０に設けてもよい。また、絶対位置情報出力手段５０は、フォーカスエラー信号をＡ／Ｄ変換し、値を出力する。
【００５３】
なお、ビームスプリッタ１２と第２の受光手段４０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、第２の受光手段４０に入射する第２の光束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る。したがって、被測定面上の微細な傷や異物等が検出されるのを抑制でき、面粗度の影響が低減されるので、被測定面の平均的な高さを計測することができる。
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４１〜４４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。
【００５４】
また、対物レンズ５と第２の受光手段４０との間の第２の光束の光路上に、所定の開口形状を有するアパーチャを配置し、特定の入射角度及び入射位置で対物レンズ５内に再入射する被測定面からの反射光を遮断してもよい。これにより、被測定面上の異物や凹凸による回折光が迷光として第２の受光手段４０に受光されるのを防止できる。
【００５５】
また、第１の受光手段や第２の受光手段における受光素子には、光ファイバを用いて干渉光や、非点収差を発生させた光を受光させるようにしてもよい。光ファイバを用いることにより、これら受光素子を変位検出装置１００の光学系から離れた箇所に配置することが可能となる。
したがって、受光素子を絶対位置情報出力手段５０や相対位置情報出力手段６０の近傍に配置することにより、受光素子からこれら出力手段までの電気通信距離が短縮され、応答速度の向上が図れる。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態の変位検出装置１００では、光源１から出射された光を２つの光束に分割し、第１の光束を反射部材８に入射させ、第２の光束を被測定面に入射させる。
そして、被測定面からの反射光を用いてフォーカスエラー信号を求めることにより、絶対位置情報を検出し、反射部材８の反射光と被測定面からの反射光の干渉光により相対位置情報を求めている。
【００５７】
従来においては、フォーカスエラー信号によってのみ、高さ方向の位置を検出していた。このため、フォーカスエラー信号の非線形性を補うために、校正テーブルを用いる必要があった。
しかし、本実施形態の変位検出装置１００では、固定された反射部材８と被測定面からの反射光の干渉光が計測される。干渉光の強度は、被測定面の変位量に応じて周期的に変化する。すなわち、干渉光の強度の変化をスケールとして用いることにより、信号の線形性を確保することができる。干渉光の強度変化の周期は、光の波長によって決まるため、正確かつ微細なスケールとして用いることができる。
【００５８】
また、干渉光の強度の変化によって得られるスケールの基準点は、被測定面からの反射光によって得られるフォーカスエラー信号により取得することが可能である。
したがって、本実施形態では、例えばフォーカスエラー信号がゼロとなる位置を基準とし、相対位置情報出力手段によって生成されるパルス、すなわち位相情報をカウントすることで、正確に変位を検出できる。
【００５９】
また、フォーカスエラー信号等の絶対位値情報は、基準とする絶対位置を定めるために取得されるため、本実施形態では、従来のように対物レンズ５を被測定面に追随させて上下運動させる必要がない。
したがって、対物レンズ５を駆動させるための駆動機構が不要となり、熱の発生が抑制される。また、駆動機構の応答周波数による使用条件の制約も無い。
【００６０】
また、フォーカスエラー信号の任意の位置において、相対位置情報出力手段における干渉光のカウント値を任意の値に変更できるようにしもよい。
これにより、被測定面が測定範囲から外れてしまった場合においても、再び被測定面が検出され次第、すぐにもとの位置情報をカウントすることができる。
【００６１】
またさらに、予め被測定面を上下方向に動かして計測を行い、前もって絶対位置情報と相対位置情報を取得しておいてもよい。この場合には、絶対位置情報と相対位置情報の差をとり相関を求めることで、フォーカスエラー信号のゼロクロス付近の波形にリニア補正をかけることが可能となる。
また、このように、絶対位置情報と相対位置情報の相関を求め、補正値として用いることにより、被測定面を見失って相対位置情報の検出が不可能となったとしても、フォーカスエラー信号による絶対位置出力手段５０の位置情報のみで変位を検出することができる。
