(57)【要約】【課題】被測定面の面粗度の影響による測定誤差を緩和させ、測定目的に適した精度で被測定面の変位を検出することが可能な変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置１０Ａは、光源１０２から出射された光を第１の対物レンズ１１４で集光して被測定面ＴＧに結像させる照射光学系１０３ａと、被測定面ＴＧで反射した光を集光して受光素子１２０に入射させる受光光学系１０３ｂを有した非接触センサ１００Ａを備え、非接触センサ１００Ａは、光源１０２と第１の対物レンズ１１４との間に、被測定面ＴＧに照射される光を分光して複数点に結像させる回折格子１３０Ａを備える。被測定面ＴＧに複数のビームを照射することで、被測定面ＴＧの変位を平均化して、面粗度の影響を受けにくくする。【選択図】図１
2009300236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を対物レンズで集光して被測定面に照射する照射光学系、及び前記照射光学系で前記被測定面に結像され、前記被測定面で反射した光を集光して受光素子に入射させる受光光学系を有し、前記受光素子に入射した光の像の変化で、前記被測定面の変位情報を検出する非接触センサと、
前記非接触センサにより検出された前記被測定面の変位情報に基づいて前記対物レンズを変位させ、前記対物レンズの焦点位置と前記被測定面を合わせる制御部と、
前記非接触センサの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、前記被測定面の変位情報に基づいて前記制御部により前記対物レンズを変位させ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、
前記非接触センサは、前記光源と前記対物レンズとの間に、前記被測定面に照射される光を分光する分光素子が配置された変位検出装置。
【請求項２】
前記分光素子は、前記光源から出射された光を回折して複数の回折光を得る回折格子である請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記分光素子は、前記光源から出射された光を散乱させるランダムパターン形状を持った光学素子である請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記分光素子は、前記光源から出射された光を異なる方向に屈折または反射させる規則的なパターン形状を持った光学素子である請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記被測定面に結像される光のパターンとビーム径のいずれかまたは双方を異ならせる複数の前記分光素子が切り替えられる分光素子切替部材を備えた請求項１〜４に何れか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、対物レンズの焦点位置に被測定面があるかどうかを光学的非点収差法を用いて検出し、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たときの対物レンズの変位量から、被測定面を測定できるようにした変位検出装置に関する。詳しくは、光源と対物レンズの間に分光素子を配置することで、被測定面の面精度を正確に測定できるようにしたものである。
【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、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、非接触センサで生成した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）を大きくして被測定面に集光させる光ビーム径を小さくしている。被測定面に結像される光のビーム径を例えば２μｍ程度とすることで、リニアスケールの検出精度は、数ｎｍ〜１００数ｎｍ程度となる。
【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、上述した特許文献１に開示される変位検出装置では、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、被測定面に結像される光が被測定面の面粗度によって散乱してしまい、測定誤差を生じるという問題がある。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、本来求められる被測定面の変位や形状等の変位情報が正確に得られないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、被測定面の面粗度の影響による測定誤差を緩和させ、測定目的に適した精度で被測定面の変位を検出することが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】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明は、光源から出射された光を対物レンズで集光して被測定面に照射する照射光学系、及び照射光学系で被測定面に結像され、被測定面で反射した光を集光して受光素子に入射させる受光光学系を有し、受光素子に入射した光の像の変化で、被測定面の変位情報を検出する非接触センサと、非接触センサにより検出された被測定面の変位情報に基づいて対物レンズを変位させ、対物レンズの焦点位置と被測定面を合わせる制御部と、非接触センサの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、被測定面の変位情報に基づいて制御部により対物レンズを変位させ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、非接触センサは、光源と対物レンズとの間に、被測定面に照射される光を分光する分光素子が配置された変位検出装置である。
