JP5918592B2 - 位置検出装置 - Google Patents

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Description

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。
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。
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。
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。
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。
特開平5−89480号公報
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。
そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、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。
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。
すなわち、本発明は、測定光を出射する光源と、上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、上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第1の光束を回折し、回折した上記第1の光束を再び上記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、上記回折格子に入射される上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第1の反射部と、上記光束分割部によって分割された上記第2の光束を反射する第2の反射部と、上記回折格子によって回折され、かつ上記被測定面によって再び反射された上記第1の光束と、上記第2の反射部によって反射された上記第2の光束を重ね合わせる光束結合部と、上記光束結合部により重ね合わされた上記第1の光束及び上記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上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、上記回折格子の格子ベクトルは、上記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、上記第1の光束の光路長が、上記被測定部材が高さ方向に変位しても、常に一定の距離に保たれることを特徴とする。
本発明に係る変位検出装置において、上記回折格子は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す反射型の回折格子からなり、上記第1の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に再び入射された上記第1の光束が上記被測定部材の被測定面により反射されて入射されるものとすることができる。
また、本発明に係る変位検出装置において、上記回折格子は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を透過させる透過型の回折格子からなり、上記透過型の回折格子を透過し上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す第3の反射部を備え、上記第1の反射部は、上記回折格子を透過させる上記第1の光束の光路中の上記回折格子の前後に設けられ、上記光束分割部によって分割されて上記被測定部材の被測定面に入射されて反射された上記第1の光束と、上記第3の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に戻され該被測定部材の被測定面により反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させるものとすることができる。
また、本発明に係る変位検出装置において、上記第1の反射部は、例えば、上記被測定部材の被測定面との間で上記第1の光束を複数回反射するものとすることができる。
本発明に係る変位検出装置では、回折格子に入射される被測定部材の被測定面によって反射された第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第1の反射部を備えることにより、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 上記変位検出装置における光路長調整手段による光路長調整された第1の光束の回折格子への入射状態を模式的に示すに示す図である。 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。 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。 第1の反射部として機能する第1の反射ミラーにより第1の光束を2回反射させた場合の第1の光束の回折格子への入射状態を模式的に示すに示す図である。 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。 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。
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。
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。
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、測定光L0を出射する光源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に分割する偏光ビームスプリッタ12と、この偏光ビームスプリッタ12により分割された第1の光束L1が上記被測定部材1の被測定面1aによって反射されて入射される第1の反射鏡14と、この第1の反射鏡14により反射されて再入射された第1の光束L1が上記被測定部材1の被測定面1aによって反射されて入射される回折格子15と、上記偏光ビームスプリッタ12により分割された第2の光束L2が入射される第2の反射鏡17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、上記被測定部材1の被測定面1aの上記測定方向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。
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。
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。
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。
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を介して偏光ビームスプリッタ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、偏光ビームスプリッタ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。
偏光ビームスプリッタ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偏光を透過し、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に分割する光束分割部として機能する。また、この偏光ビームスプリッタ12は、被測定部材1及び第2の反射鏡17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に照射する光束結合部として機能する。すなわち、この変位検出装置100における偏光ビームスプリッタ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。
偏光ビームスプリッタ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側と第2の反射鏡17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。
また、光源10と偏光ビームスプリッタ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。
また、第1の位相板13及び第2の位相板16は、それぞれ1/4波長板等から構成されている。
そして、この変位検出装置100において、第1の反射鏡14は、被測定部材1の被測定面1aにより反射され第1の光束L1を再び被測定部材1の被測定面1aに入射するように上記被測定部材の被測定面1aに略平行に配置されている。この第1の反射鏡14は、回折格子15に入射される上記被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束L1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する。
