(57)【要約】      （修正有）【課題】非接触光学変位検出装置において、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着、被測定面の傾きの影響を受けることなく正確に変位情報を得る。【解決手段】被測定面ＴＧにより変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光量を受光部８により受光し、受光部８により検出された検出光の光量から被測定面ＴＧの傾斜に起因する受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを演算処理部２０により生成し、演算処理部２０により生成されたフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを用いて、対物レンズ５によって集光された照射光の焦点が被測定面ＴＧの手前側又は奥側に位置するときに、フォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥの値が０になるように、フォーカス制御部３０によりフォーカスサーボを掛ける。【選択図】図１
2014025699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位量測定用の照射光を出射する光源と、
上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、
上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、
上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、
上記受光部により検出された上記検出光の光量から上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成する演算処理部と、
上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、
上記フォーカスエラー信号を用いて上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と
を備える変位検出装置。
【請求項２】
上記受光部は、上記検出光の光量を検出する少なくとも４つに分割された受光素子からなり、
上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子における受光量に基づいて、上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
上記演算処理部は、上記受光部により検出された上記検出光の光量から算出される上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じた上でフォーカスエラー信号に加減算することにより、上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項４】
上記集光手段によって集光された上記検出光に非点収差を発生させる非点収差発生手段を備え、
上記非点収差発生手段により非点収差が発生した上記検出光の光量を上記受光部の各受光素子により検出し、
上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子の受光量から算出されるフォーカスエラー信号を上記受光部の各受光素子における受光量から算出される上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量で補正したフォーカスエラー信号を生成することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
上記受光部に入射される上記集光手段によって集光された上記検出光を少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段を備え、
上記受光部は、上記ビーム分離手段により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号を生成するための第１の受光部と、上記ビーム分離手段により分離された他方のビームを受光する上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部を有し、
上記演算処理部は、上記受光部の第１の受光部により検出された光量からフォーカスエラー信号を算出するとともに、上記受光部の第２の受光部により検出された上記検出光の光量から、上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じた上で上記第１の受光部により検出された上記検出光の光量から算出したフォーカスエラー信号にフォーカスエラー信号に加減算することにより、上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成することを特徴と請求項１記載の変位検出装置。
【請求項６】
変位量測定用の照射光を出射する光源と、
上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、
上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、
上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、
上記受光部により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号を生成する演算処理部と、
上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、
上記演算処理部により生成された位置補正信号を用いて、上記被測定面の傾斜の影響を補正した上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と
を備える変位検出装置。
【請求項７】
上記受光部は、上記検出光の光量を検出する少なくとも４つに分割された受光素子からなり、
上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子における受光量に基づいて、上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して上記位置補正信号を生成することを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項８】
上記演算処理部は、上記受光部により検出された上記検出光の光量から算出される上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じて上記位置補正信号を生成することを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項９】
上記集光手段によって集光された上記検出光に非点収差を発生させる非点収差発生手段を備え、
上記非点収差発生手段により非点収差が発生した上記検出光の光量を上記受光部の各受光素子により検出し、
上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号を生成することを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項１０】
上記受光部に入射される上記集光手段によって集光された上記検出光を少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段を備え、
上記受光部は、上記ビーム分離手段により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号を生成するための第１の受光部と、上記ビーム分離手段により分離された他方のビームを受光する上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部を有し、
上記演算処理部は、上記受光部の第１の受光部により検出された光量からフォーカスエラー信号を算出するとともに、上記受光部の第２の受光部により検出された上記検出光の光量から、上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じて上記位置補正信号を生成することを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項１１】
変位量測定用の照射光を出射する光源と、
上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、
上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、
上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、
上記受光部により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因してシフトした当該受光部上でのビーム位置を示すビーム位置信号を生成する演算処理部と、
上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、
上記フォーカス制御部によりフォーカスサーボを掛けた状態で上記被測定面の傾斜に起因してシフトしたビーム位置における上記被測定面の位置補正信号が上記演算処理部により生成されるビーム位置信号に対応させて予め記録された補正テーブルと、
上記補正テーブルから読み出される位置補正信号を用いて、上記被測定面の傾斜の影響を補正した上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と
を備える変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。従来の変位検出装置では、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非接触センサを備える。そして、非接触センサにより発生した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、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、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（例えば、特許文献１参照）。この変位検出装置では、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:Numerioal 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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
上述した特許文献１に記載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して高分解能化が図られることで、微細な凹凸の変位測定には向くものの、被測定面に結像された光が被測定面の面組度によって散乱するため、測定面の変位測定に誤差が生じるという問題がある。
