変位検出装置
【課題】対物レンズを正確に変位させることにより、精度の高い測定を行うことのできる変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出装置１では、対物レンズ３が光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。被測定面１０１からの反射光の光路は、分離光学系４により光源２から出射光の光路と分離される。分離光学系４を通った反射光は、集光手段７により集光され、非点収差発生手段８により非点収差が発生した状態で受光部９に入射する。受光部９の直近に設けられた入射光束径調整手段１２は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。位置情報生成部１０は、受光部９で検出した光量から得られるフォーカスエラー信号及びＳＵＭ信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。
【解決手段】変位検出装置１では、対物レンズ３が光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。被測定面１０１からの反射光の光路は、分離光学系４により光源２から出射光の光路と分離される。分離光学系４を通った反射光は、集光手段７により集光され、非点収差発生手段８により非点収差が発生した状態で受光部９に入射する。受光部９の直近に設けられた入射光束径調整手段１２は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。位置情報生成部１０は、受光部９で検出した光量から得られるフォーカスエラー信号及びＳＵＭ信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。
【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、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。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、連結部材を介して対物レンズに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（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、対物レンズの変位量を示すフォーカスエラー信号は迷光等によってリンギング状の波形乱れが発生する場合があり、対物レンズが基準位置にあることを示すゼロクロス点が複数発生する。サーボ機構を駆動させる条件として、対物レンズを光軸方向に駆動した際の各受光素子における受光量のＳＵＭ（和）信号がある一定値よりも大きく、かつ、フォーカスエラー信号がゼロクロス点にあるという２条件を満たした対物レンズの位置にフォーカスサーボをかけるため、ＳＵＭ信号がある一定値よりも大きい区間（以下、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間という）が長いと、その範囲内に上述したフォーカスエラー信号のゼロクロス点が多数発生し、最悪の場合、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動し、対物レンズを間違った位置に変位させてしまうという問題がある。
【０００５】
また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間が長いと、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間が長くなるという問題も生じる。
【０００６】
一方、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間が長いと、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、フォーカスサーボがはずれて対物レンズが光軸方向に若干動いたとしても、ＳＵＭ信号がＳＵＭ信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時にシステム側で必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットがある。このようにＳＵＭ信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。
【０００７】
ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を最適化するためには、受光素子を交換して受光素子の面積を変化させることが考えられるが、受光素子自体を交換しなければならないという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、以上のことを配慮してなされたものであり、受光素子を変えることなく、適正なＳＵＭ信号立ち上がり区間を持った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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光源と、対物レンズと、分離光学系と、集光手段と、非点収差発生手段と、受光部と、光量調整手段と、位置情報生成部とを備えている。対物レンズは、光源からの出射光を被測定面に向けて集光し、分離光学系は、被測定面からの反射光の光路を光源から出射光の光路と分離する。集光手段は、分離光学系によって出射光の光路と分離された反射光を集光し、非点収差発生手段は、集光手段によって集光された反射光に非点収差を発生させる。
【００１０】
受光部は、非点収差発生手段により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、入射光束径調整手段は、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。位置情報生成部は、受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面の位置情報を生成する。
【００１１】
上記構成の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整し、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を任意の長さに設定することができる。そのため、変位検出装置のＳＵＭ信号立ち上がり区間の長さを変える場合であっても、受光素子自体を交換する必要がない。また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短く設定することで、フォーカスエラー信号の誤ったゼロクロス点にフォーカスサーボをかけてしまう可能性が少なくなる。その結果、サーボ機構によって、対物レンズを正確な位置に変位させることができ、精度の高い測定を行うことができる。また、この入射光束径調整手段は受光部の近くに設置することが好ましく、受光素子に入射する被測定面からの反射光の光束径を正確に調整することができ、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間をより正確に設定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の変位検出装置によれば、対物レンズを正確に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の変位検出装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の変位検出装置の実施の形態に係る受光部の照射像の例を示す説明図である。
【図３】本発明の変位検出装置の実施の形態に係る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及びＳＵＭ信号の特性を示す図である。
【図４】本発明の変位検出装置の実施の形態に係るアパーチャと受光素子との相対位置関係を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の変位検出装置を実施するための形態について、図１〜図４を参照して説明する。各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１５】
まず、変位検出装置の実施の形態について、図１を参照して説明する。
図１は、変位検出装置の実施の形態を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示すように、変位検出装置１は、光源２と、対物レンズ３と、分離光学系４と、ミラー５と、２つのコリメータレンズ６，７と、非点収差発生手段８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、筐体１１、光量調整手段１２とを備えている。光源２、対物レンズ３、分離光学系４、ミラー５、２つのコリメータレンズ６，７、非点収差発生手段８、受光部９、位置情報生成部１０、光量調整手段１２は、それぞれ筐体１１に配設されている。
【００１７】
光源２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から構成されている。この光源２は、筐体１１に着脱可能に取り付けられている。光源２を筐体１１に着脱可能に取り付けることにより、筐体１１を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源２を新しい光源と交換することができる。これにより、光源２を交換する度に筐体１１の設置位置がずれる心配が無く、信頼性を必要とする測定や製造装置に変位検出装置１を使用する場合に有利となる。
