(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、当該光源から射出された射出光を被測定面に集光する対物レンズと、前記対物レンズにより前記被測定面に集光されて当該被測定面で反射された反射光を集光・発散させる非点生成レンズと、前記非点生成レンズにより集光された反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成し、前記対物レンズの焦点位置に基づいた変位情報を検出する受光素子と、を有する非接触センサと、
前記受光素子により検出された前記変位情報に基づいて前記対物レンズの前記焦点位置を調整する制御部と、
前記対物レンズに連結部材を介して取り付けられたリニアスケールを有し、前記制御部により前記対物レンズの前記焦点位置が調整されたときの前記リニアスケールの変位量を測定する変位量測定部と、を備え、
前記光源と前記対物レンズとの間および前記対物レンズと前記受光素子との間の少なくとも一方の光路上には、前記光源から射出される前記射出光の波長変動によって生じる色収差を補正する光学的色消し部材が配置され、
前記非接触センサを収容する筐体と、
前記対物レンズおよび当該対物レンズに連結部材を介して取り付けられた前記リニアスケールからなる可動部と、を有し、
前記可動部は、前記筐体に対して移動可能に設けられ、
前記非接触センサは、
前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記光源から射出された前記射出光の光束を平行光に変換するコリメートレンズをさらに有し、
前記光学的色消し部材は、
前記筐体に固定されて、前記コリメートレンズにより平行光に変換された前記射出光の光路中に配置され、且つ第１の屈折率を有する第１の硝材と前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の硝材とが貼り合わされて構成され、前記コリメートレンズ側の端面および前記対物レンズ側の端面が平面である
変位検出装置。
【請求項２】
前記第１の硝材と前記第２の硝材との屈折率差を０．０１以下とし、第１の硝材のアッベ数と前記第２の硝材のアッベ数との比を１．７以上とした
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記光学的色消し部材は回折型光学素子から構成される
請求項１又は２に記載の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的非点収差法を用いて対物レンズと被測定面との間の変位を検出する変位検出装置に関する。詳細には、光源と対物レンズとの間および対物レンズと受光素子との間の少なくとも一方の光路上に光学的色消し部材を配置することで、光源から射出される射出光の波長変動によって生じる色収差を補正するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定面の変位や形状を測定する装置として変位検出装置が広く利用されている。変位検出装置では、非接触センサの光源から射出したレーザ光を対物レンズを介して被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光から非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号を用いてサーボをかけて対物レンズの焦点位置を移動させて調整し、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで被測定面の変位を検出する。
【０００３】
しかし、上述した変位検出装置ではフォーカスエラー信号自体のリニアリティが悪いため、高い検出精度が得られないという問題があった。そこで、特許文献１には、非接触センサのフォーカスエラー信号に対応する校正された出力信号を校正テーブルから出力するようにした変位検出装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８９４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１を含む一般的な変位検出装置では、変位検出装置の電源をオンして被測定面の変位測定を開始すると、光源の温度が上昇し、光源から射出されるレーザ光の波長が変動してしまう。また、変位検出装置の周囲の温度変化によっても光源の温度が変動し、レーザ光の波長が変動してしまう。対物レンズを通過する光の屈折率は波長に応じて異なるので、これにより対物レンズの焦点位置もずれてしまう。その結果、従来の変位検出装置では、色収差が大きく影響してしまい、高い安定性でかつ高精度に被測定面の変位を検出することができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源の波長変動に関係なく、高い安定性で高精度に被測定面の変位を検出する変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するものであり、光源と、当該光源から射出された射出光を被測定面に集光する対物レンズと、前記対物レンズにより前記被測定面に集光されて当該被測定面で反射された反射光を集光・発散させる非点生成レンズと、前記非点生成レンズにより集光された反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成し、対物レンズの焦点位置に基づいた変位情報を検出する受光素子と、を有する非接触センサと、受光素子により検出された変位情報に基づいて対物レンズの焦点位置を調整する制御部と、対物レンズに連結部材を介して取り付けられたリニアスケールを有し、制御部により対物レンズの焦点位置が調整されたときのリニアスケールの変位量を測定する変位量測定部と、を備え、光源と対物レンズとの間および対物レンズと受光素子との間の少なくとも一方の光路上には、光源から射出される射出光の波長変動によって生じる色収差を補正する光学的色消し部材が配置される。
