(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを通して測定面に投射される光ビームの重心を、対物レンズに対する入射角を変えることなく、測定面と略平行な方向に振動させ、
測定面から反射される光ビームの重心位置を直接検出し、
該検出された重心位置の変化に基づいて、測定面の合焦位置からのずれの方向と量を検出することを特徴とするフォーカシング誤差検出方法。
【請求項２】
対物レンズ径に比べて微細な光ビームを発生するビーム投光手段と、
該光ビームの重心を、対物レンズに対する入射角を変えることなく、測定面と略平行な方向に振動させる光振動手段と、
合焦状態を検出すべき焦点を有する対物レンズと、
測定面から反射される光ビームの重心位置を直接検出するための重心位置検出手段と、
前記対物レンズを通して測定面に投射される光ビームの重心の振動状態と同期して、前記重心位置検出手段出力の受光信号を検出するための同期検波手段とを備え、
該同期検波手段の出力に基づいて、測定面の合焦位置からのずれの方向と量を検出することを特徴とするフォーカシング誤差検出装置。
【請求項３】
前記光振動手段が、前記光ビームを測定面と平行に振動させることを特徴とする請求項２に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項４】
前記ビーム投光手段が複数のレーザ光源とされ、前記光振動手段が、各レーザ光源を順次オンオフすることにより、光ビームの位置を測定面と平行な方向に振動させることを特徴とする請求項３に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項５】
前記光ビームの偏光方向が、互いに異なるものとされ、偏光方向に応じて出射位置が変化する手段により、光ビームの位置を測定面と平行な方向に振動させることを特徴とする請求項４に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項６】
前記ビーム投光手段が単一のレーザ光源とされ、前記光振動手段が、光ビームの偏光方向を変える手段と偏光方向に応じて出射位置が変化する手段の組合せにより、光ビームの位置が測定面と平行な方向に振動させることを特徴とする請求項３に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項７】
前記光ビームの偏光方向を変える手段が、電気光学変調器であることを特徴とする請求項６に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項８】
前記ビーム投光手段が、クロックパルスによりオンオフされるパルスレーザ光源とされ、
前記光振動手段が、該パルスレーザ光源の出力を、そのまま測定面に投射する手段と、前記クロックパルスの１／２周期相当だけ遅延させ、且つ、投射位置をずらして測定面に投射する手段と、を含むことを特徴とする請求項３に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項９】
前記ビーム投光手段が、クロックパルスによりオンオフされるパルスレーザ光源とされ、
前記光振動手段が、該パルスレーザ光源出力と、該パルスレーザ光源出力を前記クロックパルスの１／２周期相当だけ遅延させると共に、偏光方向を変えた光とを合成する手段と、
偏光方向に応じて出射位置が変化する手段と、を含むことを特徴とする請求項３に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項１０】
前記偏光方向に応じて出射位置が変化する手段が、複屈折結晶である請求項５、６、９のいずれかに記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項１１】
前記パルスレーザ光源の出力をクロックパルスの１／２周期相当だけ遅延させる手段が、光ファイバループである請求項８又は９に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項１２】
前記光ファイバループの途中を切断し、角度をずらして再び融着接続することにより、偏光方向が変わるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項１３】