【０００８】
本発明の変位検出装置では、非接触センサで光源から出射された光が、照射光学系の分光素子で分光され、分光された光が対物レンズで集光されて、被測定面の所望の範囲、例えば複数点に結像される。被測定面の複数点に結像された光は、被測定面で反射され、受光光学系で集光されて受光素子に入射される。
【０００９】
非接触センサでは、受光素子に入射される光の像が、被測定面の対物レンズとの距離に応じて変化し、受光素子に入射される光の像に応じて、被測定面の変位情報が検出される。
【００１０】
非接触センサでは、被測定面の複数点に結像された光の反射光が受光素子に入射されることで、被測定面の平均化された変位情報が得られる。そして、変位検出装置では、非接触センサで検出された被測定面の平均化された変位情報に応じて、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たときのリニアスケールの変位量を測定することで、被測定面の形状等が検出される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の変位検出装置によれば、被測定面の所望の範囲に光を結像させることで、受光素子に入射される光の像は、被測定面で光が照射される範囲における変位を平均化した形状となる。これにより、非接触センサで被測定面の平均化された変位情報を検出することができるので、測定目的に応じた最適な検出精度により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】
以下、図面を参照して本発明の変位検出装置の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態の変位検出装置の構成及び動作例＞
図１は、本発明の第１の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図である。図１に示すように、変位検出装置１０Ａ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、アクチュエータ３００及び変位量測定部４００の構成を便宜上簡略化して図示している。
【００１３】
図２は、第１の実施の形態の非接触センサの構成の一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、回折格子１３０Ａと、偏光ビームスプリッタ１０８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、非点生成レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。
【００１４】
非接触センサ１００Ａは、コリメートレンズ１０４と、回折格子１３０Ａと、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４によって、照射光学系１０３ａが構成される。また、非接触センサ１００Ａは、第１の対物レンズ１１４と、ミラー１１２と、λ／４板１１０と、偏光ビームスプリッタ１０８と、第２の対物レンズ１１６と、非点生成レンズ１１８によって、受光光学系１０３ｂが構成される。
【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る。光源１０２は、レーザ光等の光をコリメートレンズ１０４に向けて出射する。コリメートレンズ１０４は、光源１０２から出射された光を平行光に変換する。平行光に変換された光は回折格子１３０Ａに入射される。
【００１６】
回折格子１３０Ａは分光素子の一例で、光源１０２と第１の対物レンズ１１４の間に配置される。回折格子１３０Ａは、本例では透過型の回折格子が用いられ、コリメートレンズ１０４で平行光に変換された光が透過することで、０次及び±ｍ次（ｍ＝整数）の回折光が得られる。ここで、回折格子１３０Ａは、透過型でシート状の回折格子を第１の対物レンズ１１４に貼り付けても良いし、反射型の回折格子をミラー１１２に配置しても良い。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ１０８は、回折格子１３０Ａで回折された回折光である照射光Ｌａを透過させてλ／４板１１０に入射させる。λ／４板１１０は、入射された直線偏光である照射光Ｌａを、例えば右回りに回転する円（楕円）偏光に変換する。λ／４板１１０を通過した照射光Ｌａは、ミラー１１２によって測定対象物の被測定面ＴＧに向けて反射され、第１の対物レンズ１１４に入射される。
【００１８】
