(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出射する光源と、
前記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第１の光束を回折し、回折した前記第１の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、
前記光束分割部によって分割された前記第２の光束を反射する反射部と、
前記光束分割部によって分割された第１の光束と第２の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、
前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定面によって再び反射された前記第１の光束と、前記反射部によって反射された前記第２の光束を重ね合わせる光束結合部と、  前記光束結合部により重ね合わされた前記第１の光束及び前記第２の光束の干渉光を受光する受光部と、
前記受光部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変位情報を出力する相対位置情報出力手段と、
を備え、
前記回折格子の格子ベクトルは、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、前記被測定部材が高さ方向に変位しても、前記第１の光束の光路長が常に一定の距離に保たれることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記光路長調整手段は、前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記反射部を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有する請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記光路長調整手段は、光学プリズムを移動させることで、当該光学プリズムを通過する光束の光路長を調整する請求項１の変位検出装置。
【請求項４】
前記回折格子は反射型回折格子であり、
前記光路長調整手段は、前記回折格子を入射される光束の光軸方向に移動させることで光路長を調整する請求項１の変位検出装置。
【請求項５】
前記光路長調整手段は、第１の光束もしくは第２の光束もしくはその両方を反射する反射鏡を移動させることで、光路長を調整する請求項１の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射された測定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し、詳しくは被測定面の垂直な方向の変位を検出する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定面の変位や形状を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。代表的な例としては、レーザ光を被測定面に照射し、反射光の位置の変化をＰＳＤ（Position Sensitive Device）で検出する方法がある。しかしながら、この方法では、被測定面の傾きの影響を受けやすく、感度が低く、測定範囲を広げると測定の分解能が落ちるという問題があった。
【０００３】
これに対し、被測定面を鏡面としてマイケルソンの干渉計を使用する方法がある。この方法は、検出範囲が広く、直線性に優れるが、測定範囲が広がると光源の波長の変化と空気の屈折率の変化を受ける。
【０００４】
一方、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。そして、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る。このとき、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方式がある（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。
【０００５】
特許文献１に開示された変位検出装置では、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：Numerical 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】
【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】
しかしながら、特許文献１に記載された変位検出装置では、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。そのため、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ていた。その結果、上記変位検出装置では、高速で振動する被測定物の計測は難しかった。また、検出点を絞れる反面、被測定物上の異物やビーム形状に近い細かな形状変化の影響を受け、大きな誤差を発生する、という問題があり、その使用条件に制約が生じてしまっていた。
【０００８】
さらに被測定物が、積層された構造である場合、その中から任意の層にフォーカスサーボをかけるのは、非常に困難であり、安定した計測が不可能であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、高精度に積層された被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することにある。
【００１０】
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】
【００１１】
すなわち、本発明は、変位検出装置であって、測定光を出射する光源と、前記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する光束分割部と、前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第１の光束を回折し、回折した前記第１の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、前記光束分割部によって分割された前記第２の光束を反射する反射部と、前記光束分割部によって分割された第１の光束と第２の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定面によって再び反射された前記第１の光束と、前記反射部によって反射された前記第２の光束を重ね合わせる光束結合部と、前記光束結合部により重ね合わされた前記第１の光束及び前記第２の光束の干渉光を受光する受光部と、前記受光部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変位情報を出力する相対位置情報出力手段とを備え、前記回折格子の格子ベクトルは、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、前記被測定部材が高さ方向に変位しても、前記第１の光束の光路長が常に一定の距離に保たれることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記反射部を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有する。