【００１８】
対物レンズ３は、光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。この対物レンズ３は、レンズ保持部（不図示）に固定されており、レンズ保持部は、アクチュエータ（不図示）によって対物レンズ３の光軸方向に移動可能になっている。レンズ保持部を移動させるアクチュエータとしては、例えば、可動コイルと永久磁石から構成することができる。
【００１９】
また、レンズ保持部には、リニアスケール（不図示）が固定されている。このリニアスケールの目盛りは、対物レンズ３の光軸と同軸上に配置されている。このリニアスケールとしては、例えば、光の干渉縞を目盛りとして記録した光学式スケール（ホログラムスケール）や、磁気式スケール等を用いることができる。なお、リニアスケールには、目盛りの略中央位置に原点（基準点）が形成されているとよい。
【００２０】
分離光学系４は、偏光ビームスプリッタ１５と、位相板１６から構成されており、被測定面１０１からの反射光の光路を光源２から出射光の光路と分離する。偏光ビームスプリッタ１５は、光源２からの出射光を反射し、被測定面１０１によって反射された反射光を透過させる。位相板１６は、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おり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の偏光状態を変える。
【００２１】
ミラー５は、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の光軸方向を変える。具体的には、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光の光軸を対物レンズ３に向け、被測定面１０１によって反射されて対物レンズ３を通過した反射光の光軸を位相板１６（偏光ビームスプリッタ１５）に向ける。
【００２２】
ミラー５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、安定な位置検出が可能になる。
【００２３】
コリメータレンズ６は、光源２と偏光ビームスプリッタ１５との間に配置されており、光源２からの出射光を平行光にする。コリメータレンズ７は、偏光ビームスプリッタ１５と非点収差発生手段８との間に配置されている。このコリメータレンズ７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１５を透過した反射光を集光して受光部９へ導く。
【００２４】
なお、対物レンズ３及びコリメータレンズ６，７には、光源２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（色収差補正）を施してもよい。このようにすることで、光源２の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定面１０１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。
【００２５】
また、本実施の形態では、光源２から出射された出射光の光路中にコリメータレンズ６を配置し、被測定面１０１によって反射された反射光の光路中にコリメータレンズ７を配置した。これにより、出射光の光路長と反射光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、コリメータレンズ６によりカップリング効率の最適化、使用する光源の強度分布の取り込み角度の最適化を行うことができ、コリメータレンズ７により後述するフォーカスエラー信号の特性を変化させて、例えば、対物レンズ３を変位させるためのサーボ機構が駆動する範囲（サーボ引き込み範囲）を最適化することができる。
【００２６】
非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７と受光部９との間に配置されており、コリメータレンズ７によって集光された被測定面１０１からの反射光に非点収差を発生させる。この非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光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。非点収差発生手段としては、一般にシリンドリカルレンズを用いるが、本実施の形態では、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している。これにより、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。
【００２７】
なお、本実施の形態の非点収差発生手段８としては、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光の光路中に斜めに配置された透明な基板により構成することもできる。
【００２８】
受光部９は、非点収差発生手段８により非点収差が発生した反射光の光量を検出する。この受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子２１〜２４から構成されている（図２参照）。これら４つの受光素子２１〜２４に入射する反射光の照射像は、反射光に非点収差が発生しているため、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。この照射像（照射スポット）の形状については、後で説明する。
【００２９】
入射光束径調整手段１２は、対物レンズ３から受光部９までの反射光の光路中に配置され、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。本実施の形態では、入射光束径調整手段１２は、コリメータレンズ７と受光部９との間であって、受光部９の直近に配置されている。入射光束径調整手段１２は、受光部に照射される光束径の大きさと位置とを正確に調整する為に、受光部上もしくは受光部直近に配置することが好ましい。本実施形態の入射光束径調整手段１２は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光を遮断するアパーチャ１３により構成されている。アパーチャ１３は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光を遮断する枠部１３ａと、受光部９に被測定面からの反射光を入射させる開口部１３ｂとを有している。アパーチャ１３を用いると、被測定面と対物レンズの距離が大きくずれて、受光部上に照射される光束径が大きくなった際、アパーチャ１３ａの上部に落ちた光が受光部に入らなくなるのでＳＵＭ信号が減少し、アパーチャを用いない場合と比較して、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすることができる。
【００３０】
アパーチャ１３は、固定型でも可変型でもよい。可変型のアパーチャは、シャッタ機能等により開口の大きさが変えられるので、変位検出装置の環境、動作状況等の仕様に応じて、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整することができる。
【００３１】
位置情報生成部１０は、受光部９により得られるフォーカスエラー信号及びＳＵＭ信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。この位置情報生成部１０は、フォーカスエラー信号生成部及びＳＵＭ信号生成部（不図示）と、サーボ制御回路（不図示）と、前述のアクチュエータと、前述のリニアスケールと、リニアスケールの目盛りを読み取る検出ヘッド（不図示）から構成されている。
【００３２】
フォーカスエラー信号の値が「０」のときの対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置は、集光手段であるコリメータレンズ７と、非点収差発生手段８と、受光部９の光軸方向の位置によって決定される。本実施の形態では、対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置が被測定面１０１にあるときにフォーカスエラー信号の値が「０」になるように、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。
【００３３】
次に、変位検出装置１による被測定面１０１の変位量の測定について、図１〜図３を参照して説明する。
図２は、変位検出装置１の受光部９に照射される照射像の例を示す説明図である。図３は、受光部９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及びＳＵＭ信号の特性を示す図である。
【００３４】
図１に示すように、光源２から出射された出射光は、コリメータレンズ６によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射される。偏光ビームスプリッタ１５によって反射された光源２からの出射光は、位相板１６を通過して円偏光となり、ミラー５によって反射されて対物レンズ３に導かれる。その後、出射光は、対物レンズ３によって被測定面１０１に向けて集光され、被測定面１０１で結像される。
【００３５】
被測定面１０１で反射した反射光は、ミラー５によって反射されて位相板１６に導かれる。位相板１６を通過した反射光は、位相板１６を通過する前の出射光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５を透過する。その後、反射光は、コリメータレンズ７によって集光され、非点収差発生手段８によって非点収差を発生した状態となり、入射光束径調整手段１２の内側を通過して受光部９に照射される。