また、非接触センサを収容する筐体と、対物レンズおよび当該対物レンズに連結部材を介して取り付けられたリニアスケールからなる可動部と、を有している。そして、可動部は、筐体に対して移動可能に設けられる。非接触センサは、光源と対物レンズとの間に配置され、光源から射出された射出光の光束を平行光に変換するコリメートレンズをさらに有している。光学的色消し部材は、筐体に固定されて、コリメートレンズにより平行光に変換された射出光の光路中に配置される。さらに、光学的色消し部材は、第１の屈折率を有する第１の硝材と第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の硝材とが貼り合わされて構成され、コリメートレンズ側の端面および対物レンズ側の端面が平面である。
【０００８】
本発明の変位検出装置において光源と対物レンズとの間の光路上に光学的色消し部材を配置した場合には、光源から射出された射出光は光学的色消し部材に入射される。光学的色消し部材では射出光の波長変動によって生じた焦点位置のずれが補正される。これにより、被測定面には焦点位置が補正された射出光が集光されるので、色収差の影響を抑えることができる。
【０００９】
また、対物レンズと受光素子との間の光路上に光学的色消し部材を配置した場合には、被測定面で反射された反射光が光学的色消し部材に入射される。光学的色消し部材では、射出光や反射光の波長変動によって生じた焦点位置のずれが補正される。これにより、受光素子には焦点位置が補正された反射光が集光されるので、色収差の影響を抑えることができる。
【００１０】
制御部は、受光素子により検出された変位情報に基づいて対物レンズの焦点位置を調整する。変位量測定部では、制御部により対物レンズの焦点位置が調整されたときの対物レンズの変位量を測定する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光路上に光学的色消し部材を配置することで、波長変動による焦点位置のずれを補正することができる。これにより、対物レンズを含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面の変位を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［第１の実施の形態］  
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１０のブロック構成例を示す図である。図１に示すように、変位検出装置１０は、非接触センサ１００Ａと、制御部２００と、サーボ制御部２１０と、アクチュエータ３００と、変位量測定部４００と、信号処理部４０４と、表示部１４０とを備える。なお、図１では非接触センサ１００Ａの構成を便宜上簡略化して図示している。
【００１３】
図２は、非接触センサ１００Ａの構成例を示す斜視図である。図２に示すように、非接触センサ１００Ａは、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、偏光ビームスプリッタ１０８と、第１の色消しレンズ１５０Ａと、第２の色消しレンズ１５０Ｂと、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、対物レンズ１１４と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０、筐体（シャーシ）１８０とを有する。
【００１４】
筐体１８０は、光源１０２、コリメートレンズ１０４と、偏光ビームスプリッタ１０８、第１の色消しレンズ１５０Ａ、第２の色消しレンズ１５０Ｂ、非点成生レンズ１１８および受光素子１２０を収容するものである。筐体１８０の下部には、第１の色消しレンズ１５０Ａを通過した射出光Ｌをλ／４板１１０側に通過させるための開口部１３２が形成される。
【００１５】
光源１０２は、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード等から構成され、レーザ光等の射出光Ｌをコリメートレンズ１０４に向けて射出する。コリメートレンズ１０４は、光源１０２から射出された射出光Ｌを平行光に変換する。平行光に変換された射出光Ｌは偏光ビームスプリッタ１０８に入射される。偏光ビームスプリッタ１０８は、コリメートレンズ１０４を通過した射出光Ｌを透過させて第１の色消しレンズ１５０Ａに入射させる。
【００１６】