【００１３】
また、本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、例えば、光学プリズムを移動させることで、当該光学プリズムを通過する光束の光路長を調整するものとすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る変位検出装置では、例えば、前記回折格子は反射型回折格子であり、前記光路長調整手段は、前記回折格子を入射される光束の光軸方向に移動させることで光路長を調整するものとすることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、例えば、第１の光束もしくは第２の光束もしくはその両方を反射する反射鏡を移動させることで、光路長を調整するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光束分割部によって分割された被測定部材に入射させる物体光となる第１の光束、又は、参照光となる第２の光束の少なくとも一方の光路長を光路長調整手段で調整することにより、高精度に積層された被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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備えられた光路長調整手段の構造例を模式的に示す側面図である。
【図３】上記変位検出装置に備えられた反射型の回折格子の構成例を模式的に示す側面図である。
【図４】上記変位検出装置により測定される多層の被測定面を有する被測定部材の構造を模式的に示すに示す側面図である。
【図５】上記変位検出装置における  模式的に示すに示す側面図である。
【図６】上記変位検出装置に備えられた相対位置情報検出部における相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。
【図７】上記変位検出装置における被測定部材の被測定面に照射される第１の光束の上記被測定面上での照射スポットと回折格子上における回折位置の関係を模式的に示す図である。
【図８】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１１】上記変位検出装置において、被測定部材の被測定面に照射された第１の光束の上記被測定面による反射と透過型の回折格子による回折の状態を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
この変位検出装置１００は、回折格子１４を用いて被測定部材１の被測定面１ａにおける垂直な方向（測定方向Ｚ）の変位を該被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて検出するものであって、光源１０と、この光源１０から出射される測定光Ｌ０を２つの光束Ｌ１，Ｌ２に分割する光束分割部１２と、回折格子１４と、反射鏡１８と、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて、上記測定方向Ｚの相対位置を光学的に検出する相対位置検出部２０を備える。
【００２１】
光源１０には、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、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード、白色光等が挙げられる。
【００２２】
光源１０として、可干渉距離が短い光源を用いると、可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。したがって、光源１０は、可干渉距離ができるだけ短い光源を用いることが望ましい。
【００２３】
さらに、光源１０として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源１０の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源１０の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。
【００２４】
この光源１０から出射された測定光Ｌ０は、コリメートレンズ等からなるレンズ１１を介して光束分割部１２に入射されている。レンズ１１は、光源１０から出射された測定光Ｌ０を平行光にコリメートする。そのため、光束分割部１２には、レンズ１１により平行光にコリメートされた測定光Ｌ０が入射される。
【００２５】
光束分割部１２は、コリメートされた測定光Ｌ０を物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割する。第１の光束Ｌ１は、物体光として、第１の位相板１３を介して被測定部材１に照射され、第２の光束Ｌ２は、参照光として、第２の位相板１５と光路長調整プリズム１７ａを介して反射鏡１８に照射される。また、光束分割部１２は、例えば、光源１０から入射される測定光Ｌ０のうち、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタからなる。
【００２６】
光束分割部１２では、測定光Ｌ０が第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割されるが、その光量比率は、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに入射する際に被測定部材１側と反射鏡１８側でそれぞれが同じ光量になるような比率にすることが好ましい。
【００２７】
また、光源１０と光束分割部１２との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。
【００２８】
また、第１の位相板１３及び第２の位相板１５は、それぞれ１／４波長板等から構成されている。
【００２９】
ここで、光路長調整プリズム１７ａは、図２に示すように、参照光として入射される第２の光束Ｌ２の光軸と直交する方向に可動部１７ｂにより移動されることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を可変する光路長調整手段として機能する。上記可動部１７ｂには、ステージやピエゾ素子が用いられる。