【０００６】
また、被測定面の表面に付着した微細なゴミ等を検出する場合があり、要求される被測定面の変位や形状等の変位情報が正確に得ることができない問題がある。さらに、被測定面に集光された光が被測定面上で結像するため、被測定面の温度上昇による測定への影響や、被測定面の劣化等も問題になる。
【０００７】
このように、被測定面上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に発生する誤差は、対物レンズから出た光を被測定面上で結像させずに被測定面の前後で結像させて被測定面上で一定のビーム径を確保することで、上記被測定面上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の影響を平均化させて被測定面の変位量の測定誤差を減少させることが可能となる。
【０００８】
しかしながら、被測定面が傾いたり、傾きがある部分にさしかかると、受光部上でのビーム位置が光軸と垂直方向にシフトし、その影響で位置情報信号にオフセットが発生して本来の位置情報信号に誤差が加わってしまう。これは対物レンズから出る光の結像位置を被測定面から光軸方向に前後にずらしたことによって被測定面と受光面の光学的共役の関係がくずれたためである。
【０００９】
したがって、被測定面が傾いたり、傾きがある部分にさしかかった際、上記対物レンズから出射される光の結像位置を上記被測定面から離し、被測定面上でのビーム径を大きくするほど、受光部上でビーム位置が光軸と垂直方向にシフトする量が大きくなり、本来の位置情報信号に加わる誤差が大きくなる。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の如き従来の実情に鑑みてなされたものであり、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おいて、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させ、被測定面の傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面の変位情報のみを正確に得られるようにすることを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、対物レンズから出射された変位量測定用の照射光を被測定面上で結像させずに被測定面の前後で結像させて被測定面上で一定のビーム径を確保するようにフォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の影響を平均化させて被測定面の変位量の測定誤差を減少させるとともに、上記被測定面の傾斜に起因する受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成して上記フォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面の傾斜の影響による変位量の測定誤差を減少させる。
【００１３】
すなわち、本発明に係る変位検出装置は、変位量測定用の照射光を出射する光源と、上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、上記受光部により検出された上記検出光の光量から上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成する演算処理部と、上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、上記フォーカスエラー信号を用いて上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る変位検出装置において、上記受光部は、例えば、上記検出光の光量を検出する少なくとも４つに分割された受光素子からなり、上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子における受光量に基づいて、上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するものとすることができる。
【００１５】
本発明に係る変位検出装置において、上記演算処理部は、例えば、上記受光部により検出された上記検出光の光量から算出される上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じた上でフォーカスエラー信号に加減算することにより、上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成するものとすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記集光手段によって集光された上記検出光に非点収差を発生させる非点収差発生手段を備え、上記非点収差発生手段により非点収差が発生した上記検出光の光量を上記受光部の各受光素子により検出し、上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子の受光量から算出されるフォーカスエラー信号を上記受光部の各受光素子における受光量から算出される上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量で補正したフォーカスエラー信号を生成するものとすることができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記受光部に入射される上記集光手段によって集光された上記検出光を少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段を備え、上記受光部は、上記ビーム分離手段により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号を生成するための第１の受光部と、上記ビーム分離手段により分離された他方のビームを受光する上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部を有し、上記演算処理部は、上記受光部の第１の受光部により検出された光量からフォーカスエラー信号を算出するとともに、上記受光部の第２の受光部により検出された上記検出光の光量から、上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じた上で上記第１の受光部により検出された上記検出光の光量から算出したフォーカスエラー信号にフォーカスエラー信号に加減算することにより、上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成するものとすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る変位検出装置は、変位量測定用の照射光を出射する光源と、上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、上記受光部により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号を生成する演算処理部と、上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、上記演算処理部により生成された位置補正信号を用いて、上記被測定面の傾斜の影響を補正した上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
この変位検出装置において、上記受光部は、例えば、上記検出光の光量を検出する少なくとも４つに分割された受光素子からなり、上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子における受光量に基づいて、上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して上記位置補正信号を生成するものとすることができる。
【００２０】
また、上記変位検出装置において、上記演算処理部は、例えば、上記受光部により検出された上記検出光の光量から算出される上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じて上記位置補正信号を生成するものとすることができる。
【００２１】
また、上記変位検出装置は、例えば、上記集光手段によって集光された上記検出光に非点収差を発生させる非点収差発生手段を備え、上記非点収差発生手段により非点収差が発生した上記検出光の光量を上記受光部の各受光素子により検出し、上記演算処理部は、上記受光部の各受光素子により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因する当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号を生成するものとすることができる。
【００２２】
さらに、上記変位検出装置は、例えば、上記受光部に入射される上記集光手段によって集光された上記検出光を少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段を備え、上記受光部は、上記ビーム分離手段により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号を生成するための第１の受光部と、上記ビーム分離手段により分離された他方のビームを受光する上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部を有し、上記演算処理部は、上記受光部の第１の受光部により検出された光量からフォーカスエラー信号を算出するとともに、上記受光部の第２の受光部により検出された上記検出光の光量から、上記被測定面の傾斜に伴う当該受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量に上記被測定面の傾斜に応じて予め定められた係数を乗じて上記位置補正信号を生成するものとすることができる。
【００２３】