また、この変位検出装置１００が実際に用いられる環境において、その場で得られる情報により直接校正されるため、より高い精度な変位検出が可能とされる。
【００６２】
なお、空気の揺らぎが大きい環境では、相対位置情報出力手段６０から出力される情報を用いず、絶対位置情報出力手段５０から出力される情報により変位を検出してもよい。
また、高速応答を必要としたり、被測定面の面粗度が大きい場合には、絶対位置情報出力手段５０から出力される情報を用いず、相対位置情報出力手段６０から出力される情報により変位を検出する等、環境に応じた計測方法の提供も可能である。
【００６３】
また、被測定物９の被測定面は、光源１から出射される光を反射させるミラー処理を施しておくと、よりＳ／Ｎ比の高い信号が得られるため好ましい。
また、測定対象としては特に限定せず、様々な対象物の測定を行うことができる。例えば、被測定物９として、光源１から出射される光と同一の波長の光を反射させる回折格子を用いることも可能である。
この場合には、本実施の形態による変位検出装置１００と、２次元面内方向の位置を検出するいわゆるリニアスケールを用いたリニアエンコーダとによって、変位検出装置を構成することが好ましい。
例えば、回折格子をステージ上に取り付け、回折格子面に沿った方向の変位は、リニアエンコーダによって計測し、回折格子面に垂直な方向の変位は、本実施形態による変位検出装置１００によって計測する。
これにより、ステージの３次元方向の変位検出が可能となり、例えばマイクロマシニング等の精密な３次元位置制御を必要とする機器において、ステージの正確な位置決めを行うことが可能となる。
【００６４】
また、この場合には、回折格子上の表面に、光源１からの光を反射させる反射膜を平らに形成しておいてもよい。変位検出装置１００はこの反射膜からの反射光を計測することで、高さ方向の変位検出を行う。
したがって、光源１から出射された光には、回折格子による回折光が生じないため、正確に変位検出を行える。また、リニアスケールは、この反射膜を透過する光を出射する光源を用いることにより、回折光等の検出を行う。
【００６５】
また、この反射膜は、回折格子の下地側に形成してあってもよい。この場合には、光源１から出射される光が、回折格子を形成する材料に対して透過性を有するように、光源１から出射させる光の波長や回折格子の材料を選択する。これにより、光源１から入射された光に回折光が生じるのを抑制できる。
また、リニアスケールが出射する光を、回折格子に対して斜めから入射させることによって回折光の生じる方向を制御し、この回折光が変位検出装置１００に検出されないようにしてもよい。
【００６６】
２．第２の実施の形態
上述の実施形態では、１つの光源を用いるものであった。第２の実施形態では、互いに波長の異なる２つの光源を用いる場合について説明する。
図５は、第２の実施形態に係る変位検出装置２００の構成を示す概略構成図である。
本実施形態に係る変位検出装置２００は、第１の光源１０１ａと、第１の光源１０１ａから出射された光を２つの光束に分割する第１の光束分割手段１０３と、を備える。
また、第１の光束分割手段１０３によって分割された第１の光束を反射する反射部材１０８を備える。
【００６７】
また、第１の光源１０１ａとは異なる波長の光を出射する第２の光源１０１ｂと、第１の光源１０１ａから出射され、第１の光束分割手段１０３によって分割された第２の光束と第２の光源１０１ｂから出射された第３の光束とを被測定物１０９上に集光する対物レンズと、を備える。
【００６８】
また、第１の光束と第２の光束と第３の光束とから、第３の光束を取り出す第２の光束分割手段１１２と、取り出された第３の光束に非点収差を発生させる非点収差発生手段１１０を備える。
また、反射部材１０８によって反射された第１の光束と、被測定面によって反射された第２の光束との干渉光を受光する第１の受光手段１３０と、第２の光束分割手段１１２によって取り出された第３の光束を受光する第２の受光手段１４０を備える。
【００６９】
そして、第１の受光手段１３０によって取得した信号に基づいて相対位置情報を出力する相対位置情報出力手段１６０と、第２の受光手段１４０により取得した信号に基づいて絶対位置情報を出力する絶対位置情報出力手段１５０を備える。
【００７０】
第１の光源１０１ａ及び第２の光源１０１ｂは、第１の実施の形態と同様に、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、種々の光源によって構成してよい。ただし、第１の光源１０１ａと第２の光源１０１ｂは、互いに異なる波長の光を出射する。
また、第１の光源１０１ａの出射する光は、偏光ビームスプリッタ等の第１の光束分割手段１０３に対して、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とが等しくなるようにすることが好ましい。