【００３６】
図２に示すように、受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子
２１〜２４から構成されている。これら４つの受光素子２１〜２４は、反射光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２１と受光素子２３は、反射光の光軸を挟んで対向している。そして、受光素子２２と受光素子２４は、反射光の光軸を挟んで対向している。
【００３７】
非点収差が発生した反射光が４つの受光素子２１〜２４に照射される領域（照射スポットＰ）は、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。本実施の形態では、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆが被測定面１０１にあるときに、照射スポットが小円形になる（図２（ｄ）参照）。ここで、照射スポットが小円形になるときの対物レンズ３の位置を基準位置とする。
【００３８】
本実施の形態では、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１に近づくと、照射スポットは、受光素子２２，２４側に延びた楕円形になる（図２（ｃ）参照）。対物レンズ３が被測定面１０１にさらに近づくと、照射スポットは、受光部である受光素子２１，２２，２３、２４上で円形になり（図２（ｂ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１にさらに近づくと、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。（図２ (ａ)参照）。また、対物レンズ３が、基準位置よりも、被測定面１０１から遠ざかると、照射スポットは、受光素子２１，２３側に延びた楕円形となり（図２（ｅ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１からさらに遠ざかると、照射スポットは、受光素子２１，２２，２３、２４上で大円形になり（図２（ｆ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１からさらに遠ざかると、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。（図２ (ｇ)参照）。
【００３９】
各受光素子２１〜２４は、検出した光を電気エネルギーに変換（光電変換）して出力信号を生成し、位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部及びＳＵＭ信号生成部へ出力する。
【００４０】
フォーカスエラー信号生成部は、各受光素子２１〜２４が出力した出力信号から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は、対物レンズ３の基準位置に対する光軸方向へのずれを表している。
【００４１】
各受光素子２１，２２，２３，２４の出力信号を出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、フォーカスエラー信号ＳＦＥは、次式により算出される。
（数１）ＳＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）
【００４２】
ＳＵＭ信号生成部は、各受光素子２１〜２４が出力した出力信号からＳＵＭ信号ＳＳＵＭを生成する。このＳＵＭ信号ＳＳＵＭは、受光素子２１，２２，２３，２４に入射する被測定面からの反射光の総光量を表している。
【００４３】
各受光素子２１，２２，２３，２４の出力信号を出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭは、次式により算出される。
（数２）ＳＳＵＭ＝（Ａ＋Ｃ）＋（Ｂ＋Ｄ）
【００４４】
上述の（数１）により算出されたフォーカスエラー信号ＳＦＥ及び（数２）により算出されたＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性は、図３に示すようになる。
【００４５】
図３の実線で示したフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性において、原点Ｏは対物レンズ３の基準位置を示している。
位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部は、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、サーボ制御回路へ出力する。サーボ制御回路は、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に出力して、アクチュエータの駆動制御を行う。これにより、レンズ保持部に固定されたリニアスケールが対物レンズ３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の目盛りを読み取ることにより、被測定面１０１の変位量が測定される。
【００４６】
図３において、従来の入射光束径調整手段を用いない場合のＳＵＭ信号の特性を点線で示す。
図３の点線で示したＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性において、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が小さくなり各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が多くなると、Ｓ１に示すようにＳＵＭ信号が立ち上がる。一方、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が大きくなり各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が少なくなると、Ｓ３に示すようにＳＵＭ信号が立ち下がる。ＳＵＭ信号の立ち上がり区間Ｓ２は、ＳＵＭ信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間で形成される。なお、照射スポットが図２（ａ）及び図２（ｇ）の状態の場合には、被測定面から反射する光束径が非常に大きく、各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が非常に小さくなるため、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「ほぼ０」となる。
【００４７】
図４は、変位検出装置の実施の形態に係る入射光束径調整手段であるアパーチャと受光素子との相対位置関係を示す平面図である。
本実施形態においては、入射光束径調整手段として、受光素子２１，２２，２３，２４を覆うアパーチャ１３を用いる。アパーチャ１３の中央部には、開口部１３ｂが形成されている。開口部１３ｂの大きさは、変位検出装置の仕様形態に合わせて、適宜設定する。
【００４８】
図３において、アパーチャ１３を用いた場合のＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性を実線で示す。
照射スポットが図２（ａ）及び図２（ｂ）の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は小さくなり、アパーチャ１３に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「０」に近くなる。
【００４９】
照射スポットが図２（ｃ）及び図２（ｄ）及び図２（ｅ）の状態においては、アパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られる被測定面からの反射光はほとんどなく、大部分の被測定面からの反射光が開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する。このため、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、ＳＵＭ信号が立ち上がった状態となる。
【００５０】
照射スポットが図２（ｆ）及び図２（ｇ）の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は小さくなり、アパーチャ１３に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「０」に近くなる。
【００５１】
以上説明したように、アパーチャ１３を用いない場合では、図２（ｂ）の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多くなり、ＳＵＭ信号が立ち上がってしまうが、本実施の形態のように、アパーチャ１３を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、ＳＵＭ信号の立ち上がりを遅らせることができる。また、アパーチャ１３を用いない場合では、図２（ｆ）の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、ＳＵＭ信号が立ち上がったままの状態であるが、本実施の形態のように、アパーチャ１３を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、ＳＵＭ信号の立ち下がりを早くさせることができる。このように、ＳＵＭ信号の立ち上がりを遅くして、SUM信号の立ち下がりを早くし、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすると、その区間に存在するフォーカスエラー信号の範囲も短くなる。従って、フォーカスエラー信号に迷光等によるリンギング状の誤ったゼロクロス点が複数発生している場合であっても、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間内に存在するゼロクロス点は少なくなるので、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動してしまう可能性を少なくすることができる。