第１の色消しレンズ１５０Ａは、光学的色消し部材の一例であり、光源１０２の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。第１の色消しレンズ１５０Ａを構成する対物レンズは、曲率半径が小さくて発生する色収差も大きく、硝材の組み合わせが限られているため、レンズ設計が困難である。そこで、本実施の形態では、図２に示すように、偏光ビームスプリッタ１０８とλ／４板１１０との間、偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間のそれぞれに第１の色消しレンズ１５０Ａおよび第２の色消しレンズ１５０Ｂを配置することで、レンズ設計を容易にしている。
【００１７】
また、第１の色消しレンズ１５０Ａは、対物レンズ１１４と一体化させても良いが、対物レンズ１１４を含む可動部の質量を極力下げるためには、対物レンズ１１４から第１の色消しレンズ１５０Ａを分離させることが好ましい。そこで、本実施の形態では、第１の色消しレンズ１５０Ａを筐体１８０の例えば前方壁面１８０ａの支持部１８２（図３参照）に取り付け、固定している。
【００１８】
図３は、非接触センサ１００Ａの固定部６００と可動部７００とを示す図である。光源１０２は、筐体１８０内に設けられた支持部１８８，１８８によって所定位置に保持されている。コリメートレンズ１０４は、筐体１８０内に設けられた支持部１８６，１８６によって所定位置に保持されている。偏光ビームスプリッタ１０８は、筐体１８０内に設けられた支持部１８４，１８４によって所定位置に保持されている。第１の色消しレンズ１５０Ａは、筐体１８０内に設けられた支持部１８２，１８２によって所定位置に保持されている。本例では、光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０８、第１の色消しレンズ１５０Ａ、筐体１８０を固定部６００と呼ぶ。
【００１９】
一方、連結部材５００を介して互いに連結された対物レンズ１１４およびリニアスケール４０８は、アクチュエータ３００の駆動により移動可能に設けられている。本例では、対物レンズ１１４、リニアスケール４０８および連結部材５００を可動部７００と呼ぶ。
【００２０】
このように、本実施の形態では、第１の色消しレンズ１５０Ａは筐体１８０に取り付けられ、可動部７００の対物レンズ１１４とは別体に設けられる。これにより、可動部７００の質量を下げることができ、安定かつ正確に可動部７００が動作できるようになっている。
【００２１】
図４（Ａ）は第１の色消しレンズ１５０Ａの構成例を示す図である。第１の色消しレンズ１５０Ａは、偏光ビームスプリッタ１０８とλ／４板１１０との間であって、コリメートレンズ１０４により平行光に変換された射出光Ｌ中に配置されている（図２参照）。第１の色消しレンズ１５０Ａは、屈折率（第１の屈折率）Ｎａを有する凸レンズ１５２と屈折率（第２の屈折率）Ｎｂを有する凹レンズ１５４とが貼り合わされて構成される。凸レンズ１５２の光源１０２側の端面１５２ａおよび凹レンズ１５４の対物レンズ１１４側の端面１５４ａのそれぞれは平坦に加工されている。これにより、波長が中心波長の場合、第１の色消しレンズ１５０Ａは、レンズではなく平行平板として機能することになり、色収差を効果的に抑えることができる。
【００２２】
ここで、凸レンズ１５２と凹レンズ１５４との屈折率差は例えば０．０１以下とすることが好ましい。これは、光源１０２から射出される射出光Ｌの波長が中心波長の場合、屈折率差を小さくしておけば、２つの凸レンズ１５２と凹レンズ１５４間の硝材の違いは現れないので、貼り合わせ面での屈折は生じず、一枚のレンズを用いた場合と等しく振舞わせることができるからである。
【００２３】
また、凸レンズ１５２のアッベ数νaと凹レンズ１５４のアッベ数νbとのアッベ数の比（νa／νb）は１．７以上とすることが好ましい。これは、僅かに波長が変動した場合でも、２つの凸レンズ１５２と凹レンズ１５４で生じる屈折率差が大きく変化し、貼り合わせ面をレンズとして機能させることができるからである。この結果、貼り合わせ面の曲率半径を選ぶことにより、波長変動による貼り合わせレンズ全体の焦点距離が一定となるように設定することができる。
【００２４】
図２に戻り、第１の色消しレンズ１５０Ａを透過した射出光Ｌはλ／４板１１０に入射される。λ／４板１１０は、入射された直線偏光である射出光Ｌを右向きの円偏光に変換する。λ／４板１１０を通過した射出光Ｌは、ミラー１１２によって被測定面ＴＧ側に反射され、対物レンズ１１４に入射される。
【００２５】
対物レンズ１１４は、所定の開口数を有するレンズ等からなる光学素子であり、アクチュエータ３００によりリニアスケール４０８と連動して移動可能に設けられる。対物レンズ１１４に入射された射出光Ｌは被測定面ＴＧに集光される。
【００２６】
被測定面ＴＧに集光された射出光Ｌは、被測定面ＴＧで反射される。被測定面ＴＧで反射された反射光Ｌｒは、対物レンズ１１４を通過してミラー１１２で反射されてλ／４板１１０に入射される。
【００２７】
λ／４板１１０は、入射された右向きの偏光光である反射光をさらに右向きに回転させて、射出光Ｌと１／２波長ずれた直線偏光からなる反射光Ｌｒに変換する。λ／４板１１０を通過した反射光Ｌｒは、第１の色消しレンズ１５０Ａを透過して偏光ビームスプリッタ１０８に再び入射される。