また、第２の光源１０１ｂの出射する光は、この第１の光束分割手段１０３に対してｐ偏光とされる。したがって、図示しない偏光板等を配置することにより、第２の光源１０１ｂから出射される光の偏光方向を揃えてもよい。
【００７１】
第１の光源１０１ａから出射された光は、波長選択フィルタ１１３等の光束合成手段１１３によって反射され、例えばコリメータレンズ等のレンズ１０２に入射する。
レンズ１０２によって例えばコリメートされた光は、偏光ビームスプリッタ等の光束分割手段１０３に入射し、ｓ偏光成分による第１の光束と、ｐ偏光成分による第２の光束に分割される。
【００７２】
光束分割手段１０３によって反射された第１の光束は、１／４波長板等の位相板１０６を透過して円偏光となり、集光レンズ１０７によって反射部材１０８に入射される。
そして、反射部材１０８により反射された第１の光束は、集光レンズ１０７を透って位相板１０６に入射し、ｐ偏光となる。
ｐ偏光となった第１の光束は、第１の光束分割手段１０３を透過し、集光レンズ１１１に入射する。
【００７３】
一方、光束分割手段１０３を透過した第２の光束は、１／４波長板等の位相板１０４を透過すると集光レンズ１０５によって被測定物１０９の被測定面上に集光される。
被測定により反射された第２の光束は、集光レンズ１０５を透って再び位相板１０４に入射する。
第２の光束は、位相板１０４を２回透過することによりｓ偏光となり、第１の光束分割手段１０３によって反射され、集光レンズ１１１に入射する。
【００７４】
本実施の形態においては、集光レンズ１１１に入射した第１の光束及び第２の光束は分割されず、そのまま第１の受光手段１３０によって受光される。
集光レンズ１１１によって集光される光の光路上には、波長選択フィルタ等の第２の光束分割手段１１２が配置されている。第２の光束分割手段１１２は、第１の光源１０１ａから出射される光とおなじ波長の光を反射し、第２の光源１０１ｂから出射される光と同じ波長の光を透過する。
したがって、第１の光束及び第２の光束は第２の光束分割手段１１２によって反射され、第１の受光手段１３０に入射する。
【００７５】
第１の受光手段１３０は、第１の光源１０１ａから出射され反射部材１０８によって反射された第１の光束と、第１の光源１０１ａから出射され、被測定面により反射された第２の光束との干渉光を受光する。
第１の受光手段１３０は、第１の実施の形態における第１の受光手段３０と同じ構成であってよい。
【００７６】
第２の光束分割手段１１２によって反射された第１の光束及び第２の光束は、ハーフミラー１３１に入射し、それぞれ２つの光束に分割される。
ハーフミラー１３１を透過した第１の光束及び第２の光束は、偏光ビームスプリッタ１３２に入射する。
【００７７】
偏光ビームスプリッタ１３２は、第１の光束と第２の光束の両方の偏光方向に対して、その入射面が４５度傾くように配置されている。したがって、第１の光束と第２の光束の両方の光束において、偏光ビームスプリッタ１３２に対するｓ偏光成分及びｐ偏光成分が生じる。このｓ偏光成分及びｐ偏光成分を偏光ビームスプリッタ１３２によってそれぞれ分割し、取り出すことによって、第１の光束と第２の光束とを干渉させる。
【００７８】
偏光ビームスプリッタ１３２によって反射された第１の光束と第２の光束のｓ偏光成分による干渉光は、第１の受光素子１３３によって受光される。また、偏光ビームスプリッタ１３２を透過した第１の光束と第２の光束のｐ偏光成分による干渉光は、第２の受光素子１３４によって受光される。
【００７９】
また、ハーフミラー１３１によって反射された第１の光束と第２の光束は、１／４波長板等の位相板１３５を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされることで、回転する直線偏光となる。
この直線偏光のｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１３６により反射され、第３の受光素子１３７に入射される。またｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１３６を透過して第４の受光素子１３８に入射される。
【００８０】
これら４個の受光素子１３３，１３４，１３７，１３８によって取得された信号に対して、相対位置情報出力手段１６０では、第１の実施の形態（図２参照）において説明した処理を行うことにより、例えば２相のインクリメンタル信号等の相対位置情報が出力される。
【００８１】