【００３０】
光路長調整プリズム１７ａと可動部１７ｂによる光路長調整手段１７は、光束分割部１２から回折格子１４までの第２の光束Ｌ２の光路中に設けられることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を任意に調整できる。
【００３１】
これにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材１の被測定面１ａや図３に示すように多層膜で形成された被測定部材１の各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする場合にも、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する被測定面１ａを検出することができる。さらに光源１０の可干渉距離が短いので、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する層の境界面のみを被測定面１ａとして選択して検出することができる。
【００３２】
ここで、一般に被測定部材１としては、ミラー等が用いられるが、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材１の被測定面１ａや図３に示すように多層膜で形成された被測定部材１の各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする場合には、保護膜のない被測定部材１の表面を被測定面１ａとする場合と光路長が異なるため、可干渉距離が短い光源では、表面１ｓの反射光で干渉信号が得られても、媒体内の層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎによる反射光との干渉信号は得られない。
【００３３】
各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする多層膜で形成された被測定部材１の例としては、多層膜や半導体のウエハなどがあげられる。
【００３４】
表面反射の場合、被測定部材１の変動によって光路長Ａ＝Ａ’，Ｂ＝Ｂ’よりＡ＋ＢとＡ’＋Ｂ’が、常に等しいことため、一度第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の長さを等しく調整してしまえば、第１の光束Ｌ１の光路内の媒体の屈折率が変化しない限り、安定して検出が可能になる。一方、表面反射と、積層した媒体内の屈折率ｎとする場合、Ａ＝Ａ’であっても媒体内は、Ｂ＜Ｂ’になるため、光路長に差が生じる。よって各層の面を検出するためには、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、それぞれの第１の光束Ｌ１の光路長に一致させるように第２の光束Ｌ２を調整する必要がある。
【００３５】
光路長調整プリズム１７ａと可動部１７ｂによる光路長調整手段１７は、この光路長の差を解消し、各層の面を選択して検出する働きをする。
【００３６】
上記光路長調整手段１７は、物体光である第１の光束Ｌ１における光束分割部１２から回折格子１４を介して上記光束結合部１２に戻るまでの光路長と、参照光である第２の光束Ｌ２における光束分割部１２から回折格子１４を介して上記光束結合部１２に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有している。
【００３７】
なお、この変位検出装置１００では、上記光路長調整手段１７により第２の光束Ｌ２を調整に連動して反射鏡１８を回転させて、回折格子１４への第２の光束Ｌ２の入射角が変化しないようにしている。
【００３８】
この変位検出装置１００において、回折格子１４は、入射した光を反射させ、かつ回折させる反射型の回折格子である。
【００３９】
そして、被測定部材１は、回折格子１４によって回折された第１の光束Ｌ１を反射して、再び光束分割部１２へ戻す。回折格子１４は、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角、すなわち回折格子１４の回折面と被測定部材１の被測定面１ａで形成される角度がほぼ９０°となるように配置されている。
【００４０】
なお、回折格子１４における被測定部材１に対する配置する精度は、変位検出装置１００に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置１００に高い精度を要求する場合、回折格子１８を被測定部材１の被測定面１ａに対して９０°±０．５°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子１４を被測定部材１の被測定面１ａに対して９０°から±２°の範囲で配置しても、変位検出装置１００を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。
【００４１】
また、回折格子１４に入射した第１の光束Ｌ１は、回折格子１４によって反射し、かつ回折される。この回折格子１４の格子ピッチΛは、回折角が回折格子１４への入射角とほぼ等しくなるように設定される。すなわち、回折格子１４の格子ピッチΛは、被測定面１ａへの入射角をθ、光の波長をλとすると、次の式１を満たす値に設定することが好ましい。なお、上述したように、回折格子１４が被測定部材１の被測定面１ａに対して直角に配置されているため、回折格子１４への入射角は、π／２−θとなる。
【００４２】
Λ＝λ／（２ｓｉｎ（π／２−θ））  ・・・式１
【００４３】
そのため、回折格子１４によって反射し、かつ回折されて再び被測定部材１の被測定面１ａに入射するときの光路が、光束分割部１２によって分割された第１の光束Ｌ１が被測定部材１の被測定面１ａによって反射されて回折格子１４に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子１４よって回折された第１の光束Ｌ１は、光束分割部１２から被測定部材１の被測定面１ａに照射された照射スポットＰ１と同じ点に戻る。そして、第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａで再び反射され、光束分割部１２から照射されたときの光路と同じ光路を通って光束分割部１２に戻る。
【００４４】
なお、回折格子１４としては、例えば図５の側面図に一例を示すような構造の回折格子が用いられる。
【００４５】
この回折格子１４は、溝の断面形状を鋸歯状に形成した、いわゆるブレーズド回折格子１４Ａ，１４Ｂからなる。この回折格子１４によれば、被測定部材１の被測定面１ａで反射された物体光である第１の光束Ｌ１や、反射鏡１８で反射された参照光である第２の光束Ｌ２の回折効率を高めることができ、信号のノイズを低下させることができる。