第１の対物レンズ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、第１の対物レンズ１１４の焦点位置を被測定面ＴＧに合わせられるように、被測定面ＴＧに対して接近及び離間する方向に移動可能に構成される。第１の対物レンズ１１４に入射された照射光Ｌａは被測定面ＴＧに集光される。回折格子１３０Ａで得られた０次及び±ｍ次の回折光である照射光Ｌａは、第１の対物レンズ１１４で集光されることで、被測定面ＴＧの複数点に結像される。
【００１９】
図３は、回折格子を有した照射光学系による照射パターンの一例を示す図である。回折格子１３０Ａで得られた０次及び±ｍ次の回折光である照射光Ｌａを、第１の対物レンズ１１４によって被測定面ＴＧに集光することにより、被測定面ＴＧには、例えば十字状に光のビームスポットＢが形成される。
【００２０】
第１の対物レンズ１１４の焦点位置が被測定面ＴＧに合わせられることで、回折格子１３０Ａで得られた０次及び±ｍ次の回折光である照射光Ｌａのそれぞれは被測定面ＴＧに結像され、回折格子１３０Ａのパターン等に応じて、被測定面ＴＧにおける例えば数ｍｍの範囲内に、所望のパターンで光が結像される。
【００２１】
被測定面ＴＧに集光された照射光Ｌａ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、第１の対物レンズ１１４を通過して平行光に変換され、ミラー１１２で反射されてλ／４板１１０に入射される。
【００２２】
λ／４板１１０は、入射された例えば右回りの円（楕円）偏光である反射光を更に右回りに回転させて、照射光Ｌａに対して直線偏光方向が９０度回転した直線偏光に変換する。λ／４板１１０を通過した反射光Ｌｒは、偏光ビームスプリッタ１０８に再び入射される。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ１０８は、入射された反射光Ｌｒが照射光Ｌａに対して直線偏光方向が９０度回転しているため、反射光Ｌｒを第２の対物レンズ１１６方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ１０８で反射された反射光Ｌｒは第２の対物レンズ１１６に入射される。
【００２４】
第２の対物レンズ１１６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、入射された反射光を所定のビーム径で非点生成レンズ１１８に集光させる。非点生成レンズ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させ、平面の断面内では光をそのまま透過させる。非点生成レンズ１１８に入射された反射光Ｌｒは受光素子１２０に集光される。
【００２５】
受光素子１２０は、非点生成レンズ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（変位情報）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。
【００２６】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、４分割ダイオードに集光される反射光Ｌｒの像を示す図である。非接触センサ１００Ａでは、図３に示すように被測定面ＴＧの複数点に結像された光の反射光が、受光素子１２０を構成する４分割ダイオードに入射されることで、受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧで光が照射される範囲における変位を平均化した形状となる。
【００２７】
被測定面ＴＧが第１の対物レンズ１１４の焦点位置ｆ１（図１参照）にあるときには、図４（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、第１の対物レンズ１１４が被測定面ＴＧに対して焦点位置ｆ１より遠ざかると、図４（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、焦点位置ｆ１より近づくと図４（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。
【００２８】
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、焦点位置ｆ１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。
ＳFE＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）・・・（１）
【００２９】
図５は、フォーカスエラー信号の特性を示す図である。式（１）で与えられるフォーカスエラー信号ＳFEは図５のグラフに示すような特性を有する。図５の特性において、原点Ｏを合焦位置とし、第１の対物レンズ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、焦点距離と距離ｄとが等しくなる。
【００３０】