一方、第２の光源１０１ｂから出射される第３の光束は、波長選択フィルタ１１３を透過する。波長選択フィルタ１１３を透過した第３の光束は、レンズ１０２によって例えばコリメートされ、例えば偏光ビームスプリッタ等の第１の光束分割手段１０３に入射する。
【００８２】
第３の光束は、第１の光束分割手段１０３に対してｐ偏光であるので、第１の光束分割手段１０３を透過し、対物レンズ１０５によって被測定物１０９の被測定面上に集光される。
対物レンズ１０５は、本実施形態においても固定されており、第３の光束の焦点位置は一定とされる。この焦点位置は、必ずしも被測定面上にある必要はなく、被測定面近傍であってもよい。結像位置を被測定面からずらし、被測定面上でのスポット径を大きくすることにより、被測定面の面粗度や異物等による測定誤差の影響が低減される。
【００８３】
被測定面によって反射された第３の光束は、再び対物レンズ１０５を透過して第１の光束分割手段１０３に入射する。
第１の光束分割手段１０３と被測定面との間の光路上には、１／４波長板等の位相板１０４が配置されており、第３の光束は、その往復路において位相板１０４を２回透過することによってｐ偏光となる。したがって、第３の光束は第１の光束分割手段１０３によって反射され、集光レンズ１１１に入射する。
【００８４】
集光レンズ１１１に入射した第３の光束は、波長選択フィルタ等の第２の光束分割手段１１２を透過し、第２の受光手段１４０によって受光される。
本実施形態においても、非点収差発生手段１１０は、集光レンズ１１１と第２の光束分割手段１１２によって構成されている。第３の光束の収束光が、その光軸に対して斜めに配置された波長選択フィルタ１１２を透過することにより、非点収差が付与される。
このように、集光レンズ１１１と第２の光束分割手段１１２によって非点収差発生手段１１０を構成することで、シリンドリカルレンズ等を配置することなく非点収差を発生でき、部品点数の削減を図れる。
【００８５】
第２の受光手段１４０は、第１の実施の形態と同様に（図３参照）４つの受光素子を含んで構成されており、絶対位置情報出力手段１５０は、この受光素子により取得される信号を用いてフォーカスエラー信号を生成する。
【００８６】
このように、本実施形態では、第１の光源１０１ａから出射された光を反射部材１０８と被測定面とに入射させ、これらの反射光による干渉光により相対位置情報を生成する。
また、第２の光源１０１ｂから出射された光を被測定面に入射させ、この反射光により、絶対位置情報を生成する。
【００８７】
したがって、本実施形態においても、フォーカスエラー信号の例えばゼロクロス点が検出される位置等の基準点を決定し、そこからの変位を、相対位置情報出力手段１６０によって生成される相対位置情報によって求めることが可能である。
また、対物レンズ１０５を駆動することなく高さ方向の変位を計測することが可能であるため、駆動機構を必要としない。したがって、駆動機構によって発生する熱や、応答周波数の制約を受けない。このため、使用条件を緩和でき、様々な環境での計測が可能となる。
【００８８】
また、本実施形態では、相対位置情報検出に用いる光と、絶対位置情報検出に用いる光を異なる波長の光とし、波長選択フィルタ等の第２の光束分割手段によってこれらの光束を分割している。２個の光源の出力を最大限に利用できることから、より高いＳ／Ｎ比での変位検出を行うことができる。
【００８９】
また、第１の光源１０１ａと第２の光源１０１ｂとを交互に発光させてもよい。この場合には、相対位置情報と絶対位置情報とが交互に得られ、この情報に同期をかけることにより、変位を検出することが可能となる。
光源を交互に発光させることにより、第１の光源１０１ａからの光が第２の受光手段１４０に入射したり、第２の光源１０１ｂからの光が第１の受光手段１３０に入射するといった迷光をさらに低減でき、より精度の高い位置検出が実現される。
【００９０】
３．第３の実施の形態
本発明では、被測定面からの反射光の非点収差により変位の絶対位置情報を取得し、被測定面からの反射光と、反射部材等の特定の固定された基準面からの反射光との干渉光によって相対位置情報を取得する。
非点収差法によりフォーカスエラー信号を取得する場合には、被測定面に光をある程度集光させる必要がある。しかし、干渉光強度の変化の周期等を計測する場合には、被測定面に必ずしも光を集光させる必要はない。
【００９１】
本実施形態では、２つの光源を用い、それぞれの光源から出射される光を、非点収差の計測用と、干渉光の測定用とに割り当てる。そして、それぞれの光源から出射される光を、光源ごとに異なるスポット径で被測定面上に集光させる構成とする。