【００５２】
また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間、ＳＵＭ信号の立ち下がり区間は、アパーチャ１３の開口部１３ｂの大きさを変えることで、制御することができる。すなわち、開口部１３ｂを大きくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が大きくなり、ＳＵＭ信号の立ち上がりが速くなり、ＳＵＭ信号の立ち下がりが遅くなり、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間は長くなる。一方、開口部１３ｂを小さくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が小さくなり、ＳＵＭ信号の立ち上がりが遅くなり、ＳＵＭ信号の立ち下がりが早くなるのでＳＵＭ信号の立ち上がり区間は短くなる。なお、開口部の大きさの変更は、アパーチャ１３に設けたシャッタ機能で行うようにしてもよいし、異なった開口を有するアパーチャに交換してもよい。
【００５３】
本実施形態の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光量を調整して、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を適性に調整することで、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構が対物レンズを変位させてしまうことを防止できる。その結果、対物レンズを正確な位置に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。また、変位検出装置の仕様が変更された場合でも、受光素子自体を交換して対応する必要がない。さらに、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすることで、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間を短くすることができる。また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を長くすると、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、対物レンズが光軸方向に若干動いてフォーカスサーボがはずれたとしても、ＳＵＭ信号はＳＵＭ信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時に必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットもある。このように、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。
【００５４】
本発明は、前述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態では、光源２から出射された出射光をコリメータレンズ６により平行光にしたが、コリメータレンズ６を通った光源２からの出射光は、発散光或いは収束光であってもよい。また、光量調整手段１２としてアパーチャ１３を用いたが、マスク等の部材を用いてもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態では、光源２を筐体１１に着脱可能に取り付ける構造とした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１内に配設せずに筐体１１から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体１１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２を筐体１１から切り離すことができ、筐体１１内の温度上昇を防止することができる。また、光源２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１１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。
【００５６】
また、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１から離れた位置に配設し、光源２からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体１１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２を筐体１１から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体１１に接続される部材が削除され、筐体１１に振動が伝わらないようにすることができる。
【００５７】
また、本発明の変位検出装置としては、ハーフミラー等を介して、波長の等しい光源を２個設けるようにしてもよい。
これにより、２個の光源を交互に発光することができるため、一の光源が寿命等によって使えなくなった場合であっても、他の光源に切り替えることで、変位検出装置を長時間にわたって使用することができる。
【００５８】
また、上述した実施の形態では、非点収差発生手段８によって非点収差を発生させた反射光を受光部９が直接検出するようにした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、非点収差が発生した反射光を光ファイバによって受光部９に導くようにしてもよい。
これにより、受光部９の設置位置を自由に設定することができるため、受光部９と位置情報生成部１０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。
【００５９】
また、本発明の変位検出装置としては、偏光ビームスプリッタ１５と受光部９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してもよい。
これにより、受光部９に入射する反射光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１０１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。
【００６０】
また、被測定面１０１に、光源２から出射される出射光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。
また、被測定面を有する被測定物に光源２から出射される出射光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。このような被測定面に対しては、上述した実施の形態の変位検出装置と、回折光を受光して面方向の位置を検出するいわゆるリニアスケールとを組み合わせた変位検出装置を構成することが好ましい。これにより、３次元方向の変位検出が可能となる。
【００６１】
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２からの出射光を反射させる反射膜を形成して被測定面としてもよい。上述した実施の形態の変位検出装置は、反射膜によって形成された被測定面からの反射光を検出することで、高さ方向の変位検出を行う。このとき、光源２から出射された出射光には、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。
【００６２】
また、反射膜によって形成された被測定面は、回折格子の下地側に形成してもよい。この場合は、光源２から出射された光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。
【００６３】
