変位検出装置
【課題】光源からの光を回折格子が設けられた領域で反射させて、被測定面の変位を検出する変位検出装置を提供する。
【解決手段】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、コリメータレンズ７と、非点収差発生部８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、絞り部材１１とを備えている。そして、対物レンズ３から出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、光源２の波長をλ、被測定面１０１に形成された回折格子のピッチをｄ、回折格子による回折光の次数をｎとした場合に、遮蔽部１１は、
を満たす反射光を遮蔽する。
【解決手段】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、コリメータレンズ７と、非点収差発生部８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、絞り部材１１とを備えている。そして、対物レンズ３から出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、光源２の波長をλ、被測定面１０１に形成された回折格子のピッチをｄ、回折格子による回折光の次数をｎとした場合に、遮蔽部１１は、
を満たす反射光を遮蔽する。
【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。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（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
例えば、半導体製造装置や検査装置等に用いられる精密位置決めステージでは、被測定面の変位（被測定面に直交する方向の変位）だけでなく、被測定面に沿った変位（被測定面と平行な方向の変位）を計測する必要がある。この場合は、被測定面に設けた回折格子を利用して被測定面に沿った変位を検出する検出装置と、被測定面の変位を検出する変位検出装置とを用いることがある。このように２つの検出装置を用いることで、２次元や３次元の変位を計測することが可能になる。
【０００４】
被測定面の変位を検出する変位検出装置と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置とは、光源の波長が異なる。そのため、２つの検出装置を用いる場合の被測定面には、被測定面の変位を検出する変位検出装置の光源からの光を反射する領域と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置の光源からの光を反射する領域（回折格子）が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
ところで、被測定面としては、位置決めステージに取り付けられるリニアスケールが適用されることが多い。しかし、近年、リニアスケールの小型化が望まれており、被測定面の変位を検出する変位検出装置の光源からの光を反射する領域と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置の光源からの光を反射する領域（回折格子）とが近接して配置されている。そのため、光源からの光を回折格子が設けられた領域で反射させて、被測定面の変位を検出する変位検出装置が望まれている。
【０００７】
本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、光源からの光を回折格子が設けられた領域で反射させて、被測定面の変位を検出する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】
【０００８】
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、集光部と、非点収差発生部と、受光部と、位置情報生成部と、遮蔽部とを備えている。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の出射光の光路と分離する。
【０００９】
集光部は、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、非点収差発生部は、集光部によって集光された反射光に非点収差を発生させる。受光部は、非点収差発生部により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、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。
【００１０】
遮蔽部は、反射光の一部を遮る。対物レンズから出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、光源の波長をλ、被測定面に形成された回折格子のピッチをｄとした場合に、遮蔽部は、
を満たす反射光を遮蔽する。
【００１１】
上記構成の変位検出装置では、回折格子によって反射した不要な回折光が受光部で受光されない。これにより、位置情報生成部は、不用な回折光の影響を受けずに、位置情報を生成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の変位検出装置によれば、回折格子によって反射した不用な回折光の影響を受けずに、位置情報を生成することができ、被測定面の変位情報を正確に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の変位検出装置の第１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に係る対物レンズに不要な回折光が入射しない条件を説明する説明図である。
【図３】本発明の変位検出装置の第１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４】本発明の変位検出装置の第１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の特性を示す図である。
【図５】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係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６】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図７】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図８】本発明の変位検出装置の第４の実施の形態を示すブロック図である。
【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８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】
〈１．変位検出装置の第１の実施の形態〉
［変位検出装置の構成］
まず、変位検出装置の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
図１は、変位検出装置の第１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、非点収差発生部８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、絞り部材１１と、筐体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、非点収差発生部８、受光部９、位置情報生成部１０及び絞り部材１１は、それぞれ筐体１２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１２に着脱可能に取り付けられている。光源２を筐体１２に着脱可能に取り付けることにより、筐体１２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１２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。被測定面１０１には、回折格子（不図示）が形成されており、対物レンズ３を通過した光は、回折格子に照射される。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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と非点収差発生部８との間に配置されている。このコリメータレンズ７は、集光部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。