図１に戻り、サーボ制御部２１０は、制御部の一例であり、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、第１の対物レンズ１１４の焦点位置を被測定面ＴＧに合わせる制御を行う。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、焦点位置ｆ１に対する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。
【００３１】
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には連結部材５００が取り付けられる。連結部材５００には第１の対物レンズ１１４が取り付けられる。可動コイル３０２は、サーボ制御部２１０から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第１の対物レンズ１１４も矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動し、第１の対物レンズ１１４の焦点位置ｆ１を被測定面ＴＧに合わせて、被測定面ＴＧとの間の距離ｄが常に第１の対物レンズ１１４の焦点距離に等しい値となるようにフィードバック制御される。
【００３２】
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。
【００３３】
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、目盛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られる。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、第１の対物レンズ１１４の光軸Ｌｏの延長線Ｏａ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４０８が第１の対物レンズ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良い。
【００３４】
格子干渉計４０２は、図示しないシャーシ等に固定され、リニアスケール４０８の目盛４０６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、第１の対物レンズ１１４の焦点位置ｆ１を被測定面ＴＧに保持するように第１の対物レンズ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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
以上説明したように、第１の実施の形態の変位検出装置１０Ａによれば、光源１０２と第１の対物レンズ１１４との間に回折格子１３０Ａを配置するため、回折格子１３０Ａで０次及び±ｍ次の回折光である照射光Ｌａを得て、被測定面ＴＧを照射することができる。
【００３９】
照射光Ｌａを集光する第１の対物レンズ１１４の焦点位置が被測定面ＴＧに合わせられることで、回折格子１３０Ａで得られた０次及び±ｍ次の回折光である照射光Ｌａのそれぞれは、被測定面ＴＧにおける例えば数ｍｍの範囲内の複数点で、回折格子１３０Ａの格子パターン等に応じた任意のパターンで被測定面ＴＧに結像される。
【００４０】
これにより、回折格子１３０Ａを有した照射光学系１０３ａでは、被測定面ＴＧを照射する光のビーム径を、解像度を落とさずにμｍ単位からｍｍ単位まで拡げることと同等の効果が得られる。
【００４１】
すなわち、非接触センサ１００Ａでは、図３に示すように被測定面ＴＧの複数点に結像された光の反射光が、受光素子１２０を構成する４分割ダイオードに入射されることで、受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧで光が照射される範囲における変位を平均化した形状となる。
【００４２】
このように、非接触センサ１００Ａで被測定面ＴＧの平均化された変位情報が検出され、照射光Ｌａの数や照射光Ｌａが照射される範囲を、測定目的に応じて設定することで、最適な検出精度により被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００４３】
従って、被測定面ＴＧに複数のビームを照射することで、被測定面ＴＧにおいて複数のビームが照射される範囲の変位を光学的に平均化することができ、面粗度の影響を受けにくくして、高精度に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００４４】
これにより、被測定面ＴＧの表面に付着した微細な異物等に過敏に反応した変位情報が検出されることがなく、また、被測定面ＴＧの表面粗さを本来より大きく測定した変位情報が検出されることなく、被測定面ＴＧの本来の平面状態を測定した変位情報を検出することができる。
【００４５】
また、上述した変位検出装置１０Ａによって得られた変位量は、第１の対物レンズ１１４と一体的に移動するようにされたリニアスケール４０８が第１の対物レンズ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の変位量と第１の対物レンズ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
更に、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。
