JP5936399B2 - Position detection device - 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。   The present invention relates to a displacement detection device that detects a displacement of a surface to be measured by a non-contact sensor using measurement light emitted from a light source, and more particularly to a technique for detecting a displacement in a vertical direction of the surface to be measured. .

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。   Conventionally, a displacement detection device using light has been widely used as a device for measuring the displacement and shape of a surface to be measured in a non-contact manner. As a typical example, there is a method of irradiating a surface to be measured with a laser beam and detecting a change in position of reflected light with a PSD (Position Sensitive Device). However, this method has a problem in that it is easily affected by the inclination of the surface to be measured, the sensitivity is low, and the measurement resolution decreases when the measurement range is expanded.

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。   On the other hand, there is a method using a Michelson interferometer with the surface to be measured as a mirror surface. This method has a wide detection range and excellent linearity. However, when the measurement range is widened, the method receives a change in the wavelength of the light source and a change in the refractive index of the air.

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。   On the other hand, the light emitted from the light source is condensed on the surface to be measured by the objective lens, and the reflected light reflected by the surface to be measured is condensed by the astigmatic optical element and incident on the light receiving element, and then focused by the astigmatism method. Generate an error signal. Then, the servo mechanism is driven using the focus error signal, and the objective lens is displaced so that the focal position of the objective lens becomes the surface to be measured. At this time, there is a method of detecting the displacement of the surface to be measured by reading a scale of a linear scale that is integrally attached to the objective lens via a connecting member (for example, see Patent Document 1). This method has an advantage that it is difficult to receive a change in the inclination of the surface to be measured, and a large measurement range can be measured with high resolution.

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。   In the displacement detection device disclosed in Patent Document 1, in order to increase the accuracy of displacement detection, the numerical aperture (NA: Numerical Aperture) of the objective lens is increased to reduce the beam diameter focused on the surface to be measured. ing. For example, when the beam diameter formed on the surface to be measured is about 2 μm, the detection accuracy of the linear scale is about several nm to several hundred nm.

特開平5−89480号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-89480

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。   However, in the displacement detection device described in Patent Document 1, the objective lens is moved up and down in the optical axis direction by a drive mechanism such as an actuator using a magnet and a coil. Therefore, the mechanical response frequency of the vertical movement of the objective lens is limited by the structure and mass of the actuator. As a result, with the displacement detection device, it was difficult to measure the object to be measured that vibrates at high speed. In addition, while the detection point can be narrowed down, there is a problem that a large error occurs due to the influence of a foreign object on the object to be measured and a fine shape change close to the beam shape, and the use conditions are limited. .

さらに被測定物が、積層された構造である場合、その中から任意の層にフォーカスサーボをかけるのは、非常に困難であり、安定した計測が不可能であった。   Furthermore, when the object to be measured has a laminated structure, it is very difficult to apply focus servo to any layer from among them, and stable measurement is impossible.

そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、高精度に積層された被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することにある。   Therefore, in view of the conventional problems as described above, an object of the present invention is to provide a displacement detection device capable of detecting a displacement in a height direction of a member to be measured with high accuracy and capable of performing stable measurement at high speed. There is to do.

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。   Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of embodiments described below.

すなわち、本発明は、変位検出装置であって、測定光を出射する光源と、前記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する光束分割部と、前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第1の光束を回折し、回折した前記第1の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、前記光束分割部によって分割された前記第2の光束を反射する反射部と、前記光束分割部によって分割された第1の光束と第2の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定面によって再び反射された前記第1の光束と、前記反射部によって反射された前記第2の光束を重ね合わせる光束結合部と、前記光束結合部により重ね合わされた前記第1の光束及び前記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、前記受光部により受光した干渉光強度に基づいて前記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段とを備え、前記回折格子の格子ベクトルは、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、前記被測定部材が高さ方向に変位しても、前記第1の光束の光路長が常に一定の距離に保たれることを特徴とする。
That is, the present invention is a displacement detection apparatus, which is a light source that emits measurement light, a first light beam that is object light that causes the measurement light emitted from the light source to enter a member to be measured, and reference light. A light beam splitting unit that splits the light beam into a second light beam; and diffracting the first light beam split by the light beam splitting unit and reflected by the surface to be measured of the member to be measured. A diffraction grating that is incident again on the measurement surface of the member to be measured, a reflection unit that reflects the second light beam divided by the light beam dividing unit, a first light beam divided by the light beam dividing unit, and a first light beam An optical path length adjusting means for adjusting an optical path length of at least one of the two light beams, the first light beam diffracted by the diffraction grating and reflected again by the surface to be measured, and the light beam reflected by the reflecting unit. Second light Based on the intensity of the interference light received by the light receiving unit, the light receiving unit that receives the interference light of the first light beam and the second light beam superimposed by the light beam combining unit, Relative position information output means for outputting displacement information in the height direction of the surface to be measured, and the grating vector of the diffraction grating is disposed substantially perpendicular to the surface to be measured of the member to be measured, Even if the member is displaced in the height direction, the optical path length of the first light flux is always maintained at a constant distance .