また、本発明に係る変位検出装置は、変位量測定用の照射光を出射する光源と、上記光源から出射された変位量測定用の照射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、上記被測定面により上記変位量測定用の照射光が反射され変位量測定用の検出光の光路を上記光源から出射された変位量測定用の照射光の光路と分離する分離光学系と、上記分離光学系によって上記照射光の光路と分離された上記検出光を集光する集光手段と、上記集光手段によって集光された上記検出光の光量を検出する受光部と、上記受光部により検出された上記検出光の光量からフォーカスエラー信号を生成するともに上記被測定面の傾斜に起因してシフトした当該受光部上でのビーム位置を示すビーム位置信号を生成する演算処理部と、上記演算処理部により生成されたフォーカスエラー信号を用いて、上記対物レンズによって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛けるフォーカス制御部と、上記フォーカス制御部によりフォーカスサーボを掛けた状態で上記被測定面の傾斜に起因してシフトしたビーム位置における上記被測定面の位置補正信号が上記演算処理部により生成されるビーム位置信号に対応させて予め記録された補正テーブルと、上記補正テーブルから読み出される位置補正信号を用いて、上記被測定面の傾斜の影響を補正した上記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る変位検出装置では、対物レンズによって集光された変位量測定用の照射光の焦点が被測定面の手前又は奥側で結像されている状態でフォーカスエラー信号が０となり、上記照射光の焦点が被測定面からずれた状態で対物レンズが基準位置にあると判断する。そのため、被測定面上の変位量測定用の照射光の径（ビーム径）を所定の大きさにすることができ、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等を変位量として検出することを抑制することができる。その結果、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、光源から出射された変位量測定用の照射光を対物レンズにより被測定面上で結像させずに被測定面の前後で結像させて被測定面上で一定のビーム径を確保するようにフォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の影響を平均化させて被測定面の変位量の測定誤差を減少させることができる。また、光源から出射された変位量測定用の照射光は、被測定面上の一点で結像せずに面反射するため、被測定面の温度上昇や、被測定面の劣化等を防止或いは抑制することができる。
【００２５】
また、本発明に係る変位検出装置では、上記被測定面の傾斜に起因する受光部上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面の傾斜の影響を補正したフォーカスエラー信号を生成して上記フォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面の傾斜の影響による変位量の測定誤差を減少させることができる。
【００２６】
したがって、本発明によれば、光源を用いて被測定面の変位を検出し、その相対位置を示すことを可能にする変位検出装置において、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させ、しかも、被測定面の傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面の変位情報のみを正確に得られるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した変位検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】上記変位検出装置における受光部の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】上記受光部での非点収差発生部による照射像の一例を示す図である。
【図４】上記変位検出装置において被測定面の位置をジャストフォーカス状態とした場合のフォーカスエラー信号の特性を示す図である。
【図５】上記変位検出装置における非接触センサの構成例を示すブロック図である。
【図６】上記非接触センサの受光部での非点収差発生部による照射像の一例を示す図である。
【図７】上記非接触センサの受光部によって検出された光量から得られるフォーカスエラー信号の特性を示す図である。
【図８】上記変位検出装置における被測定面上のビーム径と発散光の角度との関係を示すグラフである。
【図９】上記被測定面が傾いた際における上記非接触センサの受光部での非点収差発生部による照射像の一例を示す図である。
【図１０】上記被測定面が傾いた時の焦点・被測定面間距離と受光面上でのビームシフト量の関係を示す図である。
【図１１】上記被測定面が傾いた際における上記非接触センサの受光部の受光面上でのビームずれを示す平面図である。
【図１２】上記変位検出装置における演算処理部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】上記変位検出装置における光源の構成例を示すブロック図である。
【図１４】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示した変位検出装置における非接触センサの受光部の構成例を模式的に示す平面図である。
【図１６】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７に示した変位検出装置における上記非接触センサの受光部の構成例を模式的に示す平面図である。
【図１９】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図２０】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図２１】上記変位検出装置における演算処理部の構成例を示すブロック図である。
【図２２】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例の要部構成を示すブロック図である。
【図２３】上記変位検出装置における演算処理部の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
本発明は、例えば図１のブロック図に示すような構成の変位検出装置１００に適用される。
【００３０】
この変位検出装置１００は、変位検出用の照射光Ｌａを対物レンズ５を介して測定対象物の被測定面ＴＧに照射して、上記被測定面ＴＧによる反射光の光量を検出する非接触センサ１０による検出信号から、演算処理部２０により生成されるフォーカスエラー信号ＳＦＥを用いて、サーボ制御部３０によりフォーカスサーボをかけて、アクチュエータ４０により対物レンズ５の焦点位置が被測定面ＴＧとなるように上記対物レンズ５を変位させ、上記フォーカスサーボによる対物レンズ５の高さ位置の変位を変位量測定部５０により被測定面ＴＧの変位として検出するものであって、非接触センサ１０、演算処理部２０、サーボ制御部３０、アクチュエータ４０、変位量測定部５０、信号処理部６０、制御部７０、表示部８０などからなる。
【００３１】
この変位検出装置１００において、上記対物レンズ５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、その焦点位置を被測定面ＴＧ近傍に合わせられるように、上記アクチュエータ４０によって移動される連結部材４１の先端に設けられたレンズ保持部４２により保持され、被測定面ＴＧに対して接近及び離間するＤ１，Ｄ２方向に移動可能に構成されている。被測定面ＴＧに入射される照射光Ｌａは、この対物レンズ５によって上記被測定面ＴＧ近傍に集光される。
【００３２】
ここで、上記アクチュエータ４０には、例えば可動コイル４０Ａと永久磁石４０Ｂからなるボイスコイルモータが使用されている。ボイスコイルモータは、可動コイル４０Ａに供給される電流に対して直線的に変位するモータであるから、被測定面ＴＧの変位に対する直線性が高い。したがって、可動コイル４０Ａ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、上記アクチュエータ４０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を用いることもできる。
【００３３】
上記対物レンズ５の高さ位置の変位を検出する変位量測定部５０は、リニアスケール５１と検出ヘッド５２からなる。リニアスケール５１は、目盛５１Ａが所定ピッチで形成されたものであり、連結部材４１の所定位置に取り付けられている。上記リニアスケール５１には、目盛５１Ａの略中央位置に原点５１Ｂが設けられる。
【００３４】
ここで、リニアスケール５１の目盛５１Ａは、対物レンズ５の光軸Ｏａの延長線上に合わせて取り付けられている。言い換えれば、リニアスケール５１が対物レンズ５の光軸Ｏａ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５１としては、例えば、光の干渉縞を目盛５１Ａ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良い。
【００３５】
検出ヘッド５２は、例えば格子干渉計からなり、図示しないシャーシ等に固定され、リニアスケール５１の目盛５１Ａ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６０に供給する。被測定面ＴＧが変位したときには、対物レンズ５の焦点位置ｆを被測定面ＴＧに保持するように対物レンズ５とリニアスケール５１とが同一方向に同一距離だけ変位するので、検出ヘッド５２は、この変位量をリニアスケール５１の目盛５１Ａから読み取る。
【００３６】
上記信号処理部６０は、上記変位量測定部５０の検出ヘッド５２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、この信号処理部６０は、制御部７０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８０に出力する。上記信号処理部６０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。
【００３７】
上記表示部８０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。この表示部８０は、信号処理部６０から出力された画像信号Ｓｉに基づく表示を行い、表示画面上に被測定面ＴＧの変位を表示する。これにより、この変位検出装置１００では、容易に自動計測が可能になる。
【００３８】
上記制御部７０は、上記サーボ制御部３０および信号処理部６０の動作を制御するものであり、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read-Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)などから構成される。
【００３９】
そして、この変位検出装置１００において、上記非接触センサ１０は、光源１、第１のコリメータレンズ２、分離光学系３、ミラー４、対物レンズ５、第２のコリメータレンズ６、非点収差発生部７、受光部８などを備え、上記光源１、第１のコリメータレンズ２、分離光学系３、ミラー４、対物レンズ５によって上記変位検出用の照射光Ｌａを測定対象物の被測定面ＴＧに照射する照射光学系１０Ａが構成され、また、上記対物レンズ５、ミラー４、分離光学系３、第２のコリメータレンズ６、非点収差発生部７、受光部８によって上記測定対象物の被測定面ＴＧにより上記変位量測定用の照射光Ｌａが反射され変位量測定用の検出光Ｌｂの光量を検出する受光光学系１０Ｂが構成されている。
【００４０】
この非接触センサ１０において、上記光源１は、変位検出用の照射光Ｌａとしてレーザ光等の光を出射する。この光源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、発光ダイオード等から構成される。この光源１は、図示しない筐体に着脱可能に取り付けることにより、上記筐体を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源１を新しい光源と交換することができる。