【００２８】
偏光ビームスプリッタ１０８は、入射された反射光Ｌｒが射出光Ｌに対して１／２波長ずれているため、反射光Ｌｒを第２の色消しレンズ１５０Ｂ側に反射させる。偏光ビームスプリッタ１０８で反射された反射光Ｌｒは第２の色消しレンズ１５０Ｂに入射される。
【００２９】
第２の色消しレンズ１５０Ｂは、偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間に配置され、偏光ビームスプリッタ１０８で反射した反射光Ｌrの色収差を補正する。図４（Ｂ）は第２の色消しレンズ１５０Ｂの構成例を示す図である。第２の色消しレンズ１５０Ｂは、屈折率（第１の屈折率）Ｎａを有する凸レンズ１５２と屈折率（第２の屈折率）Ｎｂを有する凹レンズ１５４とが貼り合わされて構成される。受光素子１２０側では、対物レンズ１１４と異なり収差はそれ程重要視されないので、凸レンズ１５２の端面１５２ａ側および凹レンズ１５４の端面１５４ａ側は平坦に加工されていない。もちろん、上述したように端面１５２ａ，１５４ａ側を加工しても良い。その他の屈折率、屈折率差、アッベ数、アッベ数の比は、上述した第１の色消しレンズ１５０Ａと同様の構成である。この第２の色消しレンズ１５０Ｂで色収差が補正された反射光Ｌrは非点成生レンズ１１８に入射される。
【００３０】
非点成生レンズ１１８は、円柱を軸方向に２つに割った形状をなし、曲率がある断面では光を集光・発散させ、平面の断面内では光をそのまま透過させる。非点成生レンズ１１８に入射された反射光Ｌｒは受光素子１２０に集光される。
【００３１】
受光素子１２０は、非点成生レンズ１１８により集光された反射光Ｌｒに基づいてフォーカスエラー信号ＳFEを生成してサーボ制御部２１０に供給する。受光素子１２０は、４分割ダイオードにより構成されている。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、４分割ダイオードに集光される反射光Ｌｒのビーム径を示す図である。被測定面ＴＧが対物レンズ１１４の焦点距離ｆ１（図１参照）にあるときには、図５（Ａ）に示すように、集光された光が円形の光スポットＬRになる。また、対物レンズ１１４が被測定面ＴＧに対して焦点距離ｆ１より遠ざかると、図５（Ｂ）に示すように、横に広がった楕円形の光スポットＬRxになり、焦点距離ｆ１より近づくと図５（Ｃ）に示すように、縦に広がった楕円形の光スポットＬRyになる。
【００３２】
ここで、分割された各フォトダイオードから出力される出力信号をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、焦点距離ｆ１のずれを表すフォーカスエラー信号ＳFEは、以下式（１）で与えられる。  
ＳFE＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）      （１）
このとき、上記式（１）で与えられるフォーカスエラー信号ＳFEは図６のグラフに示すような特性を有する。図６の特性において、原点Ｏを合焦位置とし、対物レンズ１１４と被測定面ＴＧとの間の距離をｄとするとき、原点Ｏにおいて、焦点距離ｆ１と距離（焦点位置）ｄとが等しくなる。
【００３３】
図１に戻り、サーボ制御部２１０は、受光素子１２０から出力されるフォーカスエラー信号ＳFEに基づいて対物レンズ１１４の焦点位置の調整を行う。このサーボ制御部２１０は、図示しないサーボアンプと比較回路とを有する。サーボアンプは、供給されたフォーカスエラー信号ＳFEを増幅して比較回路に供給する。比較回路は、予め設定されている基準値とフォーカスエラー信号ＳFEとを比較する。基準値は、焦点距離ｆ１との誤差が許容できる範囲内に設定され、例えば比較回路のＲＯＭに記憶されている。サーボ制御部２１０は、基準値とフォーカスエラー信号ＳFEとを比較した結果、フォーカスエラー信号ＳFEの値が基準値の許容範囲を超える場合、フォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値となるような駆動信号（電流信号）Ｓdを生成してアクチュエータ３００に供給する。
【００３４】
アクチュエータ３００は、可動コイル３０２と永久磁石３０４と連結部材５００とを有する。この可動コイル３０２の下部には連結部材５００の上端部が取り付けられる。連結部材５００の下端部には対物レンズ１１４が取り付け、固定される。可動コイル３０２は、サーボ制御部２１０により供給された駆動信号Ｓdに従ってフォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値となるように連結部材５００を矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動させる。この移動に連動して、連結部材５００に一体的に取り付けられている対物レンズ１１４も矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動し、被測定面ＴＧとの間の距離ｄが常に対物レンズ１１４の焦点距離ｆ１に等しい値となるようにフィードバック制御される。なお、アクチュエータ３００は、図２に示すように、対物レンズ１１４の近傍に取り付けても良い。
【００３５】