【００４６】
また、反射鏡１８は、図１に示すように、光束分割部１２によって分割された第２の光束Ｌ２を回折格子１４に反射するものである。この反射鏡１８は、回折格子１４を間に挟んで被測定部材１と対向する位置に設けられている。そして、反射鏡１８の反射面は、被測定部材１の被測定面１ａと略平行に配置される。そのため、反射鏡１８及び回折格子１４は、反射鏡１８の反射面と回折格子１４の回折面で形成される角度がほぼ９０°となるように配置される。
【００４７】
また、反射鏡１８は、回折格子１４によって回折された第２の光束Ｌ２を再び反射して光束分割部３に戻す。なお、反射鏡１８によって反射され、かつ回折格子１４によって回折された第２の光束Ｌ２も、第１の光束Ｌ１と同様に、光束分割部１２から照射されたときの光路と同じ光路を通って光束分割部１２に戻る。
【００４８】
この反射鏡１８は、第１の光束Ｌ１における光束分割部１２から回折格子１４までの光路長と、第２の光束Ｌ２における光束分割部１２から回折格子１４までの光路長が等しくなるように配置される。反射鏡１８を設けたことで、この変位検出装置１００を製造する際に、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧や湿度や温度の変化による光源１０の波長変動の影響を受けにくくすることができる。
【００４９】
上述したように、反射鏡１８の反射面と回折格子１４の回折面は、被測定部材１の被測定面１ａと回折格子１４の関係と同様に、略直角に配置することが好ましい。これにより、回折格子１４によって回折されて再び反射鏡１８の反射面に入射するときの光路が、反射鏡１８によって反射されて回折格子１４に入射するときの光路に重なり合う。
【００５０】
また、光束分割部１２は、被測定部材１及び反射鏡１８から反射されて戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を重ね合わせて、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに照射する。すなわち、この変位検出装置１００における光束分割部１２は、測定光Ｌ０を第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割する光束分割部としての役割と、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。
【００５１】
ここで、光束分割部１２から被測定部材１及び回折格子１４を介して光束分割部１２に戻るまでの長さと、光束分割部１２から反射鏡１８及び回折格子１４を介して光束分割部１２に戻るまでの長さは、略等しく設定されている。すなわち、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を等しく設定したため、気圧や湿度、温度の変化による光源１０の波長変動があったとしても、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。
【００５２】
相対位置検出部２０は、受光部２０Ａと相対位置情報出力部２０Ｂからなる。
【００５３】
相対位置検出部２０の受光部２０Ａは、光束分割部１２により重ね合わされた第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が入射される集光レンズ２１と、この集光レンズ２１により集光された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２すなわち入射光を分割するハーフミラー２２と、このハーフミラー２２により分割された入射光が入射される第１の偏光ビームスプリッタ２３と、上記ハーフミラー２２により分割された入射光が例えば１／４波長板等からなる受光側位相板２４を介して入射される第２の偏光ビームスプリッタ２５を備える。
【００５４】
これら第１の偏光ビームスプリッタ２３及び第２の偏光ビームスプリッタ２５は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２との干渉光を分割するものである。
【００５５】
第１の偏光ビームスプリッタ２３は、入射される光束の偏光方向が入射面に対して４５度傾くように配置されている。この第１の偏光ビームスプリッタ２３における光の出射口側には、第１の受光素子２６と、第２の受光素子２７が設けられている。また、第２の偏光ビームスプリッタ２５における光の出射口側には、第３の受光素子２８と、第４の受光素子２９が設けられている。
【００５６】
また、相対位置検出部２０の相対位置情報出力部２０Ｂは、図６に示すように、第１の差動増幅器６１ａと、第２の差動増幅器６１ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａと、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂと、波形補正処理部６３と、インクリメンタル信号発生器６４とを有している。
【００５７】
第１の差動増幅器６１ａは、受光部２０Ａの第１の受光素子２６及び第２の受光素子２７が入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。また、第２の差動増幅器６１ｂは、受光部２０Ａの第３の受光素子２８及び第４の受光素子２９が入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａ及び第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂは、波形補正処理部６３に接続されている。波形補正処理部６３は、インクリメンタル信号発生器６４に接続されている。
【００５８】
このような構成の変位検出装置１００において、光束分割部１２により重ね合わされて、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに入射される第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対してそれぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を第１の偏光ビームスプリッタ２３によって干渉させることができる。
【００５９】
同様に、第１の偏光ビームスプリッタ２３によって反射される第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第１の偏光ビームスプリッタ２３によって干渉させることができる。
【００６０】