また、本発明の変位検出装置では、対物レンズによって集光された出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として、被測定面上の出射光の径（ビーム径）を所定の大きさにしてもよい。これにより、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。なお、被測定面上の出射光の径は、５０μｍ以上であることが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・位検出装置、２・・・光源、３・・・対物レンズ、４・・・分離光学系、５・・・ミラー、６・・・コリメータレンズ、７・・・コリメータレンズ（集光手段）、８・・・非点収差発生手段、９・・・受光部、１０・・・位置情報生成部、１１・・・筐体、１２・・・入射光束径調整手段、１３・・・アパーチャ、１３ａ・・・枠部、１３ｂ・・・開口部、１５・・・偏光ビームスプリッタ、１６・・・位相板、２１，２２，２３，２４・・・受光素子、１０１・・・被測定面、Ｐ・・・照射スポット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射された光を用い、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。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、連結部材を介して対物レンズに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（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、対物レンズの変位量を示すフォーカスエラー信号は迷光等によってリンギング状の波形乱れが発生する場合があり、対物レンズが基準位置にあることを示すゼロクロス点が複数発生する。サーボ機構を駆動させる条件として、対物レンズを光軸方向に駆動した際の各受光素子における受光量のＳＵＭ（和）信号がある一定値よりも大きく、かつ、フォーカスエラー信号がゼロクロス点にあるという２条件を満たした対物レンズの位置にフォーカスサーボをかけるため、ＳＵＭ信号がある一定値よりも大きい区間（以下、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間という）が長いと、その範囲内に上述したフォーカスエラー信号のゼロクロス点が多数発生し、最悪の場合、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動し、対物レンズを間違った位置に変位させてしまうという問題がある。
【０００５】
また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間が長いと、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間が長くなるという問題も生じる。
【０００６】
一方、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間が長いと、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、フォーカスサーボがはずれて対物レンズが光軸方向に若干動いたとしても、ＳＵＭ信号がＳＵＭ信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時にシステム側で必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットがある。このようにＳＵＭ信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。
【０００７】
ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を最適化するためには、受光素子を交換して受光素子の面積を変化させることが考えられるが、受光素子自体を交換しなければならないという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、以上のことを配慮してなされたものであり、受光素子を変えることなく、適正なＳＵＭ信号立ち上がり区間を持った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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光源と、対物レンズと、分離光学系と、集光手段と、非点収差発生手段と、受光部と、光量調整手段と、位置情報生成部とを備えている。対物レンズは、光源からの出射光を被測定面に向けて集光し、分離光学系は、被測定面からの反射光の光路を光源から出射光の光路と分離する。集光手段は、分離光学系によって出射光の光路と分離された反射光を集光し、非点収差発生手段は、集光手段によって集光された反射光に非点収差を発生させる。
【００１０】
受光部は、非点収差発生手段により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、入射光束径調整手段は、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。位置情報生成部は、受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面の位置情報を生成する。
【００１１】
上記構成の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整し、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を任意の長さに設定することができる。そのため、変位検出装置のＳＵＭ信号立ち上がり区間の長さを変える場合であっても、受光素子自体を交換する必要がない。また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短く設定することで、フォーカスエラー信号の誤ったゼロクロス点にフォーカスサーボをかけてしまう可能性が少なくなる。その結果、サーボ機構によって、対物レンズを正確な位置に変位させることができ、精度の高い測定を行うことができる。また、この入射光束径調整手段は受光部の近くに設置することが好ましく、受光素子に入射する被測定面からの反射光の光束径を正確に調整することができ、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間をより正確に設定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の変位検出装置によれば、対物レンズを正確に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の変位検出装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の変位検出装置の実施の形態に係る受光部の照射像の例を示す説明図である。
【図３】本発明の変位検出装置の実施の形態に係る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及びＳＵＭ信号の特性を示す図である。
【図４】本発明の変位検出装置の実施の形態に係るアパーチャと受光素子との相対位置関係を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の変位検出装置を実施するための形態について、図１〜図４を参照して説明する。各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１５】
まず、変位検出装置の実施の形態について、図１を参照して説明する。
図１は、変位検出装置の実施の形態を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示すように、変位検出装置１は、光源２と、対物レンズ３と、分離光学系４と、ミラー５と、２つのコリメータレンズ６，７と、非点収差発生手段８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、筐体１１、光量調整手段１２とを備えている。光源２、対物レンズ３、分離光学系４、ミラー５、２つのコリメータレンズ６，７、非点収差発生手段８、受光部９、位置情報生成部１０、光量調整手段１２は、それぞれ筐体１１に配設されている。
【００１７】
光源２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から構成されている。この光源２は、筐体１１に着脱可能に取り付けられている。光源２を筐体１１に着脱可能に取り付けることにより、筐体１１を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源２を新しい光源と交換することができる。これにより、光源２を交換する度に筐体１１の設置位置がずれる心配が無く、信頼性を必要とする測定や製造装置に変位検出装置１を使用する場合に有利となる。
【００１８】
対物レンズ３は、光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。この対物レンズ３は、レンズ保持部（不図示）に固定されており、レンズ保持部は、アクチュエータ（不図示）によって対物レンズ３の光軸方向に移動可能になっている。レンズ保持部を移動させるアクチュエータとしては、例えば、可動コイルと永久磁石から構成することができる。
【００１９】
また、レンズ保持部には、リニアスケール（不図示）が固定されている。このリニアスケールの目盛りは、対物レンズ３の光軸と同軸上に配置されている。このリニアスケールとしては、例えば、光の干渉縞を目盛りとして記録した光学式スケール（ホログラムスケール）や、磁気式スケール等を用いることができる。なお、リニアスケールには、目盛りの略中央位置に原点（基準点）が形成されているとよい。
【００２０】
分離光学系４は、偏光ビームスプリッタ１５と、位相板１６から構成されており、被測定面１０１からの反射光の光路を光源２から出射光の光路と分離する。偏光ビームスプリッタ１５は、光源２からの出射光を反射し、被測定面１０１によって反射された反射光を透過させる。位相板１６は、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おり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の偏光状態を変える。
【００２１】
ミラー５は、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の光軸方向を変える。具体的には、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光の光軸を対物レンズ３に向け、被測定面１０１によって反射されて対物レンズ３を通過した反射光の光軸を位相板１６（偏光ビームスプリッタ１５）に向ける。