【００２５】
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。
【００２６】
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向上を図ることができ、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）を広げることができる。
【００２７】
非点収差発生部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。この非点収差発生部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。非点収差発生部としては、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。
【００２８】
なお、本実施の形態の非点収差発生部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。
【００２９】
受光部９は、非点収差発生部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３参照）。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。
【００３０】
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（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。
【００３１】
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、集光部であるコリメータレンズ７と、非点収差発生部８と、受光部９の光軸方向の位置によって決定される。そこで、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の奥側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、非点収差発生部８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。
【００３２】
絞り部材１１は、対物レンズ３とミラー５との間に配置されており、ミラー５（光源２）から対物レンズ３へ向かう光束径を制限する。この絞り部材１１は、対物レンズ３へ向かう光束径を制限し、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が対物レンズ３を通過することを防止する。
【００３３】
［対物レンズに不要な回折光が入射しない条件］
次に、対物レンズ３に不要な回折光が入射しない条件について、図２を参照して説明する。
図２は、対物レンズ３に不要な回折光が入射しない条件を説明するための説明図である。
【００３４】
図２に示すように、対物レンズ３を通過する出射光Ｉａが被測定面１０１の回折格子（不図示）に照射されると、１次回折光Ｄａ１及び−１次回折光Ｄａ２が生じる。また、対物レンズ３を通過する出射光Ｉｂが被測定面１０１の回折格子に照射されると、１次回折光Ｄｂ１及び−１次回折光Ｄｂ２が生じ、出射光Ｉｃが被測定面１０１の回折格子に照射されると、１次回折光Ｄｃ１及び−１次回折光Ｄｃ２が生じる。
なお、本例では、対物レンズ３の光軸Ｌを含む平面を基準にして、その平面の一側に反射する回折光をプラスの回折光とし、他側に反射する回折光をマイナスの回折光とする。
【００３５】
ここで、対物レンズ３から出射される出射光の収束角をθ１、被測定面１０１に設けられた回折格子による回折角をθ２とすると、回折格子からの回折光が対物レンズ３に入らない条件は、次式で表される。なお、本発明に係る不要な回折光とは、０次回折光以外の回折光のことである。
【数１】
【００３６】
そして、回折格子の格子ピッチをｄ、光源２の波長をλとすると、回折角θ２は、次式で表される。なお、ｎは、回折光の次数を表す。
【数２】
【００３７】
上述の（数１）及び（数２）より、θ１は、次式によって表される。
【数３】
【００３８】
（数３）に示されるように、収束角θ１がｓｉｎ−（ｎλ／ｄ）／２よりも小さければ、不要な回折光が変位検出装置１内に入り込まない。そこで、本実施の形態では、絞り部材１１（図１参照）によって対物レンズ３の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を制限して、収束角θ１をｓｉｎ−（ｎλ／ｄ）／２よりも小さくする。
【００３９】
その結果、絞り部材１１は、反射光の一部を遮蔽して、不要な回折光が対物レンズ３を通過しないようにする。つまり、対物レンズ３から出射され、被測定面１０１に向けて集光される光の光軸に対する角度をθとすると、絞り部材１１は、次式を満たす反射光を遮蔽する。
【数４】
【００４０】
なお、本実施の形態に係る絞り部材１１は、対物レンズ３と被測定面１０１との間に配置しても、（数４）を満たす反射光を遮蔽することができる。
【００４１】
［変位検出装置による被測定面の変位量の測定］
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及び図４を参照して説明する。
図３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４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の特性を示す図である。
【００４２】
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、絞り部材１１を通って対物レンズ３に導かれる。このとき、対物レンズ３の開口数（ＮＡ）が制限される。
【００４３】
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で反射後に結像される。したがって、被測定面１０１上の出射光は、所定の径（ビーム径）を有するものになる。なお、本発明に係る出射光は、被測定面１０１で結像されてもよい。
【００４４】
被測定面１０１で反射した反射光の一部は、対物レンズ３及び絞り部材１１を通過するが、上記（数４）を満たす反射光は、絞り部材１１によって遮蔽され、対物レンズ３を通過しない。つまり、被測定面１０１の変位量の測定にとって不要な反射光（回折光）は、変位検出装置１に入り込まないため、受光部９で受光されることはない。
【００４５】
対物レンズ３及び絞り部材１１を通過した反射光は、ミラー５によって反射されて位相板１６に導かれる。そして、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、非点収差発生部８によって非点収差を発生した状態で受光部９に照射される。
【００４６】
図３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を備えている。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。
【００４７】
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）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が被測定面１０１の奥側であって被測定面１０１から所定の距離だけ離れているときに、照射スポットが円形になる（図３（ｂ）参照）。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３によって集光された出射光が被測定面１０１で反射後に結像される。
【００４８】
ここで、照射スポットが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。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側に延びた楕円形になる（図３（ａ）参照）。また、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３（ｃ）参照）。
【００４９】
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へ出力する。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。