【００４１】
上記光源１から出射された変位検出用の照射光Ｌａは、第１のコリメータレンズ２により平行光に変換されて分離光学系３に入射される。
【００４２】
上記分離光学系３は、上記変位検出用の照射光Ｌａの光路と、上記変位検出用の検出光Ｌａの光路を分離するためのものであって、例えば偏光ビームスプリッタ３Ａと位相板３Ｂからなる。
【００４３】
上記偏光ビームスプリッタ３Ａは、上記第１のコリメータレンズ２を介して入射される変位検出用の光ビームの第１の偏光成分（直線偏光）の光を反射して位相板３Ｂに入射させる。また、この偏光ビームスプリッタ３Ａは、上記位相板３Ｂを介して入射される第２の偏光成分の光（直線偏光）を透過して第２のコリメータレンズ６に入射させる。
【００４４】
ここで、上記第１の偏光成分（直線偏光）の光と第２の偏光成分の光（直線偏光）は、偏光方向が互いに直交している。
【００４５】
また、上記位相板３Ｂは、偏光ビームスプリッタ３Ａとミラー４との間に配置されており、偏光ビームスプリッタ１５とミラー５との間に配置されている。この位相板３Ｂは、上記偏光ビームスプリッタ３Ａを介して入射される第１の偏光成分（直線偏光）の光を円（楕円）偏光の変位検出用の照射光Ｌａに変換する。この位相板３Ｂにより変換された円（楕円）偏光の変位検出用の照射光Ｌａは、ミラー４を介して対物レンズ５に入射される。また、上記位相板３Ｂは、上記対物レンズ５からミラー４を介して入射される円（楕円）偏光の光を第２の偏光成分（直線偏光）の変位検出用の検出光Ｌｂに変換する。この位相板３Ｂにより変換された第２の偏光成分（直線偏光）の変位検出用の検出光Ｌｂは、上記偏光ビームスプリッタ３Ａを介して上記第２のコリメータレンズ６に入射される。
【００４６】
上記ミラー４は、上記位相板３Ｂを介して入射される円（楕円）偏光の変位検出用の照射光Ｌａを対物レンズ５に向けて反射し、この第１の対物レンズ５を介して測定対象物の被測定面ＴＧに入射させる。また、このミラー４は、上記対物レンズ５を介して戻されてくる上記被測定面ＴＧからの反射光を上記位相板３Ｂに向けて反射し、この位相板３Ｂを介して上記第２の偏光成分（直線偏光）の変位検出用の検出光Ｌｂとして上記偏光ビームスプリッタ３Ａに入射させる。
【００４７】
上記ミラー４の表面には、金属皮膜が施されている。これにより、一般的な誘電体多層膜で生じる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でき、安定な変位検出が可能になる。
【００４８】
また、上記第２のコリメータレンズ６は、偏光ビームスプリッタ３Ａと非点収差発生部７との間に配置されている。この第２のコリメータレンズ６は、集光手段の一具体例を示すものであり、偏光ビームスプリッタ３Ａを透過した平行光の変位検出用の検出光Ｌｂを集光して非点収差発生部７を介して受光部８に入射させる。
【００４９】
なお、対物レンズ５、第１のコリメータレンズ２及び第２のコリメータレンズ６には、光源１の波長変動による焦点距離の変動を受け難くする色消し対策すなわち色収差補正を施してもよい。このようにすることで、光源１の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定面ＴＧの変位量を測定した測定値に補正を行う必要が無くなる。
【００５０】
また、本実施の形態では、光源１から出射された変位検出用の照射光Ｌａの光路中、すなわち、変位検出用の照射光Ｌａを測定対象物の被測定面ＴＧに照射する照射光学系１０Ａに第１のコリメータレンズ２を配置し、被測定面ＴＧによって反射された反射光の光路中、すなわち、変位検出用の検出光Ｌｂからフォーカスエラー信号ＳＦＥを得る受光光学系１０Ｂに第２のコリメータレンズ６を配置した。これにより、変位検出用の照射光Ｌａの光路長と変位検出用の検出光Ｌｂの光路長を任意に設定することが可能になる。その結果、設計の自由度を向上させることができ、最適な部品配置を実現することができる。さらに、第１のコリメータレンズ２によりカップリング効率の向上を図ることができ、第２のコリメータレンズ６によりフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性を変化させて、例えば、対物レンズ５を変位させるためのサーボ機構が駆動する範囲すなわちサーボ引き込み範囲を広げることができる。
【００５１】
なお、光源１から出た光は第１のコリメータレンズ２で平行光にされるとしたが、第１のコリメータレンズ２を出た光が発散光、収束光であってもよいし、非測定物から反射し対物レンズ５を通過した光が、発散光、収束光であってもよい。
【００５２】
また、非点収差発生部７は、第２のコリメータレンズ６と受光部８との間に配置されており、第２のコリメータレンズ６によって集光された被測定面ＴＧからの変位検出用の検出光Ｌｂに非点収差を発生させる。
【００５３】
この非点収差発生部７は、第２のコリメータレンズ６から受光部８までの変位検出用の検出光Ｌｂの光路中に配置されたシリンドリカル面を含む光学部品により構成されている。
【００５４】
この非点収差発部７としては、一般にシリンドリカルレンズを用いるが、球面とシリンドリカル面を複合させたマルチレンズを採用することにより、非点収差の発生と出力信号波形の調整をすることが可能となり、部品点数を削減することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態の非点収差発生部７は、第２のコリメータレンズ６から受光部８までの変位検出用の検出光Ｌｂの光路おける収束光中に斜めに配置された透明な基板により構成することで、部品点数を減らすことができる。
【００５６】
受光部８は、非点収差発生部７により非点収差が発生した変位検出用の検出光Ｌｂの光量を検出するものであって、例えば図２に示すように、変位検出用の検出光Ｌｂの光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子８Ａ〜８Ｄから構成されている。これら４つの受光素子８Ａ〜８Ｄは、変位検出用の検出光Ｌｂの光軸周りに所定の間隔を空けて配置されており、受光素子８Ａと受光素子８Ｃは、変位検出用の検出光Ｌｂの光軸を挟んで対向している。そして、受光素子８Ｂと受光素子８Ｄは、変位検出用の検出光Ｌｂの光軸を挟んで対向している。
【００５７】
これら４つの受光素子８Ａ〜８Ｄに入射する変位検出用の検出光Ｌｂの照射像は、この検出光Ｌｂに非点収差が発生しているため、対物レンズ５から被測定面ＴＧまでの距離ｄによって形状と大きさが変化する。
【００５８】
上記受光部８での非点収差発生部７による照射像の一例を図３に示す。
【００５９】
すなわち、図１に示すように被測定面ＴＧが対物レンズ５の焦点位置ｆ０にあるときには、図３の（Ｃ）に示すように、集光された光が円形の光スポットになる。これに対し、対物レンズ５が被測定面ＴＧに対して焦点位置ｆ０より遠ざかると、図３の（Ｂ）に示すように、受光素子８Ｂと受光素子８Ｄが位置する対角線の方向に広がった楕円形の光スポットになり、また、焦点位置ｆ０より近づくと、図３の（Ｄ）に示すように、受光素子８Ａと受光素子８Ｃが位置する対角線の方向に広がった楕円形の光スポットになる。なお、図３の（Ａ），（Ｅ）は、被測定面ＴＧの前後でのデフォーカス状態を示している。
【００６０】
ここで、４つの受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、焦点位置ｆ０からのずれを表すフォーカスエラー信号ＳＦＥは、以下の式（１）で与えられる。
【００６１】
ＳＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）  ・・・  （１）
【００６２】
演算処理部２０は、上記４つの受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて、上記式（１）の演算処理を行うことにより、フォーカスエラー信号ＳＦＥを生成する。このフォーカスエラー信号ＳＦＥをサーボ制御部３０に供給することにより、フォーカスサーボをかけることができる。
【００６３】
図４は、被測定面ＴＧの位置をジャストフォーカス状態とした場合のフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性を示す図である。
【００６４】
図４中のＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔは、図３の（Ａ）〜（Ｅ）に示すＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔの各フォーカス状態と対応している。図１に示した構成において、対物レンズ５から変位検出用の照射光Ｌａを被測定面ＴＧ上に結像させ、被測定面ＴＧにて反射された変位検出用の検出光Ｌｂが通過する受光光学系１０Ａにおいて非点収差発生部７を介して受光部８に入射される変位検出用の照射光Ｌａの前側焦点と後ろ側焦点の中間になるところに受光部８が配置した状態が、従来の構成である。この従来の構成における被測定面ＴＧと受光面の関係を一般的には光学的に共役の関係といい、被測定面ＴＧが測定方向に対する位置を維持したまま傾いても、受光面上のビームは動かない。
【００６５】
しかしながら、この従来の構成を採用したのでは、上述の如く、被測定面ＴＧ上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が発生するので、この変位検出装置１００では、例えば図５に示すように、非接触センサ１０の対物レンズ５から出射された変位検出用の照射光Ｌａを被測定面ＴＧ上で結像させずに被測定面ＴＧの前又は後で結像させて被測定面ＴＧ上で一定のビーム径を確保することで、上記被測定面ＴＧ上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の影響を平均化させて被測定面ＴＧの変位量の測定誤差を減少させる。
【００６６】
すなわち、受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄへの照射パターンは、被測定面ＴＧの位置によって変化するだけでなく、受光部８への集光手段である第２のコリメータレンズ６の位置や、非点収差発生部７の位置によって、あるいは、そのビームを受光しその信号を相対位置情報に変換する相対位置情報を出力する各受光素子８Ａ〜８Ｄの光軸方向の位置によってビームの形状と大きさが変化する。
【００６７】
そこで、この変位検出装置１００における非接触センサ１０では、受光部８への集光手段である第２のコリメータレンズ６、非点収差発生部７、受光部８のいずれかを光軸方向にずらし、かつ、受光素子８Ａ〜８Ｄに対する照射パターンを一定に保つよう対物レンズ５にフォーカスサーボをかけ、対物レンズ５と被測定面ＴＧとの相対距離ｄを変化させて被測定面ＴＧ上でのビーム径を大きくしている。
【００６８】
この非接触センサ１０における受光光学系１０Ｂでは、図５に示すように、被測定面ＴＧで反射された変位検出用の検出光Ｌｂは、対物レンズ５によって平行光に近づけられるが、発散光となり、ミラー４によって反射されて位相板３Ｂに導かれる。位相板３Ｂを通過した変位検出用の検出光Ｌｂは、位相板３Ｂを通過する前の変位検出用の照射光Ｌａと直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ３Ａを透過する。その後、変位検出用の検出光Ｌｂは、第２のコリメータレンズ６によって集光され、非点収差発生部７によって非点収差を発生した状態で受光部８に照射される。