【００２２】
ミラー５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、安定な位置検出が可能になる。
【００２３】
コリメータレンズ６は、光源２と偏光ビームスプリッタ１５との間に配置されており、光源２からの出射光を平行光にする。コリメータレンズ７は、偏光ビームスプリッタ１５と非点収差発生手段８との間に配置されている。このコリメータレンズ７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１５を透過した反射光を集光して受光部９へ導く。
【００２４】
なお、対物レンズ３及びコリメータレンズ６，７には、光源２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（色収差補正）を施してもよい。このようにすることで、光源２の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定面１０１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。
【００２５】
また、本実施の形態では、光源２から出射された出射光の光路中にコリメータレンズ６を配置し、被測定面１０１によって反射された反射光の光路中にコリメータレンズ７を配置した。これにより、出射光の光路長と反射光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、コリメータレンズ６によりカップリング効率の最適化、使用する光源の強度分布の取り込み角度の最適化を行うことができ、コリメータレンズ７により後述するフォーカスエラー信号の特性を変化させて、例えば、対物レンズ３を変位させるためのサーボ機構が駆動する範囲（サーボ引き込み範囲）を最適化することができる。
【００２６】
非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７と受光部９との間に配置されており、コリメータレンズ７によって集光された被測定面１０１からの反射光に非点収差を発生させる。この非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光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。非点収差発生手段としては、一般にシリンドリカルレンズを用いるが、本実施の形態では、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している。これにより、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。
【００２７】
なお、本実施の形態の非点収差発生手段８としては、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光の光路中に斜めに配置された透明な基板により構成することもできる。
【００２８】
受光部９は、非点収差発生手段８により非点収差が発生した反射光の光量を検出する。この受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子２１〜２４から構成されている（図２参照）。これら４つの受光素子２１〜２４に入射する反射光の照射像は、反射光に非点収差が発生しているため、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。この照射像（照射スポット）の形状については、後で説明する。
【００２９】
入射光束径調整手段１２は、対物レンズ３から受光部９までの反射光の光路中に配置され、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する。本実施の形態では、入射光束径調整手段１２は、コリメータレンズ７と受光部９との間であって、受光部９の直近に配置されている。入射光束径調整手段１２は、受光部に照射される光束径の大きさと位置とを正確に調整する為に、受光部上もしくは受光部直近に配置することが好ましい。本実施形態の入射光束径調整手段１２は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光を遮断するアパーチャ１３により構成されている。アパーチャ１３は、受光部９へ入射する被測定面からの反射光を遮断する枠部１３ａと、受光部９に被測定面からの反射光を入射させる開口部１３ｂとを有している。アパーチャ１３を用いると、被測定面と対物レンズの距離が大きくずれて、受光部上に照射される光束径が大きくなった際、アパーチャ１３ａの上部に落ちた光が受光部に入らなくなるのでＳＵＭ信号が減少し、アパーチャを用いない場合と比較して、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすることができる。
【００３０】
アパーチャ１３は、固定型でも可変型でもよい。可変型のアパーチャは、シャッタ機能等により開口の大きさが変えられるので、変位検出装置の環境、動作状況等の仕様に応じて、受光部９へ入射する被測定面からの反射光の光束径を調整することができる。
【００３１】
位置情報生成部１０は、受光部９により得られるフォーカスエラー信号及びＳＵＭ信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。この位置情報生成部１０は、フォーカスエラー信号生成部及びＳＵＭ信号生成部（不図示）と、サーボ制御回路（不図示）と、前述のアクチュエータと、前述のリニアスケールと、リニアスケールの目盛りを読み取る検出ヘッド（不図示）から構成されている。
【００３２】
フォーカスエラー信号の値が「０」のときの対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置は、集光手段であるコリメータレンズ７と、非点収差発生手段８と、受光部９の光軸方向の位置によって決定される。本実施の形態では、対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置が被測定面１０１にあるときにフォーカスエラー信号の値が「０」になるように、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。
【００３３】
次に、変位検出装置１による被測定面１０１の変位量の測定について、図１〜図３を参照して説明する。
図２は、変位検出装置１の受光部９に照射される照射像の例を示す説明図である。図３は、受光部９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及びＳＵＭ信号の特性を示す図である。
【００３４】
図１に示すように、光源２から出射された出射光は、コリメータレンズ６によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射される。偏光ビームスプリッタ１５によって反射された光源２からの出射光は、位相板１６を通過して円偏光となり、ミラー５によって反射されて対物レンズ３に導かれる。その後、出射光は、対物レンズ３によって被測定面１０１に向けて集光され、被測定面１０１で結像される。
【００３５】
被測定面１０１で反射した反射光は、ミラー５によって反射されて位相板１６に導かれる。位相板１６を通過した反射光は、位相板１６を通過する前の出射光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５を透過する。その後、反射光は、コリメータレンズ７によって集光され、非点収差発生手段８によって非点収差を発生した状態となり、入射光束径調整手段１２の内側を通過して受光部９に照射される。
【００３６】
図２に示すように、受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子
２１〜２４から構成されている。これら４つの受光素子２１〜２４は、反射光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２１と受光素子２３は、反射光の光軸を挟んで対向している。そして、受光素子２２と受光素子２４は、反射光の光軸を挟んで対向している。
【００３７】
非点収差が発生した反射光が４つの受光素子２１〜２４に照射される領域（照射スポットＰ）は、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。本実施の形態では、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆが被測定面１０１にあるときに、照射スポットが小円形になる（図２（ｄ）参照）。ここで、照射スポットが小円形になるときの対物レンズ３の位置を基準位置とする。
【００３８】
本実施の形態では、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１に近づくと、照射スポットは、受光素子２２，２４側に延びた楕円形になる（図２（ｃ）参照）。対物レンズ３が被測定面１０１にさらに近づくと、照射スポットは、受光部である受光素子２１，２２，２３、２４上で円形になり（図２（ｂ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１にさらに近づくと、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。（図２ (ａ)参照）。また、対物レンズ３が、基準位置よりも、被測定面１０１から遠ざかると、照射スポットは、受光素子２１，２３側に延びた楕円形となり（図２（ｅ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１からさらに遠ざかると、照射スポットは、受光素子２１，２２，２３、２４上で大円形になり（図２（ｆ）参照）、対物レンズ３が被測定面１０１からさらに遠ざかると、照射スポットは、さらにぼけて受光部より大きくなる。（図２ (ｇ)参照）。