【００５０】
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５】
【００５１】
上述の（数５）により算出されたフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性は、図４に示すようになる。図３に示す特性において、原点Ｏは対物レンズ３の基準位置を示し、被測定面１０１上では、所定の出射光の径（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１０１の変位量の測定に影響しない。
このビーム径の大きさは、面粗度、汚れ、ゴミ等の大きさを考慮して決定され、例えば、直径５０μｍ以上であることが好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
上述したように、受光部９に照射される反射光には、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が含まれていない。すなわち、不要な回折光は、受光部９で受光されない。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００５４】
次に、コリメータレンズ７、非点収差発生部８又は受光部９の光軸方向の位置設定について説明する。
本実施の形態では、照射スポットが円形になっている状態の受光部９（受光素子２１〜２４）を光軸に沿って非点収差発生部８に接近する方向へ移動させると、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる（図３（ａ）参照）。
【００５５】
そこで、対物レンズ３の基準位置を被測定面１０１に近づけて焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定する場合は、例えば、受光部９（受光素子２１〜２４）の設置位置を非点収差発生部８から遠ざける。その結果、設定前の受光部９の位置では円形であった照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる。
【００５６】
サーボ制御回路は、設定後の受光部９の位置で照射スポットが円形になる（フォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」になる）ように、アクチュエータを駆動制御する。本実施の形態では、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になると、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１から遠ざかっていると判断するため、アクチュエータは、対物レンズ３を被測定面１０１に近づけるように駆動制御される。その結果、対物レンズ３と被測定面１０１との相対距離を変化させることができ、焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定することができる。
【００５７】
ここでは、受光部９（受光素子２１〜２４）の光軸上の位置を調整して、焦点位置を被測定面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、非点収差発生部又は集光部（コリメータレンズ７）の光軸上の位置を調整して、焦点位置を被測定面の奥側に設定することもできる。
【００５８】
なお、非点収差発生部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、非点収差発生部の光軸上の位置を調整すると、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットが変化する。したがって、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を変位させることができる。
【００５９】
しかし、非点収差発生部として基板を用いる場合は、非点収差発生部の光軸上の位置を調整しても、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットは変化しない。したがって、非点収差発生部として基板を用いる場合は、受光部又は集光部の光軸上の位置を調整して、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を変位させる。
【００６０】
本実施の形態では、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定する。そのため、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、発散光になる。
図５は、被測定面上のビーム径と発散光（収束光）の角度との関係を示すグラフである。
【００６１】
図５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５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、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ）等によって変化する。
【００６２】
被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば被測定面１０１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１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の発散角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の発散角度が大きくなりすぎると、その反射光を受光部９まで導く偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７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１０１上のビーム径は、偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７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。
【００６３】
また、本発明に係る変位検出装置としては、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を被測定面１０１の手前側に設定してもよい。この場合において、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、収束光になる。図５に示すように、ビーム径と収束光の角度は比例する。なお、図５に示すビーム径と収束光の角度との関係（比例定数）は一例であり、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ）等によって変化する。
【００６４】
被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば、被測定面１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の収束角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の収束角度が大きくなると、反射光が対物レンズ３と受光部９との間で結像する場合がある。その場合は、反射光が結像する付近に光学部品を配置しないようにする。これは、光学部品にゴミ等が付着していると、受光部９に導かれる反射光に大きく影響してしまうからである。
【００６５】
また、反射光の収束角度が大きくなると、反射光を受光部９まで導くコリメータレンズ７や非点収差発生部８等のレンズ部品におけるレンズ曲率が小さくなるため、レンズがずれた際のビーム移動等の摂動感度が高くなる。そのため、被測定面１０１上のビーム径は、コリメータレンズ７や非点収差発生部８等のレンズ部品におけるレンズ曲率等を考慮して決定することが好ましい。
【００６６】
なお、絞り部材１１は、開口の大きさを調整可能なものであってもよい。
開口の大きさを調整可能な可変絞り部材は、被測定面に設けられた回折格子の格子ピッチが変わった場合に、その格子ピッチに応じて絞り部材１１の開口の大きさを変えて、不要な回折光の遮蔽を行うことができる。したがって、複数種類の回折格子に対応した変位検出装置を提供することができる。
【００６７】