これにより、フォーカスエラー信号を取得するための光を被測定面上にある程度集光させながらも、干渉光を計測するための光は、被測定面上にそれよりも大きいスポット径で入射させることが可能となる。
したがって、高い計測精度を維持したまま、より広い範囲な相対位置検出を行うことができる。
【００９２】
図６は、第３の実施形態にかかる変位検出装置３００の構成を示す概略構成図である。
本実施形態による変位検出装置は、第１の光源２０１ａと、第１の光源２０１ａから出射された光を２つの光束に分割する第１の光束分割手段２０３と、を備える。
また、第１の光束分割手段２０３によって分割された第１の光束を反射する反射部材２０８を備える。
【００９３】
また、第１の光源２０１ａとは異なる波長の光を出射する第２の光源２０１ｂと、第１の光源２０１ａから出射され、第１の光束分割手段２０３によって分割された第２の光束と第２の光源２０１ｂから出射された第３の光束とを被測定物１０９上に集光する対物レンズ２０５と、を備える。
【００９４】
また、第１の光束と第２の光束と第３の光束とから、第３の光束を取り出す第２の光束分割手段２１２と、取り出された第３の光束に非点収差を発生させる非点収差発生手段２１０を備える。
また、反射部材２０８によって反射された第１の光束と、被測定面によって反射された第２の光束との干渉光を受光する第１の受光手段２３０と、第２の光束分割手段２１２によって取り出された第３の光束を受光する第２の受光手段２４０を備える。
【００９５】
そして、第１の受光手段２３０によって取得した信号に基づいて相対位置情報を出力する相対位置情報出力手段２６０と、第２の受光手段２４０により取得した信号に基づいて絶対位置情報を出力する絶対位置情報出力手段２５０を備える。
【００９６】
第１の光源２０１ａ及び第２の光源２０１ｂは、第１、２の実施の形態と同様に、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、種々の光源によって構成してよい。ただし、第１の光源２０１ａと第２の光源２０１ｂは、互いに異なる波長の光を出射するものとする。
また、第１の光源２０１ａの出射する光は、偏光ビームスプリッタ等の第１の光束分割手段２０３に対して、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とが等しくなるようにすることが好ましい。
また、第２の光源２０１ｂの出射する光は、この第１の光束分割手段２０３に対してｐ偏光とされる。もしくは、偏光板によりｐ偏光のみを取り出してもよい。
【００９７】
第１の光源２０１ａから出射された光は、光束合成手段２１３によって反射され、偏光ビームスプリッタ等の第１の光束分割手段２０３に入射する。この光束合成手段２１３は、第１の光源２０１ａから出射される波長の光を反射し、第２の光源２０１ｂから出射される波長の光を透過する。
光束分割手段２０３に入射した第１の光源２０１ａからの光は、ｓ偏光成分による第１の光束と、ｐ偏光成分による第２の光束に分割される。
【００９８】
光束分割手段２０３によって反射された第１の光束は、レンズ２０７によって例えばコリメートされて平行光となり、反射部材２０８に入射する。そして反射部材２０８によって反射され、レンズ２０７を透過することにより収束光となり、第１の光束分割手段２０３に再入射する。
第１の光束分割手段２０３と反射部材２０８の間の光路上には、１／４波長板等の位相板２０６が配置されており、第１の光束分割手段２０３に再入射する第１の光束はｐ偏光となる。したがって、第１の光束は第１の光束分割手段２０３を透過し、レンズ２１１に入射する。
【００９９】
第１の光束分割手段２０３を透過した第２の光束は、対物レンズ２０５によってコリメートされ、例えば平行光となって被測定物２０９の被測定面に入射する。被測定面によって反射された第２の光束は、対物レンズ２０５によって収束光となり、第１の光束分割手段２０３に入射する。
第１の光束分割手段２０３と被測定物２０９の間の光路上には、１／４波長板等の位相板２０４が配置されており、第１の光束分割手段２０３に再入射する第２の光束はｓ偏光となる。したがって、第２の光束は第１の光束分割手段２０３によって反射され、レンズ２１１に入射する。
【０１００】
一方、第２の光源２０１ｂから出射される第３の光束は、例えばコリメータレンズ２０２によってコリメート平行光となり、波長選択フィルタ２１３を透過して第１の光束分割手段２０３に入射する。
第３の光束は第１の光束分割素子２０３に対してｐ偏光であるので、第１の光束分割素子２０３を透過し、対物レンズ２０５によって被測定面上に集光される。そして被測定面により反射された第３の光束は、対物レンズ２０５を透って平行光となり、第１の光束分割手段２０３に入射する。