前記重心位置検出手段出力の受光信号の低周波成分を遮断して、高周波成分のみを前記同期検波手段に入力するためのハイパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項２乃至１２のいずれかに記載のフォーカシング誤差検出装置。
【請求項１４】
前記同期検波手段出力のリップル成分を除去するローパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項２乃至１３のいずれかに記載のフォーカシング誤差検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対物レンズに対する測定面の合焦面からのずれを表わすフォーカシング誤差を検出するためのフォーカシング誤差検出方法及び装置に係り、特に、光触針法による表面位置検出に用いるのに好適なフォーカシング誤差検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式変位測定装置、光学式粗さ乃至凹凸測定装置、レンズの焦点位置検出装置等に用いられるフォーカシング誤差検出技術としては、例えば野田和夫監修、日本工業技術センター発行の「光ピックアップシステム設計の要点」第１５０−１６０頁に記載されているように、次のようなものがある。
【０００３】
（ｉ）集束ビームの焦点にナイフエッジを入れるか、あるいは、焦点に２分割フォトダイオードを入れ、前方にナイフエッジを入れるナイフエッジ法（特に第１５３頁図７．１９参照）。
【０００４】
（ｉｉ）該ナイフエッジ法におけるナイフの代わりにウェッジプリズムを用いるウェッジプリズム法（フーコー法とも称する）（特に第１５４頁図７．２１参照）。
【０００５】
（ｉｉｉ）円柱レンズにより光ビームのＸ軸方向の焦点とＹ軸方向の焦点とを異ならせることにより、両者の中程に円形形状のビームが得られることを利用する非点収差法（特に１５２頁図７．１６参照）。
【０００６】
（ｉｖ）臨界角プリズムに対する入射角が臨界角以上であれば境界面で全反射し、臨界角未満であれば全反射せず、屈折してきた光が透過する現象を利用した臨界角法（特に１５６頁図７．２３参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォーカシング誤差検出方法においては、いずれも、受光素子や投光手段の光軸調整に精密さが要求され、部品の位置決めに時間がかかる。又、フォーカシング誤差の検出範囲が、数十μｍから百μｍと狭い。従って、フォーカスサーボを行う際には、ロジカルシーケンスを用いて、フォーカスサーボの合焦可能範囲へ引き込みを行う必要がある。又、フォーカシング誤差信号を見失い易く、大きな急変位に対して、フォーカスサーボが外れ易い。更に、直流光を検出しているため、外乱光（照明光等の直流〜６０Ｈｚの低周波のもの）の影響を受け易い。又、受光素子のドリフトの影響を受ける等の問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、光学部品の位置決めの調整状態や受光素子のドリフトの影響を受け難く、且つ、ダイナミックレンジが広いフォーカシング誤差検出方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フォーカシング誤差検出に際して、対物レンズを通して測定面に投射される光ビームの重心を、対物レンズに対する入射角を変えることなく、測定面と略平行な方向に振動させ、測定面から反射される光ビームの重心位置を直接検出し、該検出された重心位置の変化に基づいて、測定面の合焦位置からのずれの方向と量を検出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