〈２．変位検出装置の第２の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。
図６は、変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【００６８】
第２の実施の形態の変位検出装置３１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、絞り部材１１の位置である。そのため、ここでは、絞り部材１１の位置について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６９】
変位検出装置３１では、絞り部材１１がコリメータレンズ７と非点収差発生部８との間に配置されている。この絞り部材１１は、コリメータレンズ７を通過して非点収差発生部８へ向かう反射光の光束径を制限する。つまり、絞り部材１１は、上記（数４）を満たす反射光を遮蔽して、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が受光部９で受光されないようにする。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００７０】
なお、本実施の形態に係る絞り部材１１は、被測定面１０１から受光部９までの光路中に配置されていればよい。例えば、非点収差発生部８と受光部９との間に絞り部材１１を配置しても、上記（数４）を満たす反射光を遮蔽して、不要な回折光が受光部９で受光されないようにすることができる。また、本実施形態に係る絞り部材１１としては、開口の大きさを調整可能なものであってもよい。
【００７１】
〈３．変位検出装置の第３の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第３の実施の形態について、図７を参照して説明する。
図７は、変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【００７２】
第３の実施の形態の変位検出装置４１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、対物レンズ３Ａである。そのため、ここでは、対物レンズ３Ａについて説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７３】
変位検出装置４１では、絞り部材１１が削除され、対物レンズ３Ａが遮蔽部を兼ねている。つまり、対物レンズ３Ａは、収束角θ１が上記（数３）を満たす開口数に設定されている。したがって、上記（数４）を満たす反射光が対物レンズ３Ａには入射しないため、実質的に上記（数４）を満たす反射光を遮蔽する。
【００７４】
これにより、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が受光部９で受光されない。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００７５】
〈４．変位検出装置の第４の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第４の実施の形態について、図８を参照して説明する。
図８は、変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【００７６】
第４の実施の形態の変位検出装置５１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、光源５２と、ハーフミラー５３を設けた点である。そのため、ここでは、光源５２と、ハーフミラー５３について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７７】
光源５２は、光源２と同様に、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等から構成されている。この光源５２は、筐体１２に着脱可能に取り付けられている。また、光源５２は、光源２と略等しい波長の光を出射する。
【００７８】
ハーフミラー５３は、光源２から出射された出射光を透過させてコリメータレンズ６に入射させる。また、光源５２から出社された出射光を反射してコリメータレンズ６に入射させる。
【００７９】
変位検出装置５１では、２つの光源２，５２を設けることにより、一方の光源が寿命等で光を出射できなくなった場合に、使用する光源を他方の光源に切り換えることができる。その結果、変位検出装置５１を長期間使用することが可能になる。
【００８０】
〈５．変形例〉
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２，５２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。
【００８１】
また、上述した実施の形態では、対物レンズ３を被測定面１０１に追従して光軸方向に移動させる構成としたが、対物レンズ３を筐体１２に固定することにより、フォーカスエラー信号を用いて絶対位置情報を生成することもできる。
【００８２】
また、上述した実施の形態では、光源２，５２を筐体１２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２，５２を筐体１２内に配設せずに筐体１２から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体１２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２，５２を筐体１２から切り離すことができ、筐体１２内の温度上昇を防止することができる。また、光源２，５２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１２から離れた場所で光源２，５２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。
【００８３】
また、本発明の変位検出装置としては、光源２，５２を筐体１２から離れた位置に配設し、光源２，５２からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体１２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，５２を筐体１２から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体１２に接続される部材が削除され、筐体１２に振動が伝わらないようにすることができる。
【００８４】
また、上述した実施の形態では、非点収差発生部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（フォーカスエラー信号生成部）に近接して配置することができる。その結果、受光部９と位置情報生成部１０との間の通信距離を短縮化することができ、応答速度を向上させることができる。
【００８５】
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。
【００８６】
また、被測定面における回折格子の表面に、光源２，５２からの出射光を反射させる反射膜を形成してもよい。また、反射膜は、回折格子の下地側に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１，３１，４１，５１…変位検出装置、２，５２…光源、３，３Ａ…対物レンズ、４…分離光学系、５…ミラー、６，７…コリメータレンズ、８…非点収差発生部、９…受光部
、１０…位置情報生成部、１１…絞り部材、１２…筐体、１５…偏光ビームスプリッタ、１６…位相板、２１，２２，２３，２４…受光素子、５３…ハーフミラー、１０１…被測定面
【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。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（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
例えば、半導体製造装置や検査装置等に用いられる精密位置決めステージでは、被測定面の変位（被測定面に直交する方向の変位）だけでなく、被測定面に沿った変位（被測定面と平行な方向の変位）を計測する必要がある。この場合は、被測定面に設けた回折格子を利用して被測定面に沿った変位を検出する検出装置と、被測定面の変位を検出する変位検出装置とを用いることがある。このように２つの検出装置を用いることで、２次元や３次元の変位を計測することが可能になる。
【０００４】