【００６９】
非点収差が発生した変位検出用の検出光Ｌｂが４つの受光素子８Ａ〜８Ｄに照射される領域（照射スポット）は、対物レンズ５から被測定面ＴＧまでの距離によって変化する。
【００７０】
本実施の形態では、対物レンズ５によって集光される変位検出用の照射光Ｌａの焦点位置ｆが被測定面ＴＧの奥側であって被測定面ＴＧから所定の距離ｄ１だけ離れているときに、図６の（Ｂ）に示すように、照射スポットが円形になる。したがって、照射スポットが円形になる場合は、対物レンズ５によって集光された変位検出用の照射光Ｌａが被測定面ＴＧで反射後に結像される。
【００７１】
ここで、照射スポットが円形になるときの対物レンズ５の位置を基準位置とすると、本実施の形態では、対物レンズ５が基準位置よりも被測定面ＴＧから遠ざかると、照射スポットは、図６（Ｃ）に示すように、受光素子８Ａ，８Ｃ側に延びた楕円形になり、また、対物レンズ５が基準位置よりも被測定面ＴＧに近づくと、図６（Ａ）に示すように、照射スポットは、受光素子８Ｂ，８Ｄ側に延びた楕円形になる。
【００７２】
上記演算処理部２０では、各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて、上述の式（１）の演算処理を行うことにより、上記対物レンズ５の基準位置に対する光軸方向へのずれを表すフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成する。
【００７３】
上記演算処理部２０は、生成したフォーカスエラー信号ＳＦＥをアナログデジタル変換して、サーボ制御部３０へ出力する。
【００７４】
本実施の形態では、照射スポットが受光素子８Ａ，８Ｃ側に延びた楕円形になると、上記サーボ制御部３０は、対物レンズ５が基準位置よりも被測定面ＴＧから遠ざかっていると判断し、対物レンズ５を被測定面ＴＧに近づけるようにアクチュエータ４０を駆動制御する。その結果、対物レンズ５と被測定面ＴＧとの相対距離を変化させることができ、焦点位置ｆを被測定面ＴＧの奥側に設定することができる。
【００７５】
上記サーボ制御部３０は、フォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」となるような駆動信号をアクチュエータ４０に出力して、上記アクチュエータ４０の駆動制御を行う。これにより、上記レンズ保持部４２に保持されたリニアスケール５１が対物レンズ５の光軸方向に移動する。そして、検出ヘッドがリニアスケール５１の目盛り５１Ａを読み取ることにより、被測定面ＴＧの変位量が測定される。
【００７６】
ここで、本実施の形態では、上記対物レンズ５で集光される変位検出用の照射光Ｌａの焦点位置が被測定面ＴＧの奥側にあるときにフォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」になるように、受光部８の光軸上の位置を設定している。
【００７７】
上述の式（１）の演算処理により算出されたフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性は、図７に示すようになる。
【００７８】
図７に示す特性において、原点０は対物レンズ５の基準位置を示し、被測定面ＴＧ上では、変位検出用の照射光Ｌａの所定の径（ビーム径）が確保されている。したがって、ビーム径よりも小さい面粗度、汚れ、ゴミ等の付着があっても、フォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」となり、被測定面ＴＧの変位量の測定に影響しない。
【００７９】
上記演算処理部２０は、生成したフォーカスエラー信号ＳＦＥをアナログデジタル変換して、サーボ制御部３０へ出力する。
【００８０】
上記サーボ制御部３０は、フォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」となるような駆動信号をアクチュエータ４０に出力して、上記アクチュエータ４０の駆動制御を行う。これにより、上記レンズ保持部４２に保持されたリニアスケール５１が対物レンズ５の光軸方向に移動する。そして、検出ヘッド５２がリニアスケール５１の目盛り５１Ａを読み取ることにより、被測定面ＴＧの変位量が測定される。
【００８１】
ここでは、受光部８（受光素子８Ａ〜８Ｄ）の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面ＴＧの奥側に設定する例を説明した。しかしながら、本発明の変位測定装置としては、上記受光光学系１０Ｂにおける受光部８への集光手段である第２のコリメータレンズ６や非点収差発生部７の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面ＴＧの手前側に設定することもできる。
【００８２】
なお、上記非点収差発生部７の非点収差発生手段としてシリンドリカル面を含む光学部品（例えば、シリンドリカルレンズ）を用いる場合は、この非点収差発生手段の光軸上の位置を調整すると、受光部８の４つの受光素子８Ａ〜８Ｄに照射される変位検出用の検出光Ｌｂの照射スポットが変化する。したがって  対物レンズ５により集光される変位検出用の照射光Ｌａの焦点位置ｆを変位させることができる。
【００８３】
しかし、上記非点収差発生部７の非点収差発生手段としてとして基板を用いる場合は、非点収差発生手段の光軸上の位置を調整しても、受光部８の４つの受光素子８Ａ〜８Ｄに照射される変位検出用の検出光Ｌｂの照射スポットは変化しない。したがって、非点収差発生手段として基板を用いる場合は、上記受光光学系１０Ｂにおける上記第２のコリメータレンズ６又は受光部８の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを変位させる。
【００８４】
本実施の形態では、対物レンズ５により集光される変位検出用の照射光Ｌａの焦点位置ｆを被測定面ＴＧの奥側に設定するので、被測定面ＴＧで反射して対物レンズ５を通った変位検出用の検出光Ｌｂは、発散光になる。
【００８５】
ここで、上記被測定面ＴＧ上のビーム径と発散光（収束光）の角度との関係を図８に示すように、ビーム径と発散光の角度は比例する。なお、図８に示すビーム径と発散光の角度との関係（比例定数）は一例であり、対物レンズ５の焦点距離、対物レンズ５の開口数（NA;Numerlcal Aperture）等によって変化する。
【００８６】
被測定面ＴＧ上のビーム径を大きくすれば、被測定面ＴＧの面粗度や傷、ゴミ等の影響を受け難くすることができるが、被測定面ＴＧにより反射して対物レンズ５を通った変位検出用の検出光Ｌｂの発散角度も大きくなる。対物レンズ５を通った変位検出用の検出光Ｌｂの発散角度が大きくなりすぎると、その変位検出用の検出光Ｌｂを受光部８まで導く偏光ビームスプリッタ３Ａや第２のコリメータレンズ６等の光学部品が大型化する可能性がある。そのため、被測定面ＴＧ上のビーム径は、偏光ビームスプリッタ３Ａや第２のコリメータレンズ６等の光学部品の大きさを考慮して決定することが好ましい。
【００８７】
この非接触センサ１０における受光光学系１０Ｂでは、被測定面ＴＧで反射された変位検出用の検出光Ｌｂは、逆行し、対物レンズ５によって平行ビームに近づけられるが、平行光にはならず、収束光、もしくは発散光となる。これは対物レンズ５から出射した光の結像位置が被測定面ＴＧより手前なのか、被測定面ＴＧで反射した後なのかで決定される。被測定面ＴＧ上のビーム径と、結像位置、被測定面間距離は比例しており、この値を大きくするほど、面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着による被測定面ＴＧの変位量の測定誤差を減少させることが可能となる。
【００８８】
しかしながら、結像位置と被測定面ＴＧとの距離が増大するほど被測定面ＴＧが傾いた際、図９の（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、受光部８の受光面上で光軸と垂直方向にビームがシフトし、フォーカスエラー信号ＳＦＥにオフセットが発生して、本来必要である被測定面ＴＧの変位情報に加わる誤差が増加する。
【００８９】
ここで、受光面上で光軸とは垂直方向にビームがシフトした際にフォーカスエラー信号ＳＦＥにオフセットが発生する様子を図９の（Ａ）〜（Ｅ）に示す。例えば、被測定面ＴＧが傾いて受光面上のビームが図９に示すとおり、受光素子８Ｄの方向にシフトした際、フォーカスエラー信号ＳＦＥを０とするためのビーム形状は、図６の（Ｂ）のジャストフォーカス状態で示した丸ではなく、図９の（Ｃ）に示すように、受光素子８Ａ、８Ｃ側に伸びた楕円形状になる。これは、ビーム形状が図６の（Ｂ）のジャストフォーカス状態で示した丸のままでは、受光素子８Ａ、８Ｃ側の光量が少なく、受光素子８Ｂ、８Ｄ側の光量が多いため、フォーカスエラー信号ＳＦＥが０にならないからである。つまり、ビーム形状を円形から楕円形状に変形させる為に必要な対物レンズ５のオフセット量が本来の変位量にそのまま誤差として加わる。
【００９０】
また、被測定面ＴＧが０．１ｄｅｇ傾いた時の焦点・被測定面間距離と受光面上でのビームシフト量の関係を図１０に示す（この感度は光学系により異なる。）。
【００９１】
この図１０に示すように、焦点・被測定面間距離と受光面上のビームシフト量の関係は、１次比例している。したがって、被測定面ＴＧ上でのビーム径を大きくするほど被測定面ＴＧが傾いた際、受光面上でビームがシフトし、フォーカスエラー信号ＳＦＥにオフセットが生じ、本来必要である被測定面ＴＧの変位情報に加わる誤差が大きくなる。
【００９２】
そこで、この変位検出装置１００では、上記演算処理部２０において、上記非接触センサ１０の受光部８により検出された変位検出用の検出光Ｌｂの光量から上記被測定面ＴＧの傾斜に起因する当該受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正したチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成するようにしている。
【００９３】
すなわち、図１１に示すように、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして、受光面上でのビームずれを表すポジション信号として、Ｘ方向のポジション信号ＳＰＸは次の式（２）で与えられ、Ｙ方向のポジション信号ＳＰＹは次の式（３）で与えられる。
【００９４】
ＳＰＸ＝（（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）・・・（２）
ＳＰＹ＝（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）・・・（３）
【００９５】
なお、総光量（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）で割って正規化しているのは、上記ポジション信号が受光部８に到達する変位検出用の検出光Ｌｂの光量に依存しないようにするためである。
【００９６】