本発明は、又、フォーカシング誤差検出装置において、対物レンズ径に比べて微細な光ビームを発生するビーム投光手段と、該光ビームの重心を、対物レンズに対する入射角を変えることなく、測定面と略平行な方向に振動させる光振動手段と、合焦状態を検出すべき焦点を有する対物レンズと、測定面から反射される光ビームの重心位置を直接検出するための重心位置検出手段と、前記対物レンズを通して測定面に投射される光ビームの重心の振動状態と同期して、前記重心位置検出手段出力の受光信号を検出するための同期検波手段とを備え、該同期検波手段の出力に基づいて、測定面の合焦位置からのずれの方向と量を検出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記光振動手段が、前記光ビームを測定面と平行に振動させるようにして、位置調整を容易としたものである。
【００１２】
又、前記ビーム投光手段を複数のレーザ光源とし、前記光振動手段が、各レーザ光源を順次オンオフすることにより、光ビームの位置を測定面と平行な方向に振動させるようにしたものである。
【００１３】
更に、前記光ビームの偏光方向を、互いに異なるものとし、偏光方向に応じて出射位置が変化する手段（例えば複屈折結晶）により、光ビームの位置を測定面と平行な方向に振動させるようにしたものである。
【００１４】
あるいは、前記ビーム投光手段を単一のレーザ光源とし、前記光振動手段が、光ビームの偏光方向を変える手段（例えば電気光学変調器）と偏光方向に応じて出射位置が変化する手段（例えば複屈折結晶）の組合せにより、光ビームの位置を測定面と平行な方向に振動させるようにしたものである。
【００１６】
又、前記ビーム投光手段を、クロックパルスによりオンオフされるパルスレーザ光源とし、前記光振動手段が、該パルスレーザ光源出力を、そのまま測定面に投射する手段（例えば光ファイバ）と、前記クロックパルスの１／２周期相当だけ遅延させ、且つ、投射位置をずらして測定面に投射する手段（例えば光ファイバループ）と、を含むようにしたものである。
【００１７】
あるいは、前記ビーム投光手段を、クロックパルスによりオンオフされるパルスレーザ光源とし、該パルスレーザ光源出力と、該パルスレーザ光源出力を前記クロックパルスの１／２周期相当だけ遅延させると共に、偏光方向を変えた光とを合成する手段（例えば光ファイバループ）と、偏光方向に応じて出射位置が変化する手段（例えば複屈折結晶）とを含むようにしたものである。
【００１８】
又、前記光ファイバループの途中を切断し、角度をずらして再び融着接続することにより、偏光方向が変わるようにしたものである。
【００２１】
又、前記重心位置検出手段出力の受光信号の低周波成分を遮断して、高周波成分のみを前記同期検波手段に入力するためのハイパスフィルタを設けたものである。
【００２２】
又、前記同期検波手段出力のリップル成分を除去するローパスフィルタを設けたものである。
【００２３】
本発明においては、図１に示す如く、測定面１０の合焦状態を検出すべき焦点を有する対物レンズ１２へ細い光ビーム１４を入射し、光強度の重心を、矢印Ａに示す如く、対物レンズに対する入射角を変えることなく、測定面１０と略平行な方向に振動（移動）させる。即ち、対物レンズ１２の光軸１２Ａに垂直な面内での光量分布を、時間経過と共に、光ビーム１４ａと１４ｂの間で周期的に変化させる。
【００２４】
すると、対物レンズ１２からの出射光ビームの重心位置の時間経過に対する挙動は、対物レンズ１２の焦点のある面（合焦面）では静止し、焦点ずれの位置の面では振動する。この光ビームの重心の振動は、測定面１０が焦点より対物レンズ１２に近いか遠いかにより、位相が逆相になり、振幅は焦点ずれ量と共に増大する。
【００２５】
従って、反射光ビームを、適当な光学系を用いて、別の位置に移し、例えば半導体位置検出素子（ＰＳＤ）等の光ビームの重心位置を検出するセンサで直接検出する。これにより、光ビームの重心の変位に比例する電圧出力を得て、これを振動周期に同期する形で同期検波すれば、焦点ずれの距離を電圧の大きさで、方向を電圧の符号で得ることができる。
【００２６】
従って、フォーカシング誤差の検出範囲を拡大することが可能となり、予め合焦可能範囲に入れるためのフォーカスサーボへの引き込み動作が不要となる。又、信号を見失い難くなり、フォーカスサーボが外れ難くなる。
【００２７】
又、フォーカシング誤差信号の帯域を、変調により高周波数域へ移行して復調するという方式を採用することにより、光学部品の光軸調整において精密さが不要となる。又、受光素子のドリフトの影響を抑圧できる。更に、外乱光の影響を抑圧できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