被測定面の変位を検出する変位検出装置と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置とは、光源の波長が異なる。そのため、２つの検出装置を用いる場合の被測定面には、被測定面の変位を検出する変位検出装置の光源からの光を反射する領域と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置の光源からの光を反射する領域（回折格子）が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
ところで、被測定面としては、位置決めステージに取り付けられるリニアスケールが適用されることが多い。しかし、近年、リニアスケールの小型化が望まれており、被測定面の変位を検出する変位検出装置の光源からの光を反射する領域と、被測定面に沿った変位を検出する検出装置の光源からの光を反射する領域（回折格子）とが近接して配置されている。そのため、光源からの光を回折格子が設けられた領域で反射させて、被測定面の変位を検出する変位検出装置が望まれている。
【０００７】
本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、光源からの光を回折格子が設けられた領域で反射させて、被測定面の変位を検出する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】
【０００８】
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、集光部と、非点収差発生部と、受光部と、位置情報生成部と、遮蔽部とを備えている。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の出射光の光路と分離する。
【０００９】
集光部は、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、非点収差発生部は、集光部によって集光された反射光に非点収差を発生させる。受光部は、非点収差発生部により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、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。
【００１０】
遮蔽部は、反射光の一部を遮る。対物レンズから出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、光源の波長をλ、被測定面に形成された回折格子のピッチをｄとした場合に、遮蔽部は、
を満たす反射光を遮蔽する。
【００１１】
上記構成の変位検出装置では、回折格子によって反射した不要な回折光が受光部で受光されない。これにより、位置情報生成部は、不用な回折光の影響を受けずに、位置情報を生成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の変位検出装置によれば、回折格子によって反射した不用な回折光の影響を受けずに、位置情報を生成することができ、被測定面の変位情報を正確に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の変位検出装置の第１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に係る対物レンズに不要な回折光が入射しない条件を説明する説明図である。
【図３】本発明の変位検出装置の第１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４】本発明の変位検出装置の第１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の特性を示す図である。
【図５】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係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６】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図７】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図８】本発明の変位検出装置の第４の実施の形態を示すブロック図である。
【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８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】
〈１．変位検出装置の第１の実施の形態〉
［変位検出装置の構成］
まず、変位検出装置の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
図１は、変位検出装置の第１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、非点収差発生部８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、絞り部材１１と、筐体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、非点収差発生部８、受光部９、位置情報生成部１０及び絞り部材１１は、それぞれ筐体１２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１２に着脱可能に取り付けられている。光源２を筐体１２に着脱可能に取り付けることにより、筐体１２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１２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。被測定面１０１には、回折格子（不図示）が形成されており、対物レンズ３を通過した光は、回折格子に照射される。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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と非点収差発生部８との間に配置されている。このコリメータレンズ７は、集光部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。
【００２５】
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。
【００２６】
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向上を図ることができ、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）を広げることができる。
【００２７】
非点収差発生部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。この非点収差発生部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。非点収差発生部としては、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。
【００２８】
なお、本実施の形態の非点収差発生部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。
【００２９】
受光部９は、非点収差発生部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３参照）。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。
【００３０】
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（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。
【００３１】
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、集光部であるコリメータレンズ７と、非点収差発生部８と、受光部９の光軸方向の位置によって決定される。そこで、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の奥側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、非点収差発生部８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。