そして、フォーカスエラー信号ＳＦＥから被測定面ＴＧの傾きの影響を補正し除去するチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥは、以下の式（４）で与えられる。
【００９７】
ＳＴＣＦＥ＝ＳＦＥ＋ＳＴＣ
＝ＳＦＥ＋（α×ＳＰＸ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ））＋（β×ＳＰｙ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ））
・・・（４）
【００９８】
被測定面ＴＧの測定方向の位置を変えずに傾きのみ変化させた際、上記（４）式で被測定面ＴＧの変位情報の変動が０になるように任意の係数α、βを選択すると被測定面ＴＧの傾きに依存せず高さ方向の変位のみ検出することが可能となる。なお、この係数α、βは任意の値で固定で用いられるため、被測定面ＴＧのチルトキャンセルループはフィードフォワードとなる。また、このα、βは１次式、２次式、もしくは多項式を用いる。
【００９９】
上記チルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥは、例えば図１２に示すような構成の演算処理部２０により生成される。
【０１００】
この演算処理部２０では、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、加算回路２１Ａ〜２１Ｅ、減算回路２２Ａ，２２Ｂ、除算回路２３Ａ，２３Ｂ、乗算回路２４、２５、加算回路２６によりチルトキャンセル信号ＳＴＣを得るとともに、加算回路２１Ｆ，２１Ｇ、減算回路２２Ｃによりフォーカスエラー信号ＳＦＥを得ている。そして、加算回路２７において上記フォーカスエラー信号ＳＦＥに上記チルトキャンセル信号ＳＴＣを加算することにより、チルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成する。
【０１０１】
なお、演算処理部２０では、加算回路２１Ａ，２１Ｂと減算回路２２Ａと除算回路２３Ａにより正規化したＸ方向のポジション信号ＳＰＸを算出するとともに、加算回路２１Ｃ，２１Ｄと減算回路２２Ｂと除算回路２３Ｂにより正規化したＹ方向のポジション信号ＳＰＹを算出し、乗算回路２４によりＸ方向のポジション信号ＳＰＸに係数αを乗算するとともに、乗算回路２５によりＹ方向のポジション信号ＳＰＹに係数βを乗算して、加算回路２１Ｅにより加算することによってチルトキャンセル信号ＳＴＣを得ている。
【０１０２】
この演算処理部２０は、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄとともに基板上に設けることもできる。
【０１０３】
このような構成の変位検出装置１００では、対物レンズ５によって集光された変位検出用の照射光Ｌａの焦点が被測定面ＴＧの手前又は奥側で結像されている状態でフォーカスエラー信号ＳＦＥが０となり、変位検出用の照射光Ｌａの焦点が被測定面ＴＧからずれた状態で対物レンズ５が基準位置にあると判断する。そのため、被測定面ＴＧ上の変位検出用の照射光Ｌａの径（ビーム径）を所定の大きさにすることができ、被測定面ＴＧの面粗度、汚れ、微細なゴミ等を変位量として検出することを抑制することができる。その結果、被測定面ＴＧの面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面ＴＧの変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、対物レンズ５から出た光を被測定面ＴＧ上で結像させずに被測定面ＴＧの前後で結像させて被測定面ＴＧ上で一定のビーム径を確保するようにフォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面ＴＧ上での面粗度、汚れ、微細なゴミ等の影響を平均化させて被測定面ＴＧの変位量の測定誤差を減少させることができる。また、光源１から出射された変位検出用の照射光Ｌａは、被測定面ＴＧ上の一点で結像せずに面反射するため、被測定面ＴＧの温度上昇や、被測定面ＴＧの劣化等を防止或いは抑制することができる。
【０１０４】
また、この変位検出装置１００では、上記被測定面ＴＧの傾斜に起因する受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出し、算出したズレ量により上記被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正したチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成して上記フォーカスサーボを掛けることにより、上記被測定面ＴＧの傾斜の影響による変位量の測定誤差を減少させることができる。
【０１０５】
したがって、この変位検出装置１００では、被測定面ＴＧの面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面ＴＧの変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させ、しかも、被測定面ＴＧの傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面ＴＧの変位情報のみを正確に得られるようにすることができる。
【０１０６】
なお、上記変位検出装置１００において、上記非接触センサ１０に備えられる上記光源１は、図１３に示すように、波長が略等しい２つの光源１Ａ、１Ｂをハーフミラー１Ｃを介して交互に発光できる構成にしておくことで、第１の光源１Ａの寿命で検出は不可能になったときに、第２の光源１Ｂに切り替えてさらに長時間使用することができる。
【０１０７】
また、上記変位検出装置１００において、光源１を筐体内に配設せずに筐体から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体内に光を供給するようにしてもよい。これにより、熱源となる光源１を筐体から切り離すことができ、筐体内の温度上昇を防止することができる。また、光源１を光ファイバに着脱可能に取り付ける構造にすることにより、筐体から離れた場所で光源２の交換を行うことができるようになりメンテナンス性を向上させることができる。
【０１０８】
また、上記変位検出装置１００において、光源１を筐体から離れた位置に配設し、光源１からの出射される変位検出用の照射光Ｌａを気体、液体又は真空の空間を介して筐体内に供給するようにしてもよい。これにより、熱源となる光源１を筐体から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体に接続される部材が削除され、筐体に振動が伝わらないようにすることができる。
【０１０９】
また、上記変位検出装置１００では、非点収差発生部７によって非点収差を発生させた変位検出用の検出光Ｌｂを受光部８が直接検出するようにしたが、非点収差が発生した変位検出用の検出光Ｌｂを光ファイバによって上記受光部８に導くようにしてもよい。これにより、受光部８の設置位置を自由に設定することができるため、受光部８を演算処理部２０に近接して配置することができる。その結果、電気通信距離の短縮化を図ることができ、応答速度を高速化することができる。
【０１１０】
また、上記変位検出装置１００において、受光光学系１０Ｂの対物レンズ５と受光部８との間の光路上にアパーチャを配置し、被測定面ＴＧからの特定の反射光を遮断するようして、例えば、被測定面ＴＧ上の異物や凹凸による回折光が迷光として受光部８へ入射されることをアパーチャにより防止するようにしてもよい。これにより、対物レンズ５のデフォーカス量に対する受光素子８Ａ〜８Ｄの受光量の和信号の制御を高精度に行うことができる。
【０１１１】
また、上記変位検出装置１００において、受光光学系１０Ｂの偏光ビームスプリッタ３と受光部８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すれば、受光部８に入射する変位検出用の検出光Ｌｂ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、被測定面ＴＧの面粗度の影響をより低減することができる。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２１〜２４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。
【０１１２】
本実施の形態において、上記被測定面ＴＧに、上記変位検出装置１００の光源１から出射される変位検出用の照射光Ｌａを反射させるミラー処理を施してもよい。これにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号から位置情報を得ることができる。
【０１１３】
また、被測定面ＴＧを有する被測定物に光源１から出射される変位検出用の照射光Ｌａと同一の波長の光を反射させる回折格子を形成してもよい。
【０１１４】
また、被測定物に回折格子を形成する場合は、回折格子上の表面に、光源１からの変位検出用の照射光Ｌａを反射させる反射膜を形成して被測定面ＴＧとしてもよい。上記変位検出装置１００は、反射膜によって形成された被測定面ＴＧからの変位検出用の検出光Ｌｂを検出することで、高さ方向の変位検出を行う。このとき、光源１から出射された変位検出用の照射光Ｌａには、回折格子による回折光が生じないため、正確な変位検出を行うことができる。なお、リニアスケールは、この反射膜を透過する光源を用いることにより、回折光等の検出を行う。
【０１１５】
また、反射膜によって形成された被測定面ＴＧは、回折格子の下地側に形成してもよい。この場合は、光源１から出射された変位検出用の照射光Ｌａが回折格子を形成する材料を透過し、リニアスケールに用いる光が回折格子によって回折光となる。
【０１１６】
上記変位検出装置１００の光源１の波長を反射させる反射型の回折格子用に出力値を最適化することにより、リニアスケールなどと併用することができ、回折格子面に沿った動きは、リニアスケールで読み取り、回折格子面に垂直な動きは上記変位検出装置１００により検出する構成とすることで、ステージなどの３次元の動きを測定する装置を実現することができる。
【０１１７】
さらに、上記変位検出装置１００では、上記演算処理部２０において、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、チルトキャンセル信号ＳＴＣを得るとともにフォーカスエラー信号ＳＦＥを得て、チルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成するようにしたが、フォーカスエラー信号ＳＦＥとチルトキャンセル信号ＳＴＣとを個別の受光部による検出信号から生成するようにしてもよい。
【０１１８】
例えば、図１４に要部構成を示す変位検出装置１００Ａのように、受光光学系１０Ａに変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段としてビームスプリッタ９を設け、図１５に示すように、上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１Ａと、上記ビームスプリッタ９により分離された他方のビームを受光する上記被測定面ＴＧの傾斜に伴う上記第１の受光部８１Ａ上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部８１Ｂを有する受光部８を用いるようにしてもよい。