【００３９】
各受光素子２１〜２４は、検出した光を電気エネルギーに変換（光電変換）して出力信号を生成し、位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部及びＳＵＭ信号生成部へ出力する。
【００４０】
フォーカスエラー信号生成部は、各受光素子２１〜２４が出力した出力信号から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は、対物レンズ３の基準位置に対する光軸方向へのずれを表している。
【００４１】
各受光素子２１，２２，２３，２４の出力信号を出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、フォーカスエラー信号ＳＦＥは、次式により算出される。
（数１）ＳＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）
【００４２】
ＳＵＭ信号生成部は、各受光素子２１〜２４が出力した出力信号からＳＵＭ信号ＳＳＵＭを生成する。このＳＵＭ信号ＳＳＵＭは、受光素子２１，２２，２３，２４に入射する被測定面からの反射光の総光量を表している。
【００４３】
各受光素子２１，２２，２３，２４の出力信号を出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭは、次式により算出される。
（数２）ＳＳＵＭ＝（Ａ＋Ｃ）＋（Ｂ＋Ｄ）
【００４４】
上述の（数１）により算出されたフォーカスエラー信号ＳＦＥ及び（数２）により算出されたＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性は、図３に示すようになる。
【００４５】
図３の実線で示したフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性において、原点Ｏは対物レンズ３の基準位置を示している。
位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部は、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、サーボ制御回路へ出力する。サーボ制御回路は、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に出力して、アクチュエータの駆動制御を行う。これにより、レンズ保持部に固定されたリニアスケールが対物レンズ３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の目盛りを読み取ることにより、被測定面１０１の変位量が測定される。
【００４６】
図３において、従来の入射光束径調整手段を用いない場合のＳＵＭ信号の特性を点線で示す。
図３の点線で示したＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性において、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が小さくなり各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が多くなると、Ｓ１に示すようにＳＵＭ信号が立ち上がる。一方、被測定面からの反射光の受光面上での光束径が大きくなり各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が少なくなると、Ｓ３に示すようにＳＵＭ信号が立ち下がる。ＳＵＭ信号の立ち上がり区間Ｓ２は、ＳＵＭ信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間で形成される。なお、照射スポットが図２（ａ）及び図２（ｇ）の状態の場合には、被測定面から反射する光束径が非常に大きく、各受光素子２１，２２，２３，２４に入射する光量が非常に小さくなるため、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「ほぼ０」となる。
【００４７】
図４は、変位検出装置の実施の形態に係る入射光束径調整手段であるアパーチャと受光素子との相対位置関係を示す平面図である。
本実施形態においては、入射光束径調整手段として、受光素子２１，２２，２３，２４を覆うアパーチャ１３を用いる。アパーチャ１３の中央部には、開口部１３ｂが形成されている。開口部１３ｂの大きさは、変位検出装置の仕様形態に合わせて、適宜設定する。
【００４８】
図３において、アパーチャ１３を用いた場合のＳＵＭ信号ＳＳＵＭの特性を実線で示す。
照射スポットが図２（ａ）及び図２（ｂ）の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は小さくなり、アパーチャ１３に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「０」に近くなる。
【００４９】
照射スポットが図２（ｃ）及び図２（ｄ）及び図２（ｅ）の状態においては、アパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られる被測定面からの反射光はほとんどなく、大部分の被測定面からの反射光が開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する。このため、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、ＳＵＭ信号が立ち上がった状態となる。
【００５０】
照射スポットが図２（ｆ）及び図２（ｇ）の状態においては、被測定面からの反射光の大部分がアパーチャ１３の枠部１３ａによって遮られるため、入射光束径調整手段を用いない場合と比較すると、開口部１３ｂを通じて受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量は少なくなり、ＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は小さくなり、アパーチャ１３に入射する被測定面からの反射光の大きさが大きくなるほどＳＵＭ信号ＳＳＵＭの値は「０」に近くなる。
【００５１】
以上説明したように、アパーチャ１３を用いない場合では、図２（ｂ）の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多くなり、ＳＵＭ信号が立ち上がってしまうが、本実施の形態のように、アパーチャ１３を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、ＳＵＭ信号の立ち上がりを遅らせることができる。また、アパーチャ１３を用いない場合では、図２（ｆ）の状態においても、受光素子に入射する被測定面からの反射光の総光量が多く、ＳＵＭ信号が立ち上がったままの状態であるが、本実施の形態のように、アパーチャ１３を用いることで、被測定面からの反射光が受光素子に入射できる光束径を小さくして総光量を少なくし、ＳＵＭ信号の立ち下がりを早くさせることができる。このように、ＳＵＭ信号の立ち上がりを遅くして、SUM信号の立ち下がりを早くし、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすると、その区間に存在するフォーカスエラー信号の範囲も短くなる。従って、フォーカスエラー信号に迷光等によるリンギング状の誤ったゼロクロス点が複数発生している場合であっても、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間内に存在するゼロクロス点は少なくなるので、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構を駆動してしまう可能性を少なくすることができる。
【００５２】
また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間、ＳＵＭ信号の立ち下がり区間は、アパーチャ１３の開口部１３ｂの大きさを変えることで、制御することができる。すなわち、開口部１３ｂを大きくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が大きくなり、ＳＵＭ信号の立ち上がりが速くなり、ＳＵＭ信号の立ち下がりが遅くなり、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間は長くなる。一方、開口部１３ｂを小さくした場合には、受光素子へ入射する被測定面からの反射光の光束径が小さくなり、ＳＵＭ信号の立ち上がりが遅くなり、ＳＵＭ信号の立ち下がりが早くなるのでＳＵＭ信号の立ち上がり区間は短くなる。なお、開口部の大きさの変更は、アパーチャ１３に設けたシャッタ機能で行うようにしてもよいし、異なった開口を有するアパーチャに交換してもよい。
【００５３】