第３の光束は、この過程で１／４波長板２０４を２回透過することにより偏光方向が９０度回転しているため、第１の光束分割手段２０３によって反射される。そして反射された第３の光束はレンズ２１１に入射する。
【０１０１】
このように、本実施形態では、第１の光源２０１ａから出射される光を発散光のまま対物レンズ２０５やレンズ２０７に入射させ、これらのレンズを第１の光源２０１ａから出射される光に対する例えばコリメート用のレンズとして用いている。
これにより、第２の光源２０１ｂから出射された第３の光束によって被測定面上に形成されるスポットよりも大きいスポット径で、第１の光束及び第２の光束を被測定面や反射部材２０８に入射させることができる。
なお、ここで例示する光学系のみならず、既知の様々な光学系の構成により、第１の光源２０１ａからの光と、第２の光源２０１ｂからの光を異なるスポット径で被測定面上に入射させてよい。
【０１０２】
また、本実施の形態においては、第２の実施の形態（図５参照）と同様に、集光レンズ２１１に入射した第１の光束及び第２の光束は分割されず、そのまま第１の受光手段によって受光される。
レンズ２１１に入射した第１の光束及び第２の光束は例えばコリメートされ、波長選択フィルタ等の第２の光束分割手段２１２によって反射される。
【０１０３】
第２の光束分割手段２１２によって反射された第１の光束及び第２の光束は、レンズ２１４によって第１の受光手段２３０に集光される。
また、本実施形態においても、第１の受光手段２３０は、第１の実施の形態（図１参照）における第１の受光手段３０と同様の構成であってよい。
第１の受光手段２３０は、第１の光束と第２の光束との干渉光を計測する。
【０１０４】
第２の光束分割手段２１２によって反射された第１の光束及び第２の光束は、ハーフミラー２３１に入射し、第１の光束及び第２の光束をそれぞれ含む２つの光束に分割される。
【０１０５】
ハーフミラー２３１を透過した第１の光束及び第２の光束は、偏光ビームスプリッタ２３２に入射する。
偏光ビームスプリッタ２３２は、第１の光束と第２の光束の両方の偏光方向に対して、その入射面が４５度傾くように配置されている。したがって、第１の光束と第２の光束の両方において、偏光ビームスプリッタ１３２に対するｓ偏光成分及びｐ偏光成分が生じ、第１の光束と第２の光束との干渉が可能となる。
【０１０６】
偏光ビームスプリッタ２３２によって反射された第１の光束と第２の光束のｓ偏光成分による干渉光は、第１の受光素子２３３によって受光される。また、偏光ビームスプリッタ２３２を透過したｐ偏光による第１の光束と第２の光束の干渉光は、第２の受光素子２３４によって受光される。
【０１０７】
また、ハーフミラー２３１によって反射された第１の光束と第２の光束は、１／４波長板等の位相板２３５を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、重ね合わされることで、被測定面の変位に応じて偏光方向が回転する直線偏光となる。
この直線偏光のｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２３６により反射され、第３の受光素子２３７に入射される。またｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２３６を透過して第４の受光素子２３８に入射される。
そして、相対位置情報出力手段２６０は、第１の実施の形態（図２参照）と同様に、これらの受光素子２３３，２３４，２３７，２３８によって取得された信号により相対位置情報を求め、出力する。
【０１０８】
一方、レンズ２１１に入射した第３の光束は、波長選択フィルタ等の第２の光束分割手段２１２を透過し、第２の受光手段２４０によって受光される。
本実施形態においても、非点収差発生手段２１０は、集光レンズ２１１と、その光軸に対して斜めに配置された第２の光束分割手段２１２によって構成されている。これにより、シリカルレンズ等を配置することなく非点収差を発生でき、部品点数の削減を図れる。
【０１０９】
第２の受光手段２４０は、第１の実施の形態と同様に（図３参照）４つの受光素子を含んで構成されており、絶対位置情報出力手段２５０は、この受光素子により取得される信号を用いてフォーカスエラー信号等の絶対位置情報を生成し、出力する。
【０１１０】
このように、本実施形態においても、被測定面により反射された光により絶対位置情報を取得し、被測定面により反射された光と、固定された反射部材により反射された光との干渉光により相対位置情報を取得する。
したがって、フォーカスエラー信号等の絶対位置情報を基に基準位置を定め、この基準位置からの変位量を相対位置情報によって求めることができる。