第１の偏光ビームスプリッタ２３によって反射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第１の受光素子２６によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第２の受光素子２７によって受光される。ここで、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７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。
【００６１】
したがって、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７によって、Ａｃｏｓ（Ｋｚ＋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で示される波数である。また、ｚは、回折格子１４上における第１の光束Ｌ１の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子４における格子のピッチである。
【００６２】
ここで、図７に示すように、被測定部材１が高さ方向にｚ／２だけ移動すると、被測定部材１の被測定面１ａに照射される第１の光束Ｌ１は、照射スポットＰ１から照射スポットＰ２に移動する。また、被測定部材１の被測定面１ａで反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子１４の回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ２に移動する。ここで、回折格子１４は、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されているため、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ２の間隔は、照射スポットＰ１と照射スポットＰ２の間隔の２倍のｚとなる。すなわち、回折格子１４上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材１を移動した際の２倍のｚとなる。
【００６３】
また、回折格子１４が被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されているため、被測定部材１が高さ方向に変位しても、Ｐ２−Ｔ２間の距離と、Ｐ２−Ｐ１−Ｔ１間の距離が一定であることから、第１の光束Ｌ１の光路長は常に一定となることが分かる。すなわち、第１の光束Ｌ１の波長は、変化しない。そして、被測定部材１が高さ方向に変位すると、回折格子１４に入射する位置だけが変化する。
【００６４】
よって、回折された第１の光束Ｌ１には、Ｋｚの位相が加わる。つまり、被測定部材１が高さ方向に対してｚ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は回折格子１４上ではｚだけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１には、Ｋｚの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子２６、第２の受光素子２７によって受光される。
【００６５】
ここで、第１の受光素子２６及び第２の受光素子２７によって得られる干渉信号には、光源１０の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長に変動が起きても干渉強度には、影響を受けない。
【００６６】
一方、ハーフミラー２２を透過した光束Ｌａは、受光側位相板２４を介して第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される。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Ｌ１及び第２の光束Ｌ２からなる光束Ｌａは、受光側位相板２４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、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って、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される。
【００６７】
この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ２５によって反射され、第３の受光素子２８に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ２５を透過し、第４の受光素子２９によって受光される。
【００６８】
上述したように、第２の偏光ビームスプリッタ２５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。そして、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材１が高さ方向にΛ／２だけ移動すると１／２回転する。したがって、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９でも同様に、Ａｃｏｓ（Ｋｚ＋δ’）の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。
【００６９】
また、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。
【００７０】
なお、この変位検出装置１００では、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対して、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ２６を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９において得られる信号は、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。
【００７１】
したがって、例えば第１の受光素子２６と第２の受光素子２７で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９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。
【００７２】
これらの受光素子２６〜２９によって得られる信号は、相対位置情報出力部２０Ｂによって演算され、被測定面１ａの変位量がカウントされる。
【００７３】
相対位置情報出力部２０Ｂでは、まず、受光部２０Ａの第１の受光素子２６と第２の受光素子２７で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を第１の差動増幅器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。