本発明の第１実施形態は、図２に示す如く、検出すべき焦点を有する対物レンズ１２の径と比べて微細な光ビーム１４を発生するビーム光源２０と、該光ビーム１４を測定面１０と平行な方向に振動させるための光振動装置３０と、測定面１０からの反射光を入射光から分離するための無偏光ビームスプリッタ（例えばハーフミラー）５２と、該ビームスプリッタ５２により分離された反射光を収束させるための検出レンズ５４と、該検出レンズ５４を通過した光ビームの光強度の重心位置を検出するための重心位置検出器６０と、該重心位置検出器６０出力の受光信号の低周波成分を遮断して、高周波成分のみを通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６６と、前記ビーム光源２０及び光振動装置３０を駆動するクロックパルス信号に同期して、前記重心位置検出器６０出力の受光信号を検出する同期検波回路７０と、該同期検波回路７０出力の高い周波数のリップル成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８０とを備えている。
【００３０】
前記対物レンズ１２は、測定面１０に収束光を与えると共に、測定面１０からの反射光を伝達する。
【００３１】
前記光振動装置３０からの出力光は、クロックパルス信号に同期して、例えばパルスのハイレベル時は図の白矢印、ローレベル時は黒矢印というように、光ビームの軌跡が変化する形で振動する。
【００３２】
前記重心位置検出器６０は、光ビームの受光面を有し、該受光面上に照射された光ビームの光強度の重心位置を検出する光電変換素子（例えばＰＳＤ）と、その信号処理回路からなる。該光電変換素子は、対物レンズ１２の焦点に測定面があるときに、光電変換素子面上に、検出レンズ５４の焦点が存在するように配置される。
【００３３】
前記同期検波回路７０は、図３に詳細に示す如く、アナログスイッチ７５により交互にオンオフされる非反転アンプ７３及び反転アンプ７４を備えたロックインアンプ７２と、クロックパルス信号の位相を調整して、位相を合わせるための位相調整回路５８と、を備えており、該位相調整回路５８で位相を調整したクロックパルス信号により前記アナログスイッチ７５を切替えることによって、ＨＰＦ６６の出力の同期検波を行うようにされている。
【００３４】
本実施形態における、測定面１０の位置とフォーカシング誤差検出信号との対応関係を図４（合焦時）、図５（測定面が合焦位置よりも対物レンズに近い時）及び図６（測定面が合焦位置よりも対物レンズから遠い時）に示す。図４に示すように、測定面１０が合焦位置にある時、重心位置検出器６０の出力電圧の振動成分は零であり、測定面が合焦位置からずれると、重心位置検出器６０の出力電圧には振動成分が生じ、ずれる方向によって逆位相になる。又、振動の振幅は、位置ずれの大きさに伴って増大する。
【００３５】
又、ＨＰＦ６６省略時の前記同期検波回路７０の出力の例を図７に示す。図から明らかなように、測定面が合焦位置にある時、ＬＰＦ８０通過後の同期検波回路７０の出力電圧の平均レベルは零であり、測定面が合焦位置からずれると、平均レベルが零でない電圧になる。その電圧レベルは、ずれる方向によって逆符号になり、電圧の大きさは、位置ずれの大きさに伴って増大する。
【００３６】
なお、ＨＰＦ６６がある時は、重心位置検出器６０出力の直流分がカットされ、オフセットが除去されて、同期検波回路７０への入力の平均レベルが零となるるので、速い信号に有効である。
【００３７】
本実施形態においては、同期検波回路７０の出側にＬＰＦ８０を設けているので、合焦時の出力レベルを確実に零とすることができる。なお、原理的には、ＨＰＦ６６があればＬＰＦ８０は省略可能であるが、実際には、検出素子の応答遅れ等により切替えノイズが入るので、ＨＰＦ６６とＬＰＦ８０を併用するのが有効である。なお、必要に応じて、いずれか一方を省略することも可能である。
【００３８】
以下、前記ビーム光源２０と光振動装置３０の組合せの具体的な構成例について詳細に説明する。
【００３９】