【０１１９】
上記ビームスプリッタ９には、回折格子やＨＯＥ（Holographic Optical Element）等を用いることができる。
【０１２０】
上記演算処理部２０では、上記受光部８の第１の受光部８１Ａにより得られる検出信号からフォーカスエラー信号ＳＦＥを得るとともに、上記受光部８の第２の受光部８１Ｂにより得られる検出信号からチルトキャンセル信号ＳＴＣを得て、上記（４）式で示されるチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成することができる。
【０１２１】
上記受光部８は、上記第１の受光部８１Ａと第２の受光部８１Ｂがひとつのパッケージの中に配置されていてもよいし、複数のパッケージに分けられていてもよい。
【０１２２】
なお、変位検出装置１００Ａにおいて、ビームスプリッタ９Ａ及び受光部８以外の構成要素については、上記変位検出装置１００と同じなので、対応する構成要素に同一符号を図１４中に付して、その詳細な説明を省略する。
【０１２３】
このような構成の変位検出装置１００Ａにおいても、上記変位検出装置１００と同様に、被測定面ＴＧの測定方向の位置を変えずに傾きのみ変化させた際、上記（４）式に被測定面ＴＧの変位情報の変動が０になるように任意の係数αを選択することにより、被測定面ＴＧの傾きに依存せず高さ方向の変位のみ検出することができる。
【０１２４】
また、例えば、図１６に要部構成を示す変位検出装置１００Ｂのように、受光光学系１０Ａに変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段として偏光ビームスプリッタや無偏光ビームスプリッタ等のビームスプリッタ９Ｂを設け、上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１と、上記ビームスプリッタ９により分離された他方のビームを受光する上記被測定面ＴＧの傾斜に伴う上記第１の受光部８１上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部８２を有する受光部８を用いるようにしてもよい。
【０１２５】
上記演算処理部２０では、上記受光部８の第１の受光部８１により得られる検出信号からフォーカスエラー信号ＳＦＥを得るとともに、上記受光部８の第２の受光部８２により得られる検出信号からチルトキャンセル信号ＳＴＣを得て、上記（４）式で示されるチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成することができる。
【０１２６】
このような構成の変位検出装置１００Ｂにおいても、上記変位検出装置１００と同様に、被測定面ＴＧの測定方向の位置を変えずに傾きのみ変化させた際、上記（４）式に被測定面ＴＧの変位情報の変動が０になるように任意の係数αを選択することにより、被測定面ＴＧの傾きに依存せず高さ方向の変位のみ検出することができる。
【０１２７】
また、上記変位検出装置１００Ａ，１００Ｂにおける受光部８の各第２の受光部８１Ｂ，８２は、受光領域が少なくとも４つに分割された一つあるいは複数の撮像素子、位置検出素子で構成されたものとすることができる。
【０１２８】
すなわち、例えば図１７に要部構成を示す変位検出装置１００Ｃのように、受光光学系１０Ａにビーム分離手段として設けた回折格子やＨＯＥ（Holographic Optical Element）等のビームスプリッタ９により変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離し、図１８に示すように、フォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１Ａにより上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するとともに、受光領域が少なくとも４つに分割された一つあるいは複数の撮像素子、位置検出素子で構成された第２の受光部８１Ｃで上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するようにしてもよい。
【０１２９】
上記撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device)イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、光学センサ、レーザセンサ等を用いることができ、また、上記位置検出素子としては、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の光位置センサ（PSD:Position Sensitive Detector）等を用いることができる。
【０１３０】
上記受光部８は、上記第１の受光部８１Ａと第２の受光部８１Ｃがひとつのパッケージの中に配置されていてもよいし、複数のパッケージに分けられていてもよい。
【０１３１】
上記演算処理部２０では、上記受光部８の第１の受光部８１Ａにより得られる検出信号からフォーカスエラー信号ＳＦＥを得るとともに、上記受光部８の第２の受光部８１Ｃにより得られる検出信号からチルトキャンセル信号ＳＴＣを得て、上記（４）式で示されるチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成することができる。
【０１３２】
なお、変位検出装置１００Ｃにおいて、受光部８以外の構成要素については、上記変位検出装置１００Ａと同じなので、対応する構成要素に同一符号を図１７中に付して、その詳細な説明を省略する。
【０１３３】
このような構成の変位検出装置１００Ｃにおいても、上記変位検出装置１００Ａと同様に、被測定面ＴＧの測定方向の位置を変えずに傾きのみ変化させた際、上記（４）式に被測定面ＴＧの変位情報の変動が０になるように任意の係数αを選択することにより、被測定面ＴＧの傾きに依存せず高さ方向の変位のみ検出することができる。
【０１３４】
また、例えば図１９に要部構成を示す変位検出装置１００Ｄのように、受光光学系１０Ａにビーム分離手段として設けた偏光ビームスプリッタや無偏光ビームスプリッタ等を用いたビームスプリッタ９により変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離し、フォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１により上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するとともに、受光領域が少なくとも４つに分割された一つあるいは複数の撮像素子、位置検出素子で構成された第２の受光部８２Ａで上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するようにしてもよい。
【０１３５】
上記撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device)イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、光学センサ、レーザセンサ等を用いることができ、また、上記位置検出素子としては、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の光位置センサ（PSD:Position Sensitive Detector）等を用いることができる。
【０１３６】
上記演算処理部２０では、上記受光部８の第１の受光部８１により得られる検出信号からフォーカスエラー信号ＳＦＥを得るとともに、上記受光部８の第２の受光部８２Ａにより得られる検出信号からチルトキャンセル信号ＳＴＣを得て、上記（４）式で示されるチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成することができる。
【０１３７】
なお、この変位検出装置１００Ｄにおいて、受光部８以外の構成要素については、上記変位検出装置１００Ｂと同じなので、対応する構成要素に同一符号を図１９中に付して、その詳細な説明を省略する。
【０１３８】
このような構成の変位検出装置１００Ｄにおいても、上記変位検出装置１００と同様に、被測定面ＴＧの測定方向の位置を変えずに傾きのみ変化させた際、上記（４）式に被測定面ＴＧの変位情報の変動が０になるように任意の係数αを選択することにより、被測定面ＴＧの傾きに依存せず高さ方向の変位のみ検出することができる。
【０１３９】
ここで、上記変位検出装置１００〜１００Ｄでは、上記演算処理部２０において、フォーカスエラー信号ＳＦＥに生じるオフセットをキャンセルした上記（４）式で示されるチルトキャンセルフォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥを生成して、上記対物レンズ５によって集光された上記照射光の焦点が上記被測定面ＴＧの手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号ＳＴＣＦＥの値が０になるように、フォーカス制御部３０によりフォーカスサーボを掛ける。被測定面の傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面の変位情報のみを正確に得られるようにしたが、上記被測定面ＴＧの傾きにより、上記フォーカスエラー信号ＳＦＥに生じるオフセットをキャンセルする代わりに、例えば、図２０に示す変位検出装置１１０のように、上記フォーカスエラー信号ＳＦＥに生じるオフセット量を位置補正量として用いて、被測定面ＴＧの変位情報に加わる誤差を補正するようにすることもできる。
【０１４０】
なお、この変位検出装置１１０において、演算処理部２０Ａと信号処理部６０Ａ以外の構成要素については、上記変位検出装置１００と同じなので、対応する構成要素に同一符号を図２０中に付して、その詳細な説明を省略する。
【０１４１】
すなわち、この図２０に示す変位検出装置１１０では、演算処理部２０Ａにおいて、非接触センサ１０の受光部８により検出された検出光の光量から上述の式（１）で与えられるフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するともに被測定面ＴＧの傾斜に起因する当該受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号γ・ＳＴＣを生成し、フォーカス制御部３０は、上記演算処理部２０Ａにより生成されたフォーカスエラー信号ＳＦＥを用いて、対物レンズ５によって集光された照射光の焦点が上記被測定面ＴＧの手前側又は奥側に位置するときに、上記フォーカスエラー信号の値が０になるように、フォーカスサーボを掛ける。
【０１４２】
ここで、上記位置補正信号γ・ＳＴＣは、例えば図２１に示すような構成の演算処理部２０Ａにより生成される。
【０１４３】