この変位検出装置100において、回折格子15は、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射されて入射される上記第1の光束L1を反射し、かつ回折させ上記被測定部材1の被測定面1aに戻す反射型の回折格子からなる。
そして、回折格子15によって回折された第1の光束L1は、被測定部材1の被測定面1aで反射して第1の反射鏡14に入射され、この第1の反射鏡14により反射されて上記被測定部材1の被測定面1aに入射され、この被測定部材1の被測定面1aで反射されて再び偏光ビームスプリッタ12へ戻される。回折格子15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15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。
なお、回折格子15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15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15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。
また、回折格子15に入射した第1の光束L1は、回折格子15によって反射し、かつ回折される。この回折格子15の格子ピッチΛは、回折角が回折格子15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15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15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15への入射角は、π/2−θとなる。
Λ=λ/(2sin(π/2−θ)) ・・・式1
そのため、回折格子15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、偏光ビームスプリッタ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15に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子15よって回折された第1の光束L1は、偏光ビームスプリッタ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、偏光ビームスプリッタ12から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ12に戻る。
なお、回折格子15としては、例えば図2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。
この回折格子15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15A,15Bからなる。この回折格子15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、第2の反射鏡17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。
また、この変位検出装置100において、第2の反射鏡17は、図1に示すように、偏光ビームスプリッタ12によって分割された第2の光束L2を回折格子15に反射するものである。この第2の反射鏡17は、回折格子15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、第2の反射鏡17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、第2の反射鏡17及び回折格子15は、第2の反射鏡17の反射面と回折格子15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。
また、第2の反射鏡17は、回折格子15によって回折された第2の光束L2を再び反射して偏光ビームスプリッタ12に戻す。なお、第2の反射鏡17によって反射され、かつ回折格子15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、偏光ビームスプリッタ12から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ12に戻る。
この第2の反射鏡17は、第1の光束L1における偏光ビームスプリッタ12から回折格子15までの光路長と、第2の光束L2における偏光ビームスプリッタ12から回折格子15までの光路長が等しくなるように配置される。第2の反射鏡17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。
上述したように、第2の反射鏡17の反射面と回折格子15の回折面は、被測定部材1の被測定面1aと回折格子15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15によって回折されて再び第2の反射鏡17の反射面に入射するときの光路が、第2の反射鏡17によって反射されて回折格子15に入射するときの光路に重なり合う。
また、偏光ビームスプリッタ12は、被測定部材1及び第2の反射鏡17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における偏光ビームスプリッタ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。
ここで、偏光ビームスプリッタ12から被測定部材1及び回折格子15を介して偏光ビームスプリッタ12に戻るまでの長さと、偏光ビームスプリッタ12から第2の反射鏡17及び回折格子15を介して偏光ビームスプリッタ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。
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。
相対位置検出部20の受光部20Aは、偏光ビームスプリッタ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。
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。
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。
また、相対位置検出部20の相対位置情報出力部20Bは、図3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。
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。
このような構成の変位検出装置100において、偏光ビームスプリッタ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。
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。
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。
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15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5における格子のピッチである。
ここで、図4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15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15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4倍の2zとなる。すなわち、回折格子15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4倍の2zとなる。
また、回折格子15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15に入射する位置だけが変化する。
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4倍の2z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。
このように上記回折格子15に入射される被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束l1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14を備えることにより、上記被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位を高分解能で検出できる。
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。