第１の構成例は、図８に示す如く、偏光度が大きいか、又は偏光子を用いて偏光度が大きくされたレーザ光を発生する２つのレーザ光源２１、２２と、該レーザ光源２１、２２を、それぞれ、クロックパルス信号の１／２周期毎に交互にパルス発光させるための、レーザ光源用のドライバ２３、２４と、一方のレーザ光源２２用のドライバ２４に入力されるクロックパルス信号を反転するためのインバータ２５と、前記レーザ光源２１、２２の出力レーザ光の偏光度の強い方向が互いに直交するように、それぞれ入力される、偏波面を保存可能な光ファイバ３１、３２と、光の洩れを利用して、一方の光ファイバ３２のレーザ光の一部を他方の光ファイバ３１に入射するための、同じく偏波面を保存可能な光ファイバを用いた光カプラ（光ファイバ型ビームスプリッタ）３３と、該光カプラ３３によって合成された、クロックパルス信号の１／２周期毎に偏光の方向が９０°変化する光ビームを平行光とするための光ファイバ用コリメートレンズ３４と、該コリメートレンズ３４から出射される平行光が入射され、該光ビームの偏光方向の一方が常光線として出射され、他方が異常光線として出射されるように、コリメートレンズ３４との位置関係が調整された複屈折結晶３５とを含んで構成されている。
【００４０】
従って、例えば、複屈折結晶３５を真っ直ぐ通過する常光線を一方の光ビーム１４ａとし、複屈折結晶３５によって屈折した後、平行に出射される異常光線を例えば他方の光ビーム１４ｂとすることによって、微細な光ビームを周期的に平行移動（振動）させることができる。
【００４１】
次に、図９を参照して、前記ビーム光源２０と光振動装置５０の組合せの第２の構成例を詳細に説明する。
【００４２】
この構成例は、単一のレーザ光源２１と、該レーザ光源２１から出射される光ビーム１４を平行光とするためのコリメートレンズ２６と、該コリメートレンズ２６により平行光とされた光ビーム１４の偏光方向を、例えばポッケルス効果やカー効果により回転振動するための電気光学（ＥＯ）変調器３６と、該電気光学変調器３６により偏光面が回転された光ビームを、構成例１と同様にして常光線と異常光線に分離するための複屈折結晶３５とから構成されている。
【００４３】
本構成例においては、電気光学変調器３６に、バイアス電圧と、クロックパルス信号に同期した振動電圧（パルス電圧あるいは正弦波電圧）を印加すると、屈折率が変化し、出射光の偏光方向が、振動電圧に同期した回転振動をする。従って、電気光学変調器３６の出力光ビームを複屈折結晶３５に入射することによって、第１の構成例と同様に、光ビームの光強度の重心を移動（振動）させることができる。
【００４４】
ここで、電気光学変調器３６に印加する正弦波電圧は、例えば、クロックパルス信号をローパスフィルタを通して生成することができる。
【００４９】
次に、図１０を参照して、前記ビーム光源２０と光振動装置３０の組合せの第３の構成例を詳細に説明する。
【００５０】
本構成例は、クロックパルス信号に応じたパルス電流により、クロックパルスの１／２周期毎に発光状態と未発光状態を交互に繰り返すようにされたレーザ光源２１と、該レーザ光源２１の出力レーザ光が入射される、シングルモードの光ファイバ３９と、該光ファイバ３９の途中に配設された、光の漏れを利用して、光ファイバ３９からレーザ光の一部を取出すための、同じくシングルモード光ファイバを用いた光カプラ（光ファイバ型ビームスプリッタ）４０と、該光カプラ４０により取出された光ビームが入射される、同じくシングルモード光ファイバを用いた、時間遅延用の光ファイバループ４１と、前記光ファイバ３９及び光ファイバループ４１の出力光ビームを、それぞれ平行光とするための光ファイバ用コリメートレンズ４２、４３と、を備えている。
【００５１】
本構成例において、レーザ光源２１は、クロックパルス信号の１／２周期毎に、レーザの発光状態と未発光状態を交互に繰り返している。
【００５２】
前記時間遅延用光ファイバループ４１の長さは、その中を光が伝わる時間が、クロックパルスの１／２周期相当になるように決められている。従って、２つのコリメートレンズ４２、４３からは、交互に光ビームが出射される。このようにして、光ビームの光強度の重心を移動（振動）させることができる。
【００５３】
次に、図１１を参照して、前記ビーム光源２０と光振動装置３０の組合せの第４の構成例を詳細に説明する。
【００５４】