【０１１１】
この絶対位置情報と相対位置情報は、対物レンズ２０５を上下方向に駆動させることなく取得されるため、従来のような駆動機構を必要としない。したがって、熱や応答周波数等による使用条件の制約が低減される。
【０１１２】
また、本実施の形態では、相対位置情報を取得するために被測定面に入射させる光のスポット径を、例えば絶対値情報取得のための光のスポット径よりも大きくできる。このため、相対位置情報の測定範囲を広くすることが可能である。
【０１１３】
なお、第２の実施の形態及び第３の実施の形態においても、フォーカスエラー信号の任意の位置において、相対位置情報出力手段における干渉光のカウント値を任意の値に変更できるようにすることが好ましい。
これにより、被測定面が測定範囲から外れてしまった場合においても、再び被測定面が検出され次第、すぐにもとの位置情報をカウントすることができる。
【０１１４】
また、予め被測定面を上下方向に動かして計測を行い、予め絶対位置情報と相対位置情報を取得し、補正値を求めることが可能であることは、第１の実施の形態と同様である。
補正値により絶対位置情報を校正することにより、被測定面を見失って相対位置情報の検出が不可能となったとしても、フォーカスエラー信号による絶対位置情報によって変位をカウントすることができる。
【０１１５】
また、被測定物の被測定面は、光源から出射される光を反射させるミラー処理を施しておくと、よりＳ／Ｎ比の高い信号が得られるため好ましい。
【０１１６】
また、測定対象としては、第２、第３の実施の形態においても特に限定せず、様々な物を測定対象としてよい。したがって、被測定物として回折格子を用い、３次元方向の変位検出を行うことも可能である。
また、この場合には、回折格子上の表面に、光源１からの光を反射させる反射膜を平らに形成してもよく、回折格子の下地側に形成してあってもよい。
【０１１７】
また、反射部材の光反射膜は、第１の実施の形態と同様に、金等の金属皮膜により構成されることが好ましい。これにより、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可能であり、安定した位置検出が行われる。
【０１１８】
また、他にも、第２の光束分割手段と第２の受光手段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。
また、対物レンズと第２の受光手段との間の第３の光束の光路上に、所定の開口形状を有するアパーチャを配置し、特定の入射角度及び入射位置で対物レンズ内に再入射する被測定面からの反射光を遮断してもよい。
また、第１の受光手段や第２の受光手段における受光素子には、光ファイバを用いて干渉光や、非点収差を発生させた光を受光させるようにしてもよい。
【０１１９】
以上、本発明による変位検出装置の実施の形態について説明した。本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２０】
１・・・光源、２，７，１１，１０２，１０７，１１１，２０２，２０７，２１１，２１４・・・レンズ、３，１０３，２０３・・・第１の光束分割手段、４，６，２１，３５，１０４，１０６，１３５，２０４，２０６，２３５・・・位相板、５，１０５，２０５・・・対物レンズ、８，１０８，２０８・・・反射部材、９，１０９，２０９・・・被測定物、１０，１１０，２１０・・・非点収差発生手段、１２・・・ビームスプリッタ、２０，１１２，２１２・・・第２の光束分割手段、３０，１３０，２３０・・・第１の受光手段、３１，１３１，２３１・・・ハーフミラー、３２，３６，１３２，１３６，２３２，２３６・・・偏光ビームスプリッタ、３３，３４，３７，３８，４１，４２，４３，４４，１３３，１３４，１３７，１３８，２３３，２３４，２３７，２３８・・・受光素子、４０，１４０，２４０・・・第２の受光手段、５０，１５０，２５０・・・絶対位置情報出力手段、６０，１６０，２６０・・・相対位置情報出力手段、６１ａ，６１ｂ・・・差動増幅器、６２ａ，６２ｂ・・・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、１００，２００，３００・・・変位検出装置、１０１ａ，２０１ａ・・・第１の光源、１０１ｂ，２０１ｂ・・・第２の光源、１１３・・・波長選択フィルタ、
【図１】
0005504068.tif 000002
【図２】
0005504068.tif 000003
【図３】
0005504068.tif 000004
【図４】
0005504068.tif 000005
【図５】
0005504068.tif 000006
【図６】
0005504068.tif 000007