アクチュエータ３００としてボイスコイルモータを使用しているので、被測定面ＴＧの変位に対する直線性が高い。ボイスコイルモータは、可動コイル３０２に供給される電流に対して直線的に変位するモータだからである。したがって、可動コイル３０２に供給される電流を測定することにより簡易に変位量の検出も行うこともできる。なお、アクチュエータ３００としては、ボイスコイルモータに限られず、ＤＣサーボモータ、ステッピングモータあるいは圧電素子等に代替しても良い。
【００３６】
変位量測定部４００は、リニアスケール４０８と格子干渉計４０２とを有する。リニアスケール４０８は、例えばクロムからなる目盛（遮光パターン）４０６が所定ピッチで形成されたものであり、連結部材５００の所定位置に取り付け、固定される。リニアスケール４０８には、目盛４０６の略中央位置に原点４１０が設けられる。ここで、リニアスケール４０８の目盛４０６は、対物レンズ１１４の光軸Ｌoの延長線Ｏa上に合わせて付けられている。言い換えれば、リニアスケール４０８が対物レンズ１１４の光軸Ｌoに対して同軸（インライン）上に配置されていることになる。なお、リニアスケール４０８としては、例えば、光の干渉縞を目盛４０６として記録した光学式スケール（ホログラムスケール）を用いることができる。光学式スケールに代替して、磁気式スケールまたは容量式スケールを用いてもよい。
【００３７】
格子干渉計４０２は、筐体１８０（図２参照）に固定され、リニアスケール４０８の目盛４０６の値を読み取って目盛読み取り信号Ｓvを生成し、生成した目盛読み取り信号Ｓvを信号処理部４０４に供給する。被測定面ＴＧが変位したときには、焦点距離ｆ１を保持するように対物レンズ１１４とリニアスケール４０８とが同一方向に同一距離だけ変位するので、格子干渉計４０２はこの変位量をリニアスケール４０８の目盛４０６から読み取る。格子干渉計４０２は、光軸Ｌoの延長線Ｏaの方向の上下方向、矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動させることが可能であり、その移動した地点で筐体１８０等に固定することが可能である。
【００３８】
信号処理部４０４は、格子干渉計４０２から出力された目盛読み取り信号Ｓvに基づいて被測定面ＴＧの変位量を算出する。そして、信号処理部４０４は、制御部２００からの制御信号Ｓsに基づいて所定の画像信号処理を行い、算出した変位量に基づく画像信号Ｓiを生成して表示部１４０に出力する。信号処理部４０４により生成された画像信号Ｓiは図示しないデータロガーに記憶しても良い。
【００３９】
表示部１４０は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display），ＰＤＰ（Plasma Display Panel）またはＥＬ(Electro Luminescence)等から構成される。表示部１４０は、信号処理部４０４から出力された画像信号Ｓiに基づく表示を行い、表示部１４０の画面上に被測定面ＴＧの変位を表示する。これにより、容易に自動計測が可能になる。
【００４０】
制御部２００は、サーボ制御部２１０および信号処理部４０４の動作を制御するものであり、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)とＲＯＭ(Read-Only Memory)とＲＡＭ(Random Access Memory)とから構成される。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、偏光ビームスプリッタ１０８とλ／４板１１０との間の光路上に第１の色消しレンズ１５０Ａを配置すると共に、偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間の光路上に第２の色消しレンズ１５０Ｂを配置することで、射出光Ｌや反射光Ｌrの波長変動による焦点距離のずれを補正することができる。これにより、対物レンズ１１４を含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００４２】
また、第１の色消しレンズ１５０Ａは筐体１８０に固定され、対物レンズ１１４とは別体で設けられるため、対物レンズ１１４を含む可動部７００の軽量化を図ることができる。これにより、可動部７００を安定かつ正確に動作させることができ、被測定面ＴＧの変位を高精度に検出することができる。
【００４３】
また、上述した変位検出装置１０によって得られた変位量は、対物レンズ１１４と一体的に移動するようにされたリニアスケール４０８が対物レンズ１１４の光軸Ｌoと同軸上、いわゆるインライン上に配置されていることから、アッベ誤差が発生しない。このため、リニアスケール４０８の変位量と対物レンズ１１４の変位量とが１：１に対応するので、きわめて高精度に変位量を検出することができる。
【００４４】
また、リニアスケール４０８の検出範囲（目盛４０６のフルスケール）内であれば、検出精度を損なうことなく広い検出範囲が得られる。
【００４５】
また、フィードバック制御としているので、被測定面ＴＧの反射率によってフォーカスエラー信号ＳFEの感度が変わってしまっても測定誤差が生じないうえサーボ系やアクチュエータ３００の素子のばらつきやドリフトを原因として誤差が発生することがなく、調整・校正の手間が省略できて長期に渡って安定した検出を行うことができる。