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。
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。
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/4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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
このような構成の変位検出装置100では、回折格子15に入射される被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束l1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14を備えることにより、上記被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
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5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。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。
このような被測定部材1の被測定面1aを検出するには、上記変位検出装置100において、偏光ビームスプリッタ12によって分割された第1の光束L1と第2の光束L2の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段を設け、上記第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を一致させる調整を行うようにすればよい。
例えば図6のブロック図に示すような構成の変位検出装置100Aを用いることにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材や多層膜や半導体のウエハなどの被測定部材の被測定面の高さ方向の位置を検出することができる。
この変位検出装置100Aは、上記変位検出装置100における偏光ビームスプリッタ12により分割された第2の光束L2の光路に光路長調整手段として光路長調整プリズム18aを設けたものである。
すなわち、この変位検出装置100Aは、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18aを介して第2の反射鏡17に照射される。
なお、上記変位検出装置100A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。
ここで、光路長調整プリズム18aは、図7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18b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18bには、ステージやピエゾ素子が用いられる。
光路長調整プリズム18aと可動部18bによる光路長調整手段は、偏光ビームスプリッタ12から回折格子15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。
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5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。
すなわち、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8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。
光路長調整プリズム18aと可動部18bによる光路長調整手段は、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。
上記光路長調整手段は、物体光である第1の光束L1における偏光ビームスプリッタ12から回折格子15を介して上記偏光ビームスプリッタ12に戻るまでの光路長と、参照光である第2の光束L2における偏光ビームスプリッタ12から回折格子15を介して上記偏光ビームスプリッタ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。
なお、この変位検出装置100では、上記光路長調整手段により第2の光束L2を調整に連動して第2の反射鏡17を回転させて、回折格子15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。
ここで、上記変位検出装置100Aでは、偏光ビームスプリッタ12から回折格子15までの第2の光束L2の光路中に光路長調整プリズム18aと可動部18bによる光路長調整手段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、偏光ビームスプリッタ12から回折格子15までの第1の光束L1の光路中に光路長調整プリズム18aと可動部18bによる光路長調整手段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。
また、図9に示す変位検出装置100Bのように、参照光である第2の光束L2を反射する第2の反射鏡17を第2の光束L2の光軸と直交する配置して、可動部18Aにより上記第2の反射鏡17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における偏光ビームスプリッタ12から回折格子15を介して上記偏光ビームスプリッタ12に戻るまでの光路長と、参照光である第2の光束L2における偏光ビームスプリッタ12から第2の反射鏡17を介して上記偏光ビームスプリッタ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18Aには、ステージやピエゾ素子が用いられる。
さらに、図10に示す変位検出装置100C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15A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15Bを分離して配し、上記回折格子15Aと回折格子15Bの一方又は両方を可動部18A,18B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15Aと回折格子15B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。
上記可動部18A,18B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18A,18B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。
なお、上記変位検出装置100B,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。
このような構成の変位検出装置100A,100B,100Cでは、偏光ビームスプリッタ12によって分割された被測定部材1の被測定面1aに入射させる物体光となる第1の光束L1、又は、参照光となる第2の光束L2の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段を備えることにより、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5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、しかも、回折格子15に入射される被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束L1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14を備えることにより、上記被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
ここで、上記変位検出装置100,100A,100B,100Cでは、第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14により、第1の光束L1を1回だけ反射して被測定部材1の被測定面1aに再入射させるようにしたが、上記被測定部材1の被測定面1aとの間で上記第1の光束L1を2回以上反射させて上記被測定部材1の被測定面1aに複数回再入射させるようにしてもよい。
例えば、図11に示すように、第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14により第1の光束L1を2回反射させた場合、被測定部材1の被測定面1aには第1の光束L1が3回入射されることになるが、光路長は、A=A’、B=B’、C=C’、D=D’、E=E’となり、被測定部材1の被測定面1aの測定方向Zの変化に対し、常に一定である。
また、被測定部材1の被測定面1aが、測定方向Zにz/2だけ変化すると、回折格子17上の第1の光束L1の位置は、6倍の3zだけ変化する。つまり回折格子1上の第1の光束L1の位置の変化は、被測定部材1の被測定面1aに入射させる回数に比例する。