本実施形態の変位検出装置では、入射光束径調整手段によって、受光部に入射する被測定面からの反射光の光量を調整して、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を適性に調整することで、誤ったゼロクロス点に基づいてサーボ機構が対物レンズを変位させてしまうことを防止できる。その結果、対物レンズを正確な位置に変位させて、精度の高い測定を行うことができる。また、変位検出装置の仕様が変更された場合でも、受光素子自体を交換して対応する必要がない。さらに、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を短くすることで、サーボ機構を駆動させるまでの処理時間を短くすることができる。また、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間を長くすると、被測定面へのフォーカスサーボロック中に衝撃等の外乱が加わり、対物レンズが光軸方向に若干動いてフォーカスサーボがはずれたとしても、ＳＵＭ信号はＳＵＭ信号立ち上がり区間からはずれにくくなるため、フォーカスサーボ復帰時に必要なプロセスが少なくてすみ、フォーカスサーボ復帰までの時間を短くすることができるメリットもある。このように、ＳＵＭ信号の立ち上がり区間は使用環境、動作状況等の仕様に応じて最適化させる必要がある。
【００５４】
本発明は、前述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態では、光源２から出射された出射光をコリメータレンズ６により平行光にしたが、コリメータレンズ６を通った光源２からの出射光は、発散光或いは収束光であってもよい。また、光量調整手段１２としてアパーチャ１３を用いたが、マスク等の部材を用いてもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態では、光源２を筐体１１に着脱可能に取り付ける構造とした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１内に配設せずに筐体１１から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体１１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２を筐体１１から切り離すことができ、筐体１１内の温度上昇を防止することができる。また、光源２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１１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。
【００５６】
また、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１から離れた位置に配設し、光源２からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体１１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２を筐体１１から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体１１に接続される部材が削除され、筐体１１に振動が伝わらないようにすることができる。
【００５７】
また、本発明の変位検出装置としては、ハーフミラー等を介して、波長の等しい光源を２個設けるようにしてもよい。
これにより、２個の光源を交互に発光することができるため、一の光源が寿命等によって使えなくなった場合であっても、他の光源に切り替えることで、変位検出装置を長時間にわたって使用することができる。
【００５８】
また、上述した実施の形態では、非点収差発生手段８によって非点収差を発生させた反射光を受光部９が直接検出するようにした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、非点収差が発生した反射光を光ファイバによって受光部９に導くようにしてもよい。
これにより、受光部９の設置位置を自由に設定することができるため、受光部９と位置情報生成部１０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。
【００５９】
また、本発明の変位検出装置としては、偏光ビームスプリッタ１５と受光部９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してもよい。
これにより、受光部９に入射する反射光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１０１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。
【００６０】
また、被測定面１０１に、光源２から出射される出射光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。
また、被測定面を有する被測定物に光源２から出射される出射光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。このような被測定面に対しては、上述した実施の形態の変位検出装置と、回折光を受光して面方向の位置を検出するいわゆるリニアスケールとを組み合わせた変位検出装置を構成することが好ましい。これにより、３次元方向の変位検出が可能となる。
【００６１】
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２からの出射光を反射させる反射膜を形成して被測定面としてもよい。上述した実施の形態の変位検出装置は、反射膜によって形成された被測定面からの反射光を検出することで、高さ方向の変位検出を行う。このとき、光源２から出射された出射光には、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。
【００６２】
また、反射膜によって形成された被測定面は、回折格子の下地側に形成してもよい。この場合は、光源２から出射された光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。
【００６３】
また、本発明の変位検出装置では、対物レンズによって集光された出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として、被測定面上の出射光の径（ビーム径）を所定の大きさにしてもよい。これにより、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。なお、被測定面上の出射光の径は、５０μｍ以上であることが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・位検出装置、２・・・光源、３・・・対物レンズ、４・・・分離光学系、５・・・ミラー、６・・・コリメータレンズ、７・・・コリメータレンズ（集光手段）、８・・・非点収差発生手段、９・・・受光部、１０・・・位置情報生成部、１１・・・筐体、１２・・・入射光束径調整手段、１３・・・アパーチャ、１３ａ・・・枠部、１３ｂ・・・開口部、１５・・・偏光ビームスプリッタ、１６・・・位相板、２１，２２，２３，２４・・・受光素子、１０１・・・被測定面、Ｐ・・・照射スポット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
前記被測定面からの反射光の光路を前記光源からの出射光の光路と分離する分離光学系と、
前記分離光学系によって前記出射光の光路と分離された前記反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された前記反射光に非点収差を発生させる非点収差発生手段と、
前記非点収差発生手段により非点収差が発生した前記反射光の光量を検出する受光部と、
反射光の光路上であって、前記対物レンズと前記受光部との間に、前記受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する入射光束径調整手段と、
前記受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて前記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と、を備えたこと
を特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記入射光束径調整手段は、前記集光手段と前記受光部との間に設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
前記被測定面からの反射光の光路を前記光源からの出射光の光路と分離する分離光学系と、
前記分離光学系によって前記出射光の光路と分離された前記反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された前記反射光に非点収差を発生させる非点収差発生手段と、
前記非点収差発生手段により非点収差が発生した前記反射光の光量を検出する受光部と、
反射光の光路上であって、前記対物レンズと前記受光部との間に、前記受光部に入射する被測定面からの反射光の光束径を調整する入射光束径調整手段と、
前記受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて前記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と、を備えたこと
を特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記入射光束径調整手段は、前記集光手段と前記受光部との間に設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１８０１（Ｐ２０１２−２１８０１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７８６３（Ｐ２０１０−１５７８６３）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
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