【００４６】
さらに、リニアスケール４０８に原点４１０を形成することにより、その原点４１０の位置を基準位置として被測定面ＴＧの変位量を検出することができるという利点を有する。
【００４７】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、上述した第１の実施の形態で説明した変位検出装置１０，非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４８】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る非接触センサ１００Ｂの構成例を示す図である。非接触センサ１００Ｂは、図７に示すように、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、偏光ビームスプリッタ１０８と、第１の色消しレンズ１５０Ａと、第２の色消しレンズ１５０Ｂと、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、対物レンズ１１４と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。なお筐体１８０は便宜上省略している。
【００４９】
第１の色消しレンズ１５０Ａは、光学的色消し部材の一例であり、光源１０２の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。第１の色消しレンズ１５０Ａは、コリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間であって、コリメートレンズ１０４により変換された平行光中に配置されている。第１の色消しレンズ１５０Ａは、凸レンズ１５２と凹レンズ１５４とが貼り合わされて構成され、凸レンズ１５２の光源１０２側の端面１５２ａおよび凹レンズ１５４の対物レンズ１１４側の端面１５４ａのそれぞれは平坦に加工されている（図４（Ａ）参照）。
【００５０】
第２の色消しレンズ１５０Ｂは、偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間に配置され、偏光ビームスプリッタ１０８で反射した反射光Ｌrの色収差を補正する。第２の色消しレンズ１５０Ｂの構成は、上述した第２の色消しレンズ１５０Ｂと同様の構成のものが用いられる（図４（Ｂ）参照）。
【００５１】
本実施の形態によっても、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施の形態では、コリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間の光路上に第１の色消しレンズ１５０Ａを配置すると共に偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間の光路上に第２の色消しレンズ１５０Ｂを配置する。これにより、対物レンズ１１４を含む光路上のレンズによって生じる色収差を補正することができ、高い安定性かつ高精度に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００５２】
［第３の実施の形態］
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。上記第１および第２の実施の形態では光学的色消し部材として第１および第２の色消しレンズ１５０Ａ，１５０Ｂを用いていたが、本実施の形態では光学的色消し部材として回折型光学素子１６０を用いる点において異なっている。なお、上述した第１の実施の形態で説明した変位検出装置１０，非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５３】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る非接触センサ１００Ｃの構成例を示す図である。非接触センサ１００Ｃは、図８に示すように、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、偏光ビームスプリッタ１０８と、回折型光学素子１６０と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４と、第２の対物レンズ１１６と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。なお筐体１８０は便宜上省略している。
【００５４】
回折型光学素子１６０は、光学的色消し部材の一例であり、光源１０２の温度変化によって波長変動によって生じる色収差を補正するものである。本例では、回折型光学素子１６０の一例として第１および第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ，１６０Ｂを用いている。
【００５５】