【００４９】
＜第２の実施の形態の変位検出装置の構成及び動作例＞
図６は、本発明の第２の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図、図７は、第２の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。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１０Ａ、非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５０】
第２の実施の形態の変位検出装置１０Ｂは、非接触センサ１００Ｂに光散乱体１３０Ｂを有する。光散乱体１３０Ｂは分光素子の一例で、光源１０２と第１の対物レンズ１１４の間に配置される。光散乱体１３０Ｂは、ランダムパターン形状をもった透過光学素子であり、光を散乱させる目的であるため、すりガラスや、ソフトフィルタ、乳化材を混入した白色の樹脂材料等でも良い。
【００５１】
第２の実施の形態の変位検出装置１０Ｂは、光源１０２から出射された光をコリメートレンズ１０４で平行光に変換する。平行光に変換された光は、光散乱体１３０Ｂに入射されて散乱される。
【００５２】
光散乱体１３０Ｂで散乱された散乱光である照射光Ｌｂは、偏光ビームスプリッタ１０８を透過し、λ／４板１１０で円（楕円）偏光に変換されて、ミラー１１２によって被測定面ＴＧに向けて反射され、第１の対物レンズ１１４に入射される。
【００５３】
第１の対物レンズ１１４に入射された照射光Ｌｂは、被測定面ＴＧに集光される。光散乱体１３０Ｂを有した照射光学系１０３ａでは、光が光散乱体１３０Ｂで散乱されることで様々な方向に進むことから、第１の対物レンズ１１４で集光されて被測定面ＴＧに結像されるビーム径が、光散乱体１３０Ｂが無い場合と比較して拡げられる。
【００５４】
被測定面ＴＧに集光された照射光Ｌｂ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、第１の対物レンズ１１４を通過して平行光に変換され、ミラー１１２で反射されてλ／４板１１０に入射され、照射光Ｌｂに対して直線偏光方向が９０度回転した直線偏光に変換される。λ／４板１１０を通過した反射光Ｌｒは、偏光ビームスプリッタ１０８に再び入射される。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ１０８は、入射された反射光Ｌｒが照射光Ｌｂに対して直線偏光方向が９０度回転しているため、反射光Ｌｒを第２の対物レンズ１１６方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ１０８で反射された反射光Ｌｒは第２の対物レンズ１１６に入射され、所定のビーム径で非点生成レンズ１１８に集光される。非点生成レンズ１１８では、曲率がある断面では光を集光させ、平面の断面内では光をそのまま透過させて、反射光Ｌｒが受光素子１２０に集光される。
【００５６】
非接触センサ１００Ｂでは、光散乱体１３０Ｂを有した照射光学系１０３ａで被測定面ＴＧに照射された照射光Ｌｂの反射光が、受光光学系１０３ｂで受光素子１２０を構成する４分割ダイオードに入射されることで、受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧに照射されるビーム径の範囲における変位を平均化した形状となる。
【００５７】
受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧが第１の対物レンズ１１４の焦点位置にあるときには、図４（Ａ）に示す形状となり、第１の対物レンズ１１４が被測定面ＴＧに対して焦点位置より遠ざかると、図４（Ｂ）に示す形状となり、焦点位置より近づくと、図４（Ｃ）に示す形状となる。
【００５８】
受光素子１２０では、第１の対物レンズ１１４と被測定面ＴＧとの距離に応じて変化する入射される光の像に基づいてフォーカスエラー信号（変位情報）ＳFEが生成される。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、第１の対物レンズ１１４の焦点位置を被測定面ＴＧに合わせるフィードバック制御が行われる。
【００５９】
第１の対物レンズ１１４には、連結部材５００を介してリニアスケール４０８が取り付けられており、被測定面ＴＧの変位に第１の対物レンズ１１４を追従させたときの第１の対物レンズ１１４の変位量が、リニアスケール４０８の目盛４０６を格子干渉計４０２で読み取ることで検出され、信号処理部４０４で被測定面ＴＧの変位量が算出される。
【００６０】
被測定面ＴＧに結像される光のビーム径を小さく絞ることで、高分解能化が図られる。一方、被測定面ＴＧに結像されるビーム径を絞ると、被測定面ＴＧの面粗度が大きい等の要因で、表面の凹凸を過剰に検出してしまうような場合がある。
【００６１】
光散乱体１３０Ｂを有した照射光学系１０３ａでは、光散乱体が無い場合のビーム径が例えば２μｍ程度に絞られる光学系で、光散乱体１３０Ｂを入れることでビーム径を例えば４μｍ程度に拡大することができる。
【００６２】