【００７４】
そして、この信号は、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａ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から出力される。
【００７５】
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、第２の差動増幅器６１ｂによって差動増幅され、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂ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。
【００７６】
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、被測定部材１の被測定面１ａ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。
【００７７】
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パルス数をカウントすることにより、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２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。これにより、被測定部材１の被測定面１ａの変位量が検出される。
【００７８】
なお、この変位検出装置１００における相対位置情報出力部２０Ｂ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。
【００７９】
ここで、上記変位検出装置１００では、光束分割部１２から回折格子１４までの第２の光束Ｌ２の光路中に光路長調整プリズム１７ａと可動部１７ｂによる光路長調整手段１７を設けることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を任意に調整できるようにしたが、光束分割部１２から回折格子１４までの第１の光束Ｌ１の光路中に光路長調整プリズム１７ａと可動部１７ｂによる光路長調整手段１７を設けることにより、第１の光束Ｌ１の光路長を調整するようにしてもよい。
【００８０】
また、図８に示す変位検出装置１００Ａのように、参照光である第２の光束Ｌ２を反射する反射鏡１８を第２の光束Ｌ２の光軸と直交する配置して、可動部１７Ａにより上記反射鏡１８を第２の光束Ｌ２の光軸方向に移動させて第２の光束Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この場合、光路長調整手段は、物体光である第１の光束Ｌ１における光束分割部１２から回折格子１４を介して上記光束結合部１２に戻るまでの光路長と、参照光である第２の光束Ｌ２における光束分割部１２から反射鏡１８を介して上記光束結合部１２に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有するものとされる。上記可動部１７Ａには、ステージやピエゾ素子が用いられる。
【００８１】
さらに、図９に示す変位検出装置１００Ｂのように、物体光である第１の光束Ｌ１を回折させる反射型の回折格子１４Ａと参照光である第２の光束Ｌ２を回折させる反射型の回折格子１４Ｂを分離して配し、上記回折格子１４Ａと回折格子１４Ｂの一方又は両方を可動部１７Ａ，１７Ｂにより被測定面１ａの測定方向Ｚと直交する方向Ｘに移動させて第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の一方又は両方の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この変位検出装置１００Ｂにおいて、上記回折格子１４Ａと回折格子１４Ｂは、光路長調整手段による調整範囲で第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を一致させることができるように予め測定方向Ｚと直交する方向Ｘにずらして配置される。
【００８２】
上記可動部１７Ａ，１７Ｂには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部１７Ａ，１７Ｂを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。
【００８３】
なお、上記変位検出装置１００Ａ，１００Ｂにおいて、上記変位検出装置１００と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００８４】
また、上記変位検出装置１００において、相対位置情報検出部２０は、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１を反射型回折格子１４を介して受光する受光部２０Ａを備え、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力するものとしたが、本発明は、例えば図１０に示すように、被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１を透過型回折格子１４Ｃを介して受光する受光部２０Ａを備え、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力する変位検出装置１００Ｃに適用することもできる。
【００８５】
すなわち、図１０に示す変位検出装置１００Ｃは、上記変位検出装置１００と同様に、測定方向Ｚとは垂直な方向Ｘに相対移動可能な被測定部材１の被測定面１ａの変位を該被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて検出するものであって、光源１０と、この光源１０から出射される測定光Ｌ０を２つの光束Ｌ１，Ｌ２に分割する光束分割部１２と、透過型の回折格子１４Ｃ、反射鏡１８と、戻り用反射鏡ブロック１９と、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて、上記測定方向Ｚの相対位置と絶対位置を光学的に検出する相対位置検出部２０と絶対位置検出部３０を備える。
【００８６】
なお、この変位検出装置１００Ｃにおいて、上記変位検出装置１００と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００８７】
この変位検出装置１００Ｃでは、光源１０から出射された測定光Ｌ０がレンズ１１Ａによりコリメートされ平行光として光束分割部１２に入射され、光束分割部１２により物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割される。
【００８８】