本構成例は、クロックパルス信号の１／２周期毎にレーザの発光状態と未発光状態を交互に繰り返す、偏光度が大きなレーザ光源２１と、該レーザ光源２１の出射レーザ光が入射される、偏波面を保存可能な光ファイバ３１と、光の漏れを利用して、該光ファイバ３１からレーザ光の一部を取出すための、同じく偏波面を保存可能な光ファイバを用いた光カプラ（光ファイバ型ビームスプリッタ）３３と、該光カプラ３３によって取出された光を、クロックパルスの１／２周期だけ遅らせると共に、偏光方向を９０°変えるための光ファイバループ４４と、該光ファイバループ４４からの出射光を再び光ファイバ３１に入射するための、偏波面を保存可能な光ファイバを用いた光カプラ４５と、該光カプラ４５によって合成された光を平行光とするための光ファイバ用コリメートレンズ３４と、該コリメートレンズ３４から出射される、偏光方向が異なる光を平行光に分離するための複屈折結晶３５とを備えてなる。
【００５５】
この構成例において、レーザ光源２１は、クロックパルス信号の１／２周期毎に発光状態と未発光状態を交互に繰り返す。
【００５６】
光ファイバ３１内を光を伝わる時間が、クロックパルスの１／２周期相当になるように、光ファイバループ４４の長さが決められ、且つ、該光ファイバループ４４の出力端と２つ目の光カプラ４５との融着接続は、９０°スプライス部４４ａにおいて、互いに光ファイバの光学軸を９０°ずらして行われている。
【００５７】
従って、コリメートレンズ３４から出射される光ビームは、クロックパルス信号の１／２周期毎に偏光の方向が９０°変化する細い平行光となる。
【００５８】
従って、該コリメートレンズ３４から出射される光ビームの偏光方向の一方が複屈折結晶３５の常光線として出射され、偏光方向の他方が異常光線として出射されるように、コリメートレンズ３４と複屈折結晶３５の配置を調整することによって、微細な光ビームを周期的に平行移動（振動）させることが可能となる。
【００５９】
なお、前記実施形態及び構成例は、いずれも、対物レンズ１２に入射する光が平行光である無限仕様型とされていたので、光振動装置３０、ビームスプリッタ５２、対物レンズ１２間の間隔を任意に変更することができ、位置調整が容易である。
【００６２】
なお、前記ビーム光源２０と光振動装置５０の組合せの構成例としては、図１０の第３構成例からコリメートレンズ３８を除いたものを用いることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、フォーカシング誤差の検出範囲を拡大することができ、フォーカスサーボへの引き込み動作を不要とし、フォーカスサーボを外れ難くすることができる。
【００６４】
又、フォーカシング誤差信号の帯域を、変調により高周波数域へ移行して復調するという方式を採用することにより、光学部品の光軸調整において、精密さが不要になる。更に、受光素子のドリフトの影響を抑止できる。又、外乱光の影響を抑圧できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための光路図
【図２】本発明の第１実施形態の構成を示す、一部ブロック図を含む光路図
【図３】前記第１実施形態で用いられている同期検波回路とその周辺回路の例を示す回路図
【図４】本発明の原理を説明するための、合焦時の光ビームの状態と同期検波器の出力を示す線図
【図５】同じく、測定面が合焦位置よりも対物レンズに近い時の光ビームの状態と同期検波器の出力の例を示す線図
【図６】同じく、測定面が合焦位置よりも対物レンズから遠い時の光ビームの状態と同期検波器の出力の例を示す線図
【図７】前記第１実施形態における、測定面の位置と同期検波回路の出力の例を比較して示す線図
【図８】前記第１実施形態で用いることが可能な、ビーム光源と光振動装置の組合せの第１の構成例を示す、一部ブロック線図を含む光路図
【図９】同じく第２の構成例を示す光路図
【図１０】同じく第３の構成例を示す光路図
【図１１】0003632834.tif 000002
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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