これにより、被測定面ＴＧの面粗度が大きい等の要因で、被測定面ＴＧを照射するビーム径を絞ると表面の凹凸を過剰に検出してしまうような場合でも、面粗度の影響を受けにくくして、高精度に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００６３】
すなわち、照射光学系１０３ａに光散乱体１３０Ｂを備えることで、被測定面ＴＧに結像されるビーム径を、被測定面ＴＧの面祖度等に応じて変えることができ、被測定面ＴＧの表面粗さを本来より大きく測定した変位情報が検出されることなく、被測定面ＴＧの本来の平面状態を測定した変位情報を検出することができる。また、測定レンジを変える、つまり測定分解能を変える場合に容易に対応可能であり、測定目的に応じた最適な検出精度により、被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００６４】
＜第３の実施の形態の変位検出装置の構成及び動作例＞
図８は、本発明の第３の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図、図９は、第３の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。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１０Ａ、非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６５】
第３の実施の形態の変位検出装置１０Ｃは、非接触センサ１００Ｃにマイクロプリズム１３０Ｃを有する。マイクロプリズム１３０Ｃは分光素子の一例で、光源１０２と第１の対物レンズ１１４の間に配置される。
【００６６】
図１０は、マイクロプリズムの一例を示す斜視図である。マイクロプリズム１３０Ｃは、規則的なパターン形状で複数のプリズム１３１が形成された透過光学素子であり、入射された光がプリズム１３１の面の数に応じて分光される。
【００６７】
第３の実施の形態の変位検出装置１０Ｃは、光源１０２から出射された光をコリメートレンズ１０４で平行光に変換する。平行光に変換された光は、マイクロプリズム１３０Ｃに入射されて、プリズム１３１の面の数及び向きに応じて分光される。
【００６８】
マイクロプリズム１３０Ｃで分光された照射光Ｌｃは、偏光ビームスプリッタ１０８を透過し、λ／４板１１０で円（楕円）偏光に変換されて、ミラー１１２によって被測定面ＴＧに向けて反射され、第１の対物レンズ１１４に入射される。
【００６９】
第１の対物レンズ１１４に入射された照射光Ｌｃは、被測定面ＴＧに集光される。マイクロプリズム１３０Ｃを有した照射光学系１０３ａでは、マイクロプリズム１３０Ｃで分光された照射光Ｌｃが第１の対物レンズ１１４で集光されることで、被測定面ＴＧの複数点に結像される。
【００７０】
被測定面ＴＧに集光された照射光Ｌｃ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、第１の対物レンズ１１４を通過して平行光に変換され、ミラー１１２で反射されてλ／４板１１０に入射され、照射光Ｌｃに対して直線偏光方向が９０度回転した直線偏光に変換される。λ／４板１１０を通過した反射光Ｌｒは、偏光ビームスプリッタ１０８に再び入射される。
【００７１】
偏光ビームスプリッタ１０８は、入射された反射光Ｌｒが照射光Ｌｃに対して直線偏光方向が９０度回転しているため、反射光Ｌｒを第２の対物レンズ１１６方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ１０８で反射された反射光Ｌｒは第２の対物レンズ１１６に入射され、所定のビーム径で非点生成レンズ１１８に集光される。非点生成レンズ１１８では、曲率がある断面では光を集光させ、平面の断面内では光をそのまま透過させて、反射光Ｌｒが受光素子１２０に集光される。
【００７２】
非接触センサ１００Ｃでは、マイクロプリズム１３０Ｃを有した照射光学系１０３ａで被測定面ＴＧに照射された照射光Ｌｃの反射光が、受光光学系１０３ｂで受光素子１２０を構成する４分割ダイオードに入射されることで、受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧで光が照射される範囲における変位を平均化した形状となる。
【００７３】
受光素子１２０に入射される光の像は、被測定面ＴＧが第１の対物レンズ１１４の焦点位置にあるときには、図４（Ａ）に示す形状となり、第１の対物レンズ１１４が被測定面ＴＧに対して焦点位置より遠ざかると、図４（Ｂ）に示す形状となり、焦点位置より近づくと、図４（Ｃ）に示す形状となる。
【００７４】
受光素子１２０では、第１の対物レンズ１１４と被測定面ＴＧとの距離に応じて変化する入射される光の像に基づいてフォーカスエラー信号（変位情報）ＳFEが生成される。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、第１の対物レンズ１１４の焦点位置を被測定面ＴＧに合わせるフィードバック制御が行われる。
【００７５】
第１の対物レンズ１１４には、連結部材５００を介してリニアスケール４０８が取り付けられており、被測定面ＴＧの変位に第１の対物レンズ１１４を追従させたときの第１の対物レンズ１１４の変位量が、リニアスケール４０８の目盛４０６を格子干渉計４０２で読み取ることで検出され、信号処理部４０４で被測定面ＴＧの変位量が算出される。