光束分割部１２で分割された第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１３を介して被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１に入射され、この被測定面１ａで反射されて透過型の回折格子１４Ｃに入射される。
【００８９】
回折格子１４Ｃは、入射された光を透過させ、かつ回折する透過型の回折格子である。
【００９０】
すなわち、この変位検出装置１００Ｃでは、上記変位検出装置１００における反射型の回折格子１８に替えて上記透過型の回折格子１４Ｃが設けられている。
【００９１】
そして、この透過型の回折格子１４Ｃに入射された第１の光束Ｌ１は、当該透過型の回折格子１４Ｃを透過し、かつ１回回折されて、被測定部材１の被測定面１ａにおける上記第１の照射スポットＰｃ１と異なる第２の照射スポットＰｄ１に入射され、この被測定面１ａで反射されて戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａに入射される。
【００９２】
また、上記透過型の回折格子１４Ｃに入射された第１の光束Ｌ１は、当該透過型の回折格子１４Ｃを透過し、絶対位置検出部３０の受光部３１に入射される。
【００９３】
また、光束分割部１２で分割された第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１５と光路長調整プリズム１７ａを介して反射鏡１８に入射され、この反射鏡１８を介して被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＳｃ１に入射され、この被測定面１ａで反射されて透過型の回折格子１４Ｃに入射される。
【００９４】
そして、この透過型の回折格子１４Ｃに入射された第２の光束Ｌ２は、当該透過型の回折格子１４Ｃを透過し、かつ１回回折されて、反射鏡１８の反射面における上記第１の照射スポットＳｃ１と異なる第２の照射スポットＳｄ１に入射され、この反射面で反射されて戻り用反射鏡ブロック１９の第２の反射面１９Ｂに入射される。
【００９５】
戻り用反射鏡ブロック１９は、第１の反射面１９Ａと第２の反射面１９Ｂとを有する略三角形状のミラーである。第１の反射面１９Ａは、被測定部材１の被測定面１ａで反射されて入射された第１の光束Ｌ１を反射して入射したときと同じ光路で被測定部材１の被測定面１ａと透過型の回折格子１４Ｃを介して光束分割部１２に戻す。また、第２の反射面１９Ｂは、反射鏡１８の反射面で反射されて入射された第２の光束Ｌ２を反射して入射したときと同じ光路で反射鏡１８の反射面と透過型の回折格子１４Ｃを介して光束分割部１２に戻す。
【００９６】
この変位検出装置１００Ｃにおいて、戻り用反射鏡ブロック１９は、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長が等しくなるように配置される。また、この戻り用反射鏡ブロック１９は、被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚに可動部１７Ｃにより移動させることができるようになっている。上記可動部１７Ｃには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部１７Ｃを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。
【００９７】
すなわち、この変位検出装置１００Ｃは、上記可動部１７Ｃにより戻り用反射鏡ブロック１９を被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚに移動させることによって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段を備えている。この変位検出装置１００Ｃでは、上記光路長調整手段によって、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長を調整することで、被測定部材１が積層された反射面であっても、各層の境界面からの第１の光束Ｌ１に光路長を調整して、測定対象の境界面を選択して検出することができる。
【００９８】
そして、この変位検出装置１００Ｃでは、被測定部材１及び反射鏡１８から反射されて光束分割部３に戻ってきた重ね合わせされた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を相対位置検出部２０の受光部２０Ａで受光することにより、上記変位検出装置１００と同様に、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力する。
【００９９】
ここで、この変位検出装置１００Ｃにおいて、透過型の回折格子１４Ｃは、被測定部材１の被測定面１ａに対して略垂直に配置されており、図１１に示すように、被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１に入射角θ１で入射した第１の光束Ｌ１が入射角π／２−θ１で入射される。さらに、第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａにおける第２の照射スポットＰｄ１に入射角θ２で入射される。
【０１００】
また、回折格子１４Ｃの格子ピッチΛは、回折角が回折格子１４Ｃへの入射角とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。すなわち、回折格子１４Ｃの格子ピッチΛは、上述したように被測定部材１の被測定面１ａの一回目の入射角をθ１、二回目の入射角をθ２、波長λとすると、次の式２を満たす。
【０１０１】
Λ＝ｎλ／（ｓｉｎ（π／２−θ１）＋ｓｉｎ（π／２−θ２））    ・・・式２
【０１０２】
なお、ｎは、正の次数である。
【０１０３】
回折格子１４Ｃへの入射角と回折角が等しくなる場合、第１の照射スポットＰｃ１と第２の照射スポットＰｄ１は、回折格子１４Ｃに対して対称に構成することができる。そして、式２は、次の式３にて示すことができる。
２Λｓｉｎθ＝ｎλ    ・・・式３
【０１０４】
なお、θは、回折格子１４Ｃの入射角及び回折角である。
【０１０５】
すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子１４Ｃによって回折される回折光を強めることが可能となる。
【０１０６】
また、角度θ２で被測定部材１の被測定面１ａに入射した第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａにより反射され、戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａに入射し、この第１の反射面１９Ａで反射されて、行きと同じ光路をたどり、再び被測定部材１の被測定面１ａの第２の照射スポットＰｄ１に入射角θ２で入射される。