【００３２】
絞り部材１１は、対物レンズ３とミラー５との間に配置されており、ミラー５（光源２）から対物レンズ３へ向かう光束径を制限する。この絞り部材１１は、対物レンズ３へ向かう光束径を制限し、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が対物レンズ３を通過することを防止する。
【００３３】
［対物レンズに不要な回折光が入射しない条件］
次に、対物レンズ３に不要な回折光が入射しない条件について、図２を参照して説明する。
図２は、対物レンズ３に不要な回折光が入射しない条件を説明するための説明図である。
【００３４】
図２に示すように、対物レンズ３を通過する出射光Ｉａが被測定面１０１の回折格子（不図示）に照射されると、１次回折光Ｄａ１及び−１次回折光Ｄａ２が生じる。また、対物レンズ３を通過する出射光Ｉｂが被測定面１０１の回折格子に照射されると、１次回折光Ｄｂ１及び−１次回折光Ｄｂ２が生じ、出射光Ｉｃが被測定面１０１の回折格子に照射されると、１次回折光Ｄｃ１及び−１次回折光Ｄｃ２が生じる。
なお、本例では、対物レンズ３の光軸Ｌを含む平面を基準にして、その平面の一側に反射する回折光をプラスの回折光とし、他側に反射する回折光をマイナスの回折光とする。
【００３５】
ここで、対物レンズ３から出射される出射光の収束角をθ１、被測定面１０１に設けられた回折格子による回折角をθ２とすると、回折格子からの回折光が対物レンズ３に入らない条件は、次式で表される。なお、本発明に係る不要な回折光とは、０次回折光以外の回折光のことである。
【数１】
【００３６】
そして、回折格子の格子ピッチをｄ、光源２の波長をλとすると、回折角θ２は、次式で表される。なお、ｎは、回折光の次数を表す。
【数２】
【００３７】
上述の（数１）及び（数２）より、θ１は、次式によって表される。
【数３】
【００３８】
（数３）に示されるように、収束角θ１がｓｉｎ−（ｎλ／ｄ）／２よりも小さければ、不要な回折光が変位検出装置１内に入り込まない。そこで、本実施の形態では、絞り部材１１（図１参照）によって対物レンズ３の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を制限して、収束角θ１をｓｉｎ−（ｎλ／ｄ）／２よりも小さくする。
【００３９】
その結果、絞り部材１１は、反射光の一部を遮蔽して、不要な回折光が対物レンズ３を通過しないようにする。つまり、対物レンズ３から出射され、被測定面１０１に向けて集光される光の光軸に対する角度をθとすると、絞り部材１１は、次式を満たす反射光を遮蔽する。
【数４】
【００４０】
なお、本実施の形態に係る絞り部材１１は、対物レンズ３と被測定面１０１との間に配置しても、（数４）を満たす反射光を遮蔽することができる。
【００４１】
［変位検出装置による被測定面の変位量の測定］
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及び図４を参照して説明する。
図３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４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の特性を示す図である。
【００４２】
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、絞り部材１１を通って対物レンズ３に導かれる。このとき、対物レンズ３の開口数（ＮＡ）が制限される。
【００４３】
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で反射後に結像される。したがって、被測定面１０１上の出射光は、所定の径（ビーム径）を有するものになる。なお、本発明に係る出射光は、被測定面１０１で結像されてもよい。
【００４４】
被測定面１０１で反射した反射光の一部は、対物レンズ３及び絞り部材１１を通過するが、上記（数４）を満たす反射光は、絞り部材１１によって遮蔽され、対物レンズ３を通過しない。つまり、被測定面１０１の変位量の測定にとって不要な反射光（回折光）は、変位検出装置１に入り込まないため、受光部９で受光されることはない。
【００４５】
対物レンズ３及び絞り部材１１を通過した反射光は、ミラー５によって反射されて位相板１６に導かれる。そして、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、非点収差発生部８によって非点収差を発生した状態で受光部９に照射される。
【００４６】
図３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を備えている。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。
【００４７】
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）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が被測定面１０１の奥側であって被測定面１０１から所定の距離だけ離れているときに、照射スポットが円形になる（図３（ｂ）参照）。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３によって集光された出射光が被測定面１０１で反射後に結像される。
【００４８】
ここで、照射スポットが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。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側に延びた楕円形になる（図３（ａ）参照）。また、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３（ｃ）参照）。
【００４９】
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へ出力する。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。
【００５０】
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５】
【００５１】
上述の（数５）により算出されたフォーカスエラー信号ＳＦＥの特性は、図４に示すようになる。図３に示す特性において、原点Ｏは対物レンズ３の基準位置を示し、被測定面１０１上では、所定の出射光の径（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１０１の変位量の測定に影響しない。
このビーム径の大きさは、面粗度、汚れ、ゴミ等の大きさを考慮して決定され、例えば、直径５０μｍ以上であることが好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
上述したように、受光部９に照射される反射光には、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が含まれていない。すなわち、不要な回折光は、受光部９で受光されない。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００５４】
次に、コリメータレンズ７、非点収差発生部８又は受光部９の光軸方向の位置設定について説明する。
本実施の形態では、照射スポットが円形になっている状態の受光部９（受光素子２１〜２４）を光軸に沿って非点収差発生部８に接近する方向へ移動させると、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる（図３（ａ）参照）。
【００５５】
そこで、対物レンズ３の基準位置を被測定面１０１に近づけて焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定する場合は、例えば、受光部９（受光素子２１〜２４）の設置位置を非点収差発生部８から遠ざける。その結果、設定前の受光部９の位置では円形であった照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる。
【００５６】