図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａの構成例を示す図である。第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａは、コリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間であって、コリメートレンズ１０４により平行光に変換された射出光Ｌ中に配置される。第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａはガラス基板上に輪帯状の凹凸が形成されて構成されている。
【００５６】
ここで、図９（Ｂ）に示すように、第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ（輪帯）の中心からｋ番目の輪帯の境界をｒｋとし、使用される光の波長をλとすると、第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａの焦点距離は下記式（２）で与えられる。  
Ｆｆ＝ｒｋ2／ｋλ      （２）
【００５７】
輪帯の凹部の深さｈは下記式（３）で与えられる。  
ｈ＝０．５λ／（ｎ−１）      （３）  
ｎは第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａに用いられる基板材料の光学的屈折率である。
【００５８】
このとき、波長がδλ変化する場合、焦点距離の変化量δＦｆは下記式（４）で与えられる。  
δＦｆ＝−（δλ／λ）Ｆｆ      （４）
すなわち、波長がδλだけシフトする場合、焦点距離は比例して短くなることを意味する。そのため、波長が長い方向へシフトすると焦点距離は短くなるので、第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａを用いることで効果的に色収差が補正できる。
【００５９】
第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ｂは、偏光ビームスプリッタ１０８と第２の対物レンズ１１６との間に配置される。第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ｂは、上述した第１のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａと同様の構成である。
【００６０】
なお、上述した第１および第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ，１６０Ｂを利用した場合、回折効率は例えば４１％である。そこで、さらに回折効率を向上させるために、第１および第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ，１６０Ｂ以外に他の回折型光学素子１６０を用いることもできる。
【００６１】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、他の回折型光学素子１６０の構成例を示す図である。他の回折型光学素子１６０として、図１０（Ａ）に示すように多段フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｃや、図１０（Ｂ）に示すようにブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｄを用いることもできる。さらに、他の回折型光学素子１６０として、図１０（Ｃ）に示すように、断面が中心から外へ向けて空間周波数を変調させたフレネル・レンズ１６０Ｅを用いることもできる。
【００６２】
本実施の形態によれば、第１および第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ，１６０Ｂを用いた場合よりも回折効率を向上させることができる。
【００６３】
［第４の実施の形態］
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、第１の対物レンズ１１４と受光素子１２０との間の一箇所にのみ回折型光学素子１６０を配置している点において上記第１の実施の形態と異なっている。なお、上述した第１の実施の形態で説明した変位検出装置１０，非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６４】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る非接触センサ１００Ｄの構成例を示す図である。非接触センサ１００Ｄは、図１１に示すように、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、偏光ビームスプリッタ１０８と、回折型光学素子１６０と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４と、第２の対物レンズ１１６と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。なお筐体１８０は便宜上省略している。
【００６５】