この演算処理部２０Ａでは、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、加算回路２１Ａ〜２１Ｅ、減算回路２２Ａ，２２Ｂ、除算回路２３Ａ，２３Ｂ、乗算回路２４、２５、加算回路２６により得られるチルトキャンセル信号ＳＴＣに乗算回路２８により係数γを乗算した位置補正信号γ・ＳＴＣを得るとともに、加算回路２１Ｆ，２１Ｇ、減算回路２２Ｃによりフォーカスエラー信号ＳＦＥを得ている。
【０１４４】
すなわち、上記演算処理部２０Ａでは、加算回路２１Ａ，２１Ｂと減算回路２２Ａと除算回路２３Ａにより正規化したＸ方向のポジション信号ＳＰＸを算出するとともに、加算回路２１Ｃ，２１Ｄと減算回路２２Ｂと除算回路２３Ｂにより正規化したＹ方向のポジション信号ＳＰＹを算出し、乗算回路２４によりＸ方向のポジション信号ＳＰＸに係数αを乗算するとともに、乗算回路２５によりＹ方向のポジション信号ＳＰＹに係数βを乗算して、加算回路２６により加算することによって得られるチルトキャンセル信号ＳＴＣを得て、乗算回路２８により上記チルトキャンセル信号ＳＴＣに係数γを掛けることによって、次の式（５）にて示される位置補正信号γ・ＳＴＣを得ている。
【０１４５】
γ・ＳＴＣ
＝γ×（（α×ＳＰＸ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ））＋（β×ＳＰｙ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）））
・・・（５）
【０１４６】
そして、上記信号処理部６０Ａは、上記変位量測定部５０の検出ヘッド５２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の変位量を算出し、上記演算処理部２０Ａにより生成された位置補正信号γ・ＳＴＣを加減算することにより、上記被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正した該被測定面ＴＧの位置情報を生成する。
【０１４７】
このように、上記被測定面ＴＧの傾斜に起因する受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレにともなうフォーカスエラー信号ＳＦＥに生じるオフセット量を位置補正量として用いて、被測定面ＴＧの変位情報に加わる誤差を補正することで、上記被測定面ＴＧの傾斜の影響による変位量の測定誤差を減少させることができる。
【０１４８】
したがって、この変位検出装置１１０では、被測定面ＴＧの面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面ＴＧの変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させ、しかも、被測定面ＴＧの傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面ＴＧの変位情報のみを正確に得られるようにすることができる。
【０１４９】
ここで、この変位検出装置１１０は、上述の図１４に要部構成を示した変位検出装置１００Ａと同様に、受光光学系１０Ａに変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段としてビームスプリッタ９を設け、図１５に示すように、上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１Ａと、上記ビームスプリッタ９により分離された他方のビームを受光する上記被測定面ＴＧの傾斜に伴う上記第１の受光部８１Ａ上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部８１Ｂを有する受光部８を用いるようにしてもよい。
【０１５０】
また、この変位検出装置１１０は、上述の図１６に要部構成を示す変位検出装置１００Ｂと同様に、受光光学系１０Ａに変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離するビーム分離手段として偏光ビームスプリッタや無偏光ビームスプリッタ等のビームスプリッタ９Ｂを設け、上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するフォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１と、上記ビームスプリッタ９により分離された他方のビームを受光する上記被測定面ＴＧの傾斜に伴う上記第１の受光部８１上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出するための第２の受光部８２を有する受光部８を用いるようにしてもよい。
【０１５１】
また、この変位検出装置１１０は、上述の図１７に要部構成を示した変位検出装置１００Ｃと同様に、受光光学系１０Ａにビーム分離手段として設けた回折格子やＨＯＥ（Holographic Optical Element）等のビームスプリッタ９により変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離し、図１８に示すように、フォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１Ａにより上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するとともに、受光領域が少なくとも４つに分割された一つあるいは複数の撮像素子、位置検出素子で構成された第２の受光部８１Ｃで上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するようにしてもよい。
【０１５２】
さらに、この変位検出装置１１０は、上述の図１９に要部構成を示す変位検出装置１００Ｄと同様に、受光光学系１０Ａにビーム分離手段として設けた偏光ビームスプリッタや無偏光ビームスプリッタ等を用いたビームスプリッタ９により変位検出用の検出光Ｌａを少なくとも２つのビームに分離し、フォーカスエラー信号ＳＦＥを生成するための第１の受光部８１により上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するとともに、受光領域が少なくとも４つに分割された一つあるいは複数の撮像素子、位置検出素子で構成された第２の受光部８２Ａで上記ビームスプリッタ９により分離された一方のビームを受光するようにしてもよい。
【０１５３】
また、上記変位検出装置１１０では、演算処理部２０Ａにより、被測定面ＴＧの傾斜に起因する受光部８上でのビーム位置のシフトによる受光バランスのズレ量を算出して位置補正信号γ・ＳＴＣを生成し、上記演算処理部２０Ａにより生成された位置補正信号γ・ＳＴＣを用いて、位置情報生成部６０Ａより、上記被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正した該被測定面ＴＧの位置情報を生成するようにしたが、例えば、図２２に示す変位検出装置１２０のように、補正テーブル６１から読み出される位置補正信号Ｓｃを用いて、位置情報生成部６０Ｂにより被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正した上記被測定面ＴＧの位置情報を生成するようにすることもできる。
【０１５４】
なお、この変位検出装置１２０において、演算処理部２０Ｂ、信号処理部６０Ｂ、補正テーブル６１以外の構成要素については、上記変位検出装置１１０と同じなので、対応する構成要素に同一符号を図２２中に付して、その詳細な説明を省略する。
【０１５５】
この変位検出装置１２０において、信号処理部６０Ｂは、演算処理部２０Ｂにより生成されるポジション信号ＳＰＸ，ＳＰＹに基づいて補正テーブル６１から読み出される位置補正信号Ｓｃを用いて、信号処理部６０Ｂにより被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正した当該被測定面ＴＧの位置情報を生成する。
【０１５６】
ここで、この変位検出装置１２０における演算処理部２０Ｂは、例えば図２３のブロックに示すように、上記受光部８の各受光素子８Ａ〜８Ｄから出力される各出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、加算回路２１Ａ〜２１Ｅ、減算回路２２Ａ，２２Ｂ、除算回路２３Ａ，２３Ｂによりビーム位置信号としてポジション信号ＳＰＸ，ＳＰＹを得るとともに、加算回路２１Ｆ，２１Ｇ、減算回路２２Ｃにより上述した式（１）で与えられるフォーカスエラー信号ＳＦＥを得ている。
【０１５７】
すなわち、上記演算処理部２０Ａでは、加算回路２１Ａ，２１Ｂと減算回路２２Ａと除算回路２３Ａにより上述した式（２）で与えられる正規化したＸ方向のポジション信号ＳＰＸを算出するとともに、加算回路２１Ｃ，２１Ｄと減算回路２２Ｂと除算回路２３Ｂにより上述した式（３）で与えられる正規化したＹ方向のポジション信号ＳＰＹを算出している。
【０１５８】
そして、上記補正テーブル６１には、フォーカス制御部３０によりフォーカスサーボを掛けた状態で上記被測定面ＴＧの傾斜に起因してシフトしたビーム位置における上記被測定面ＴＧの位置補正信号Ｓｃが上記演算処理部２０Ｂにより生成される上記ポジション信号ＳＰＸ，ＳＰＹすなわちビーム位置信号に対応させて予め記録されている。
【０１５９】
上記位置補正信号Ｓｃは、この変位検出装置１２０を実装した工作機械などにおいて、実際に被測定面ＴＧを傾斜させて計測して補正テーブル６１に記録するようにしても良い。
【０１６０】
この変位検出装置１２０では、補正テーブル６１から読み出される位置補正信号Ｓｃを用いて、位置情報生成部６０Ｂにより被測定面ＴＧの傾斜の影響を補正した上記被測定面ＴＧの位置情報を生成することができ、被測定面ＴＧの面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面ＴＧの変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させ、しかも、被測定面ＴＧの傾きの影響を受けることなく本来求められる被測定面ＴＧの変位情報のみを正確に得られるようにすることができる。
【符号の説明】
【０１６１】
１，１Ａ，１Ｂ  光源、２，６  コリメータレンズ、３  分離光学系、３Ａ  偏光ビームスプリッタ、３Ｂ  位相板、４  ミラー、５  対物レンズ、７  非点収差発生部、８，８１，８１Ａ，８１Ｂ，８２  受光部、８Ａ〜８Ｄ  受光素子、９  ビームスプリッタ、１０  非接触センサ、１０Ａ  照射光学系、１０Ｂ  受光光学系、２０，２０Ａ，２０Ｂ  演算処理部、３０  サーボ制御部、４０  アクチュエータ、４０Ａ  可動コイル、４０Ｂ  永久磁石、４１  連結部材、４２  レンズ保持部、５０  変位量測定部、５１  リニアスケール、５２  検出ヘッド、５１Ａ  目盛、５１Ｂ  原点、５２  検出ヘッド、６０，６０Ａ，６０Ｂ  信号処理部、６１  補正テーブル、７０  制御部、８０  表示部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１１０，１２０  変位測定装置、ＴＧ  被測定面
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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