【００７６】
被測定面ＴＧに結像される光のビーム径を小さく絞ることで、高分解能化が図られる。一方、被測定面ＴＧに結像されるビーム径を絞ると、被測定面ＴＧの面粗度が大きい等の要因で、表面の凹凸を過剰に検出してしまうような場合がある。
【００７７】
マイクロプリズム１３０Ｃを有した照射光学系１０３ａでは、被測定面ＴＧに複数のビームを照射することで、被測定面ＴＧにおいて複数のビームが照射される範囲の変位を光学的に平均化することができ、面粗度の影響を受けにくくして、高精度に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００７８】
被測定面ＴＧに結像される照射光Ｌｃの数や範囲は、マイクロプリズム１３０Ｃのプリズム１３１の面の数や向き、大きさ等により設定可能であり、測定目的に応じた最適な検出精度により、被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【００７９】
＜第４の実施の形態の変位検出装置の構成及び動作例＞
図１１は、本発明の第４の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図、図１２は、第４の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。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１０Ａ、非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８０】
第４の実施の形態の変位検出装置１０Ｄは、図１２に示すように、非接触センサ１００Ｄに分光素子切替部材１３０Ｄを備える。分光素子切替部材１３０Ｄは、被測定面ＴＧに結像される光のパターンや、ビーム径等を異ならせる複数種類の分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnを備え、光源１０２と第１の対物レンズ１１４の間に配置される。
【００８１】
分光素子切替部材１３０Ｄの複数の分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnは、例えば、第１の実施の形態の回折格子として、格子パターン等の異なる回折格子を備える。また、第２の実施の形態のランダムパターン形状をもった透過光学素子として、パターン形状の異なる透過光学素子を備える。あるいは、第３の実施の形態の規則的なパターン形状をもった透過光学素子として、パターン形状の異なる透過光学素子を備える。なお、回折格子とランダム形状をもった透過光学素子と規則的なパターン形状をもった透過光学素子を組み合わせて備えても良い。
【００８２】
分光素子切替部材１３０Ｄは、複数の分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnが軸ＯRに対して同軸上に配置され、軸ＯRを中心に回転駆動されることで、照射光学系１０３ａによる光源１０２から被測定面ＴＧまでの光軸上に、分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnの何れかが配置される。
【００８３】
第４の実施の形態の変位検出装置１０Ｄは、図１１に示すように、上述した非接触センサ１００Ｄ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、操作部１４２とを備える。
【００８４】
操作部１４２は、例えばキーボードやリモートコントローラ等から構成され、分光素子切替部材１３０Ｄの複数の分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnから何れかを選択するためのものである。操作部１４２は、ユーザにより所定操作が行われると、所定操作に対応した操作信号Ｓoを生成して制御部２００に出力する。
【００８５】
制御部２００は、操作部１４２から出力された操作信号Ｓoに基づいて駆動部１２２を回転駆動するための駆動信号ＳCを生成して駆動部１２２に出力する。制御部２００は、ユーザの操作部１４２の操作により分光素子１３０Ｄiが選択された場合には、分光素子１３０Ｄiが照射光Ｌの光軸Ｌｏ上に位置するような駆動信号ＳCを生成する。
【００８６】
駆動部１２２は、制御部２００から供給される駆動信号ＳCに基づいて、駆動部１２２に軸ＯRを介して連結された分光素子切替部材１３０Ｄを回転駆動させて所定位置で停止させる。例えば、分光素子１３０Ｄiに対応した駆動信号ＳCが供給された場合には、分光素子１３０Ｄiが光軸Ｌｏ上に位置するように分光素子切替部材１３０Ｄを回転させて停止させる。
【００８７】
第４の実施の形態の変位検出装置１０Ｄによれば、操作部１４２を操作することで、例えば被測定面ＴＧの特性や形状等に応じて、これらに適合した分光素子１３０Ｄ1〜１３０Ｄnを選択することができる。これにより、被測定面ＴＧに応じた最適な検出精度によって被測定面ＴＧの変位の測定をすることができ、測定目的に合った被測定面ＴＧの変位情報を得ることができる。従って、様々な測定対象物に対応できるようになる。
【００８８】
＜実験データ比較例＞