回折型光学素子１６０は光学的色消し部材の一例であり、本例では回折型光学素子１６０の一例としてフレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆを用いている。フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆは、上述した第１および第２のフレネル・ゾーン・プレート１６０Ａ，１６０Ｂと同様の構成である。なお、フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆ以外にも上述した多段フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｃやブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｄ、フレネル・レンズ１６０Ｅを用いても良い。
【００６６】
フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆは偏光ビームスプリッタ１０８と第２の対物レンズ１１６と間に配置されている。フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆはその波長分散がレンズに比べて絶対値で一桁大きく、レンズとは真逆の機能を有する。すなわち、レンズは波長が長い方向へシフトすると焦点距離も長くなるのに対し、フレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆ等の回折型光学素子では焦点距離が短い方向へシフトする。ここで、受光素子１２０側では、コリメートレンズ１０４や偏光ビームスプリッタ１０８、第１の対物レンズ１１４等の光学素子を経た光束（反射光Ｌr）が到達するので、波長変動の影響が大きく現れる。そこで、本実施の形態においては、受光素子１２０側の偏光ビームスプリッタ１０８と第２の対物レンズ１１６との間にフレネル・ゾーン・プレート１６０Ｆを配置することで、効果的に色収差の補正を行うことができる。
【００６７】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
【００６８】
例えば、アクチュエータ３００としては、ボイスコイルモータに限られず、ＤＣサーボモータ、ステッピングモータあるいは圧電素子等に代替しても良い。
【００６９】
また上記第１の実施の形態では、フォーカスエラー信号ＳFEを得るために非点収差法を利用しているが、これに限らず、臨界角法、ナイフエッジ法等に代替しても良い。いずれの方法においても、フォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値になるように制御するので、被測定面ＴＧの反射率が異なっても精度良く変位を検出することができる。
【００７０】
さらに、光源１０２，偏光ビームスプリッタ１０８，ミラー１１２，受光素子１２０から構成される検出光学系は、連結部材５００に取り付けて、対物レンズ（第１の対物レンズ）１１４と一体的に移動するように構成しても良く、筐体１８０に固定しても良い。対物レンズ１１４と一体的に移動するように構成することにより、変位量の検出範囲がリニアスケール４０８のフルスケールに拡大する。筐体１８０に固定するようにした場合、すなわち、分散型に構成した場合には、アクチュエータ３００を比較的小さくすることができ、対物レンズ１１４等を含む変位検出装置１０の重量を軽くすることができる。これによって、変位量をより高速に検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。
【図２】非接触センサ部の構成を示す斜視図である。
【図３】非接触センサの固定部と可動部を示す図である。
【図４】第１および第２の色消しレンズの構成を示す図である。
【図５】受光素子の受光動作を示す図である。
【図６】フォーカスエラー信号の特性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。
【図９】回折型光学素子の構成を示す図である（その１）。
【図１０】回折型光学素子の構成を示す図である（その２）。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る非接触センサ部の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０・・・変位検出装置、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ・・・非接触センサ、１０２・・・光源、１０４・・・コリメートレンズ、１１４・・・対物レンズ、１２０・・・受光素子、１５０Ａ・・・第１の色消しレンズ、１５０Ｂ・・・第２の色消しレンズ、１５２・・・凸レンズ、１５２ａ・・・端面、１５４・・・凹レンズ、１５４ａ・・・端面、１６０・・・回折型光学素子、１６０Ａ・・・第１のフレネル・ゾーン・プレート、１６０Ｂ・・・第２のフレネル・ゾーン・プレート、１６０Ｄ・・・ブレーズ化フレネル・ゾーン・プレート、１６０Ｅ・・・フレネル・レンズ、１８０・・・筐体、２１０・・・サーボ制御部、４００・・・変位量測定部、４０２・・・格子干渉計、４０８・・・リニアスケール、ＳFE・・・フォーカスエラー信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図９】
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