この手法で、得られる干渉信号をさらに細かくすることができる高分解能化することができる。
また、上記変位検出装置100,100A,100B,100C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15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12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15C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100Dに適用することもできる。
すなわち、図12に示す変位検出装置100Dは、上記変位検出装置100と同様に、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に分割する偏光ビームスプリッタ12と、被測定部材1の被測定面1aによって第1の光束L1が反射されて入射される第1の反射部として機能する2つの第1の反射鏡14A、14Bと、第1の光束L1が上記被測定部材1の被測定面1aによって反射されて入射される透過型の回折格子15Cと、上記偏光ビームスプリッタ12により分割された第2の光束L2が入射される第2の反射鏡17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、上記被測定部材1の被測定面1aの上記測定方向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。
上記第1の反射鏡14A,14Bは、被測定部材1の被測定面1aにより反射され第1の光束L1を再び被測定部材1の被測定面1aに入射するように上記被測定部材の被測定面1aに略平行に配置されている。
すなわち、この変位検出装置100Dは、透過型の回折格子15Cを透過させる第1の光束L1の光路中の上記回折格子15Cの前後に第1の反射部として機能する2つの第1の反射鏡14A、14Bが設けられており、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割されて上記被測定部材1の被測定面1aに入射されて反射された上記第1の光束L1と、上記第3の反射部として機能する戻り用反射鏡ブロック19の第1の反射面19Aにより反射されて戻されて上記被測定部材1の被測定面1aに戻され該被測定部材1の被測定面1aにより反射された上記第1の光束L1を2つの第1の反射鏡14A、14Bにより反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させるようになっている。
なお、この変位検出装置100D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。
この変位検出装置100D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偏光ビームスプリッタ12に入射され、偏光ビームスプリッタ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。
偏光ビームスプリッタ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に入射される。
上記被測定部材1の被測定面1aに入射された第1の光束L1は、該被測定部材1の被測定面1aで反射されて第1の反射部として機能する第1の反射鏡14Aに入射される。
この第1の反射鏡14Aは、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割されて上記被測定部材1の被測定面1aに入射されて反射された上記第1の光束L1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する。
そして、上記被測定部材1の被測定面1aに再入射された上記第1の光束L1が上記被測定部材1の被測定面1aで反射されて透過型の回折格子15Cに入射される。
回折格子15C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。
すなわち、この変位検出装置100Dでは、上記変位検出装置100における反射型の回折格子15に替えて上記透過型の回折格子15Cが設けられている。
そして、この透過型の回折格子15Cに入射された第1の光束L1は、当該透過型の回折格子15C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に入射される。
上記被測定部材1の被測定面1aに入射された第1の光束L1は、該被測定部材1の被測定面1aで反射されて第1の反射部として機能する第2の反射鏡14Bに入射される。
この第1の反射鏡14Bは、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射されて入射された上記第1の光束L1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する。
すなわち、この変位検出装置100Dは、透過型の回折格子15Cを透過させる第1の光束L1の光路中の上記回折格子15Cの前後に第1の反射部として機能する2つの第1の反射鏡14A、14Bが設けられており、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割されて上記被測定部材1の被測定面1aに入射されて反射された上記第1の光束L1と、上記第3の反射部として機能する戻り用反射鏡ブロック19の第1の反射面19Aにより反射されて戻されて上記被測定部材1の被測定面1aに戻され該被測定部材1の被測定面1aにより反射された上記第1の光束L1を2つの第1の反射鏡14A、14Bにより反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させるようになっている。
上記第1の反射鏡14Bにより反射された第1の光束L1は、上記被測定部材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。
また、偏光ビームスプリッタ12で分割された第2の光束L2は、第2の位相板16と光路長調整プリズム18aを介して第2の反射鏡17に入射され、この第2の反射鏡17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15Cに入射される。
そして、この透過型の回折格子15Cに入射された第2の光束L2は、当該透過型の回折格子15Cを透過し、かつ1回回折されて、第2の反射鏡17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。
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15Cを介して偏光ビームスプリッタ12に戻す。また、第2の反射面19Bは、第2の反射鏡17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第2の反射鏡17の反射面と透過型の回折格子15Cを介して偏光ビームスプリッタ12に戻す。すなわち、上記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入射された第1の光束L1と第2の光束L2を反射して元の光路に戻す第3の反射部として機能する。
この変位検出装置100D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18C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18C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18C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。
すなわち、この変位検出装置100Dは、上記可動部18C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100D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。
そして、この変位検出装置100Dでは、被測定部材1の被測定面1a及び反射鏡18により反射されて透過型の回折格子15Cを介して偏光ビームスプリッタ12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。
ここで、この変位検出装置100Dにおいて、透過型の回折格子15C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13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。また、第1の光束L1は、戻り用反射鏡ブロック19の第1の反射面19Aにより反射されて被測定部材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。