次に、従来の変位検出装置を用いて被測定面ＴＧを測定した場合と本発明に係る各実施の形態の変位検出装置１０Ａ〜１０Ｄを用いて被測定面ＴＧを測定した場合の測定結果について説明する。
【００８９】
図１３は、従来の変位検出装置での測定結果の一例を示すグラフ、図１４は、本発明を適用した変位検出装置での測定結果の一例を示すグラフである。ここで、図１４は、分光素子として、図６及び図７で説明した光散乱体１３０Ｂを使用した測定結果例である。図１３，図１４では、変位検出装置１０Ａ〜１０Ｄの表示部１４０の画面に表示された測定結果の一例を示し、縦軸が面粗度であり、横軸が被測定面ＴＧの測定位置である。また図１３，図１４では、被測定面ＴＧの基準位置（０ｍｍ）から所定方向に向かって照射光Ｌを走査していくものとする。
【００９０】
従来の変位検出装置では、光源から出射される光を、ビーム径を小さく絞って被測定面ＴＧに照射するため、分解能が高くなることで、被測定面ＴＧの表面粗さを本来より大きく測定した変位情報が検出され、図１３のグラフに示すように凹凸波形が大きく表れてしまい、被測定面ＴＧの本来の平面状態を測定できなかった。
【００９１】
これに対して、本発明を適用した変位検出装置では、被測定面ＴＧの表面粗さ等による変位を平均化して測定する効果を有し、従来と同一試料を測定した結果、図１４のグラフに示すように波形の凹凸が小さくなり、被測定面ＴＧの本来の平面状態を測定した結果を出力できることがわかる。
【００９２】
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。
【００９３】
例えば、各実施の形態では、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。
【００９４】
また、光源１０２，偏光ビームスプリッタ１０８，ミラー１１２，受光素子１２０から構成される光学系は、連結部材５００に取り付けて、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、図示しないシャーシに固定しても良い。第１の対物レンズ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。シャーシ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、第１の対物レンズ１１４等を含む変位検出装置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】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。
【図３】回折格子を有した照射光学系による照射パターンの一例を示す図である。
【図４】受光素子に集光される反射光の像を示す図である。
【図５】フォーカスエラー信号の特性を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図である。
【図７】第２の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図である。
【図９】第３の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。
【図１０】マイクロプリズムの一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の変位検出装置の一例を示すブロック図である。
【図１２】第４の実施の形態の非接触センサの構成の一例を示す斜視図である。
【図１３】従来の変位検出装置での測定結果の一例を示すグラフである。
【図１４】本発明を適用した変位検出装置での測定結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９６】
１０Ａ〜１０Ｄ・・・変位検出装置、１００Ａ〜１００Ｄ・・・非接触センサ、１０２・・・光源、１０８・・・偏光ビームスプリッタ、１１４・・・第１の対物レンズ、１２０・・・受光素子、１３０Ａ・・・回折格子、１３０Ｂ・・・光散乱体、１３０Ｃ・・・マイクロプリズム、１３０Ｄ・・・分光素子切替部材、２００・・・制御部、２１０・・・サーボ制御部、４００・・・変位量測定部、４０８・・・リニアスケール、ＳFE・・・フォーカスエラー信号
【図１】
2009300236.tif 000003
【図２】
2009300236.tif 000004
【図３】
2009300236.tif 000005
【図４】
2009300236.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009300236.tif 000008
【図７】
2009300236.tif 000009
【図８】
2009300236.tif 000010
【図９】
2009300236.tif 000011
【図１０】
2009300236.tif 000012
【図１１】
2009300236.tif 000013
【図１２】
2009300236.tif 000014
【図１３】
2009300236.tif 000015
【図１４】
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