【０１０７】
さらに、被測定部材１の被測定面１ａによって反射した第１の光束Ｌ１は、回折格子１４Ｃに角度π／２−θ２で再び入射される。なお、第１の光束Ｌ１における２回目の回折は、式１の条件により回折角π／２−θ１で回折される。そして、回折格子１４Ｃによって回折された第１の光束Ｌ１は、再び被測定部材１の被測定面１ａの第１の照射スポットＰｃ１に入射角θ１で入射される。そのため、被測定部材１の被測定面１ａによって反射された戻りの第１の光束Ｌ１の光路が、光束分割部１２によって分割された行きの第１の光束Ｌ１の光路と重なり合う。
【０１０８】
また、被測定部材１の被測定面１ａが高さ方向にｚ／２だけ移動すると、被測定部材１の被測定面１ａに照射される第１の光束Ｌ１は、第１の照射スポットＰｃ１から第１の照射スポットＰｃ２に移動する。また、被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１，Ｐｃ２で反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子１４Ｃの回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ２に移動する。さらに、回折格子１４Ｃによって１回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａにおける第２の照射スポットＰｄ１から第２の照射スポットＰｄ２に移動する。
【０１０９】
ここで、回折格子１４Ｃは、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されており、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ２の間隔は、第１の照射スポットＰｃ１と第１の照射スポットＰｃ２の間隔の２倍のｚとなる。すなわち、回折格子１４Ｃ上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材１を移動した際の２倍のｚとなる。
【０１１０】
また、回折格子１４Ｃが被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されており、第１の光束Ｌ１の光路長は、被測定部材１が高さ方向に変位しても、常に一定となる。すなわち、第１の光束Ｌ１の波長は、変化しない。そして、被測定部材１が高さ方向に変位すると、回折格子１４Ｃに入射する位置だけが変化する。
【０１１１】
なお、反射鏡１８に照射された第２の光束Ｌ２においても、第１の光束Ｌ１と同様であるため、その説明は省略する。
【０１１２】
この変位検出装置１００Ｃでは、第１の光束Ｌ１を２回回折している。そのため、２回回折された第１の光束Ｌ１には、２Ｋｚの位相が加わる。Ｋは、２π／Λで示される波数である。また、ｚは、回折格子１４Ｃ上における第１の光束Ｌ１の移動量を示している。つまり、被測定部材１が高さ方向に対してｚ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は回折格子１４Ｃ上では２倍のｚだけ移動する。さらに、２回回折することで、第１の光束Ｌ１には、２Ｋｚの位相が加わり、２周期分の光の明暗が生じる干渉光が相対位置検出部２０の受光部２０Ａによって受光される。
【０１１３】
すなわち、上記受光部２０Ａの第１の受光素子２６と第２の受光素子２７では、Ａｃｏｓ（２Ｋｚ＋δ）の干渉信号を得ることができる。また、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９では、Ａｃｏｓ（２Ｋｚ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。
【０１１４】
よって、この変位検出装置１００Ｃでは、回折格子１４Ｃの格子ピッチと上述の変位検出装置１００における回折格子１４の格子ピッチが同じ場合、上記変位検出装置１００よりも２倍の分解能とすることができる。
【０１１５】
例えば、回折格子１４Ｃの格子ピッチΛを０．５５１５μｍ、波長λを７８０ｎｍ、回折格子１４Ｃの入射角及び回折角を４５°に設定したとき、被測定部材１の被測定面１ａを高さ方向に０．５５１５μｍだけ移動した場合、第１の光束Ｌ１は、回折格子１４Ｃ上を０．５５１５μｍの２倍、すなわち２ピッチ分移動する。さらに、第１の光束Ｌ１は、２回回折されるため、４回の光の明暗を相対位置検出部２０の受光部２０Ａによって得ることができる。すなわち、得られる信号の１周期は、０．５５１５μｍ／４＝０．１３７９μｍとなる。
【０１１６】
また、この変位検出装置１００Ｃでは、一台の光学系で第１の光束Ｌ１を被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１と第２の照射スポットＰｄ１の２箇所に照射しているので、１台の光学系で、測定ポイントをキャンセルすることができる。
【０１１７】
さらに、上述したような構成にすることで、被測定部材１の被測定面１ａがチルトしても、第１の照射スポットＰｃ１に照射するときと第２の照射スポットＰｄ１に照射するときによってチルトを打ち消すことができる。そのため、第１の光束Ｌ１の光路長に変化が生じ難くなり、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長との差を小さくすることができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  被測定部材、１ａ  被測定面、２  基板、３  反射膜、１０  光源、１１  レンズ、１２  光束分割部、１３，１６  位相板、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ  回折格子、１７  光路長調整手段、１７ａ  光路長調整プリズム、１７ｂ，１７Ａ、１７Ｂ，１７Ｃ  可動部、１８  反射鏡、１９  戻り用反射鏡ブロック、１９Ａ，１９Ｂ  反射面、２０  相対位置検出部、２０Ａ  受光部、２０Ｂ  相対位置情報出力部、２１  集光レンズ、２２  ハーフミラー、２３，２５  偏光ビームスプリッタ、２４、２２３  位相板、２６〜２９  受光素子、６１ａ，６１ｂ  差動増幅器、６２ａ，６２ｂ  第１の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、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  変位検出装置
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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