サーボ制御回路は、設定後の受光部９の位置で照射スポットが円形になる（フォーカスエラー信号ＳＦＥの値が「０」になる）ように、アクチュエータを駆動制御する。本実施の形態では、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になると、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１から遠ざかっていると判断するため、アクチュエータは、対物レンズ３を被測定面１０１に近づけるように駆動制御される。その結果、対物レンズ３と被測定面１０１との相対距離を変化させることができ、焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定することができる。
【００５７】
ここでは、受光部９（受光素子２１〜２４）の光軸上の位置を調整して、焦点位置を被測定面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、非点収差発生部又は集光部（コリメータレンズ７）の光軸上の位置を調整して、焦点位置を被測定面の奥側に設定することもできる。
【００５８】
なお、非点収差発生部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、非点収差発生部の光軸上の位置を調整すると、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットが変化する。したがって、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を変位させることができる。
【００５９】
しかし、非点収差発生部として基板を用いる場合は、非点収差発生部の光軸上の位置を調整しても、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットは変化しない。したがって、非点収差発生部として基板を用いる場合は、受光部又は集光部の光軸上の位置を調整して、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を変位させる。
【００６０】
本実施の形態では、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を被測定面１０１の奥側に設定する。そのため、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、発散光になる。
図５は、被測定面上のビーム径と発散光（収束光）の角度との関係を示すグラフである。
【００６１】
図５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５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、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ）等によって変化する。
【００６２】
被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば被測定面１０１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１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の発散角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の発散角度が大きくなりすぎると、その反射光を受光部９まで導く偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７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１０１上のビーム径は、偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７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。
【００６３】
また、本発明に係る変位検出装置としては、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置を被測定面１０１の手前側に設定してもよい。この場合において、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、収束光になる。図５に示すように、ビーム径と収束光の角度は比例する。なお、図５に示すビーム径と収束光の角度との関係（比例定数）は一例であり、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ）等によって変化する。
【００６４】
被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば、被測定面１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の収束角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の収束角度が大きくなると、反射光が対物レンズ３と受光部９との間で結像する場合がある。その場合は、反射光が結像する付近に光学部品を配置しないようにする。これは、光学部品にゴミ等が付着していると、受光部９に導かれる反射光に大きく影響してしまうからである。
【００６５】
また、反射光の収束角度が大きくなると、反射光を受光部９まで導くコリメータレンズ７や非点収差発生部８等のレンズ部品におけるレンズ曲率が小さくなるため、レンズがずれた際のビーム移動等の摂動感度が高くなる。そのため、被測定面１０１上のビーム径は、コリメータレンズ７や非点収差発生部８等のレンズ部品におけるレンズ曲率等を考慮して決定することが好ましい。
【００６６】
なお、絞り部材１１は、開口の大きさを調整可能なものであってもよい。
開口の大きさを調整可能な可変絞り部材は、被測定面に設けられた回折格子の格子ピッチが変わった場合に、その格子ピッチに応じて絞り部材１１の開口の大きさを変えて、不要な回折光の遮蔽を行うことができる。したがって、複数種類の回折格子に対応した変位検出装置を提供することができる。
【００６７】
〈２．変位検出装置の第２の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。
図６は、変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【００６８】
第２の実施の形態の変位検出装置３１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、絞り部材１１の位置である。そのため、ここでは、絞り部材１１の位置について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６９】
変位検出装置３１では、絞り部材１１がコリメータレンズ７と非点収差発生部８との間に配置されている。この絞り部材１１は、コリメータレンズ７を通過して非点収差発生部８へ向かう反射光の光束径を制限する。つまり、絞り部材１１は、上記（数４）を満たす反射光を遮蔽して、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が受光部９で受光されないようにする。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００７０】
なお、本実施の形態に係る絞り部材１１は、被測定面１０１から受光部９までの光路中に配置されていればよい。例えば、非点収差発生部８と受光部９との間に絞り部材１１を配置しても、上記（数４）を満たす反射光を遮蔽して、不要な回折光が受光部９で受光されないようにすることができる。また、本実施形態に係る絞り部材１１としては、開口の大きさを調整可能なものであってもよい。
【００７１】
〈３．変位検出装置の第３の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第３の実施の形態について、図７を参照して説明する。
図７は、変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【００７２】
第３の実施の形態の変位検出装置４１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、対物レンズ３Ａである。そのため、ここでは、対物レンズ３Ａについて説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７３】
変位検出装置４１では、絞り部材１１が削除され、対物レンズ３Ａが遮蔽部を兼ねている。つまり、対物レンズ３Ａは、収束角θ１が上記（数３）を満たす開口数に設定されている。したがって、上記（数４）を満たす反射光が対物レンズ３Ａには入射しないため、実質的に上記（数４）を満たす反射光を遮蔽する。