また、回折格子15Cの格子ピッチΛは、回折角が回折格子15C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15Cの格子ピッチΛは、上述したように偏光ビームスプリッタ12により分割された第1の光束L1が入射される被測定部材1の被測定面1a上の第1の照射スポットPc1における入射角をθ1、第2の照射スポットPc2における入射角をθ2、波長λとすると、次の式2を満たす。
Λ=nλ/(sin(π/2−θ1)+sin(π/2−θ2)) ・・・式2
なお、nは、正の次数である。
回折格子15C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15C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
なお、θは、回折格子15Cの入射角及び回折角である。
すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子15Cによって回折される回折光を強めることが可能となる。
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。
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15C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15C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、偏光ビームスプリッタ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。
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15C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15C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。
ここで、回折格子15C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15C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4倍の4zとなる。
また、回折格子15C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15Cに入射する位置だけが変化する。
なお、第2の反射鏡17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。
この変位検出装置100D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15C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15C上では4倍の2z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。
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。
よって、この変位検出装置100Dでは、回折格子15C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15の格子ピッチが同じ場合、上記変位検出装置100よりも4倍の分解能とすることができる。
例えば、回折格子15C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4倍、すなわち4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/8=0.068938μmとなる。
また、この変位検出装置100D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。
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。
このような構成の変位検出装置100Dでは、可動部18C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、しかも、透過型の回折格子15に入射される被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束L1を反射して上記被測定部材1の被測定面1aに再度入射させる第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14A,14Bを備えることにより、上記被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
ここで、上記変位検出装置100Dにおいても、第1の反射部として機能する第1の反射ミラー14A,14Bにより、第1の光束L1を1回だけ反射して被測定部材1の被測定面1aに再入射させるようにしたが、上記被測定部材1の被測定面1aとの間で上記第1の光束L1を2回以上反射させて上記被測定部材1の被測定面1aに複数回再入射させることにより、さらに高い分解能で上記被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
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 偏光ビームスプリッタ1、13,16 位相板、14,14A,14B 第1の反射鏡、15,15A,15B,15C 回折格子、17 第2の反射鏡、18a 光路長調整プリズム、18b,18A、18B,18C 可動部、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,100D, 変位検出装置

Claims (4)

  1. 測定光を出射する光源と、
    上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、
    上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第1の光束を回折し、回折した上記第1の光束を再び上記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、
    上記回折格子に入射される上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第1の反射部と、
    上記光束分割部によって分割された上記第2の光束を反射する第2の反射部と、
    上記回折格子によって回折され、かつ上記被測定面によって再び反射された上記第1の光束と、上記第2の反射部によって反射された上記第2の光束を重ね合わせる光束結合部と、
    上記光束結合部により重ね合わされた上記第1の光束及び上記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、
    上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上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
    上記回折格子の格子ベクトルは、上記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、上記第1の光束の光路長が、上記被測定部材が高さ方向に変位しても、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。
  2. 上記回折格子は、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す反射型の回折格子からなり、上記第1の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に再び入射された上記第1の光束が上記被測定部材の被測定面により反射されて入射されることを特徴とする請求項1記載の変位検出装置。
  3. 上記回折格子は、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を透過させる透過型の回折格子からなり、
    上記透過型の回折格子を透過し上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す第3の反射部を備え、
    上記第1の反射部は、上記回折格子を透過させる上記第1の光束の光路中の上記回折格子の前後に設けられ、上記光束分割部によって分割されて上記被測定部材の被測定面に入射されて反射された上記第1の光束と、上記第3の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に戻され該被測定部材の被測定面により反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させることを特徴とする請求項1記載の変位検出装置。
  4. 上記第1の反射部は、上記被測定部材の被測定面との間で上記第1の光束を複数回反射することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の変位検出装置。
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