【００７４】
これにより、被測定面１０１の回折格子（不図示）によって回折された不要な回折光が受光部９で受光されない。その結果、被測定面１０１に設けた回折格子からの反射光を受光部９で受光しても、出力信号にオフセットが生じないため、被測定面１０１の変位量を正確に測定することができる。
【００７５】
〈４．変位検出装置の第４の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第４の実施の形態について、図８を参照して説明する。
図８は、変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【００７６】
第４の実施の形態の変位検出装置５１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有しており、異なるところは、光源５２と、ハーフミラー５３を設けた点である。そのため、ここでは、光源５２と、ハーフミラー５３について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７７】
光源５２は、光源２と同様に、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等から構成されている。この光源５２は、筐体１２に着脱可能に取り付けられている。また、光源５２は、光源２と略等しい波長の光を出射する。
【００７８】
ハーフミラー５３は、光源２から出射された出射光を透過させてコリメータレンズ６に入射させる。また、光源５２から出社された出射光を反射してコリメータレンズ６に入射させる。
【００７９】
変位検出装置５１では、２つの光源２，５２を設けることにより、一方の光源が寿命等で光を出射できなくなった場合に、使用する光源を他方の光源に切り換えることができる。その結果、変位検出装置５１を長期間使用することが可能になる。
【００８０】
〈５．変形例〉
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２，５２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。
【００８１】
また、上述した実施の形態では、対物レンズ３を被測定面１０１に追従して光軸方向に移動させる構成としたが、対物レンズ３を筐体１２に固定することにより、フォーカスエラー信号を用いて絶対位置情報を生成することもできる。
【００８２】
また、上述した実施の形態では、光源２，５２を筐体１２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２，５２を筐体１２内に配設せずに筐体１２から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体１２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２，５２を筐体１２から切り離すことができ、筐体１２内の温度上昇を防止することができる。また、光源２，５２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１２から離れた場所で光源２，５２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。
【００８３】
また、本発明の変位検出装置としては、光源２，５２を筐体１２から離れた位置に配設し、光源２，５２からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体１２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，５２を筐体１２から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体１２に接続される部材が削除され、筐体１２に振動が伝わらないようにすることができる。
【００８４】
また、上述した実施の形態では、非点収差発生部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（フォーカスエラー信号生成部）に近接して配置することができる。その結果、受光部９と位置情報生成部１０との間の通信距離を短縮化することができ、応答速度を向上させることができる。
【００８５】
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。
【００８６】
また、被測定面における回折格子の表面に、光源２，５２からの出射光を反射させる反射膜を形成してもよい。また、反射膜は、回折格子の下地側に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１，３１，４１，５１…変位検出装置、２，５２…光源、３，３Ａ…対物レンズ、４…分離光学系、５…ミラー、６，７…コリメータレンズ、８…非点収差発生部、９…受光部
、１０…位置情報生成部、１１…絞り部材、１２…筐体、１５…偏光ビームスプリッタ、１６…位相板、２１，２２，２３，２４…受光素子、５３…ハーフミラー、１０１…被測定面
【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部と、
前記集光部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部と、
前記非点収差発生部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、
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、
前記反射光の一部を遮る遮蔽部と、を備え、
前記対物レンズから出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、前記光源の波長をλ、前記被測定面に形成された回折格子のピッチをｄ、前記回折格子による回折光の次数をｎとした場合に、前記遮蔽部は、
を満たす反射光を遮蔽する変位検出装置。
【請求項２】
前記遮蔽部は、前記被測定面から前記受光部までの光路に配置される絞り部材である請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記対物レンズは、収束角θ１が
に設定され、開口数を制限することにより前記遮蔽部を兼ねる請求項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部と、
前記集光部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部と、
前記非点収差発生部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、
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、
前記反射光の一部を遮る遮蔽部と、を備え、
前記対物レンズから出射され、被測定面に向けて集光される光の光軸に対する角度をθ、前記光源の波長をλ、前記被測定面に形成された回折格子のピッチをｄ、前記回折格子による回折光の次数をｎとした場合に、前記遮蔽部は、
を満たす反射光を遮蔽する変位検出装置。
【請求項２】
前記遮蔽部は、前記被測定面から前記受光部までの光路に配置される絞り部材である請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記対物レンズは、収束角θ１が
に設定され、開口数を制限することにより前記遮蔽部を兼ねる請求項１に記載の変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２０２９２（Ｐ２０１２−２２０２９２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８５０７１（Ｐ２０１１−８５０７１）
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【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１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【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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