本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、前記第1の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長と、前記第2の光束における前記光束分割部から前記反射部を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有する。   In the displacement detection device according to the present invention, the optical path length adjusting means includes an optical path length of the first light beam from the light beam splitting unit to the light beam coupling unit via the diffraction grating, and the second light beam. The optical path length adjustment range includes a coincident point with the optical path length from the light beam splitting unit to the light beam coupling unit through the reflecting unit.

また、本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、例えば、光学プリズムを移動させることで、当該光学プリズムを通過する光束の光路長を調整するものとすることができる。   In the displacement detection device according to the present invention, the optical path length adjusting means may adjust the optical path length of the light beam passing through the optical prism by moving the optical prism, for example.

また、本発明に係る変位検出装置では、例えば、前記回折格子は反射型回折格子であり、前記光路長調整手段は、前記回折格子を入射される光束の光軸方向に移動させることで光路長を調整するものとすることができる。   In the displacement detection apparatus according to the present invention, for example, the diffraction grating is a reflection type diffraction grating, and the optical path length adjusting means moves the diffraction grating in the optical axis direction of the incident light beam to thereby change the optical path length. Can be adjusted.

さらに、本発明に係る変位検出装置において、前記光路長調整手段は、例えば、第1の光束もしくは第2の光束もしくはその両方を反射する反射鏡を移動させることで、光路長を調整するものとすることができる。   Furthermore, in the displacement detection device according to the present invention, the optical path length adjusting means adjusts the optical path length by moving a reflecting mirror that reflects the first light beam, the second light beam, or both, for example. can do.

本発明によれば、光束分割部によって分割された被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束、又は、参照光となる第2の光束の少なくとも一方の光路長を光路長調整手段で調整することにより、高精度に積層された被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。   According to the present invention, the optical path length adjusting means is used to change the optical path length of at least one of the first light beam that is the object light incident on the member to be measured divided by the light beam dividing unit or the second light beam that is the reference light. By adjusting, it is possible to detect the displacement in the height direction of the member to be measured that is laminated with high accuracy, and to perform stable measurement at high speed.

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。It is a block diagram which shows the structural example of the displacement detection apparatus to which this invention is applied. 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。It is a side view which shows typically the structural example of the optical path length adjustment means with which the said displacement detection apparatus was equipped. 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。It is a side view which shows typically the structural example of the reflection type diffraction grating with which the said displacement detection apparatus was equipped. 上記変位検出装置により測定される多層の被測定面を有する被測定部材の構造を模式的に示すに示す側面図である。It is a side view which shows typically the structure of the to-be-measured member which has the multilayer to-be-measured surface measured by the said displacement detection apparatus. 上記変位検出装置における 模式的に示すに示す側面図である。FIG. 3 is a side view schematically showing the displacement detection device. 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。It is a block diagram which shows the structure of the relative position information output part in the relative position information detection part with which the said displacement detection apparatus was equipped. 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。It is a figure which shows typically the relationship between the irradiation spot on the to-be-measured surface of the 1st light beam irradiated to the to-be-measured surface of the to-be-measured member in the said displacement detection apparatus, and the diffraction position on a diffraction grating. 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。It is a block diagram which shows the other structural example of the displacement detection apparatus to which this invention is applied. 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。It is a block diagram which shows the other structural example of the displacement detection apparatus to which this invention is applied. 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。It is a block diagram which shows the other structural example of the displacement detection apparatus to which this invention is applied. 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。FIG. 4 is a side view schematically showing a state of reflection of a first light beam irradiated on a measurement target surface of a measurement target member and diffraction by a transmission type diffraction grating in the displacement detection device.

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。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。   The present invention is applied to, for example, a displacement detection apparatus 100 configured as shown in the block diagram of FIG.

この変位検出装置100は、回折格子14を用いて被測定部材1の被測定面1aにおける垂直な方向(測定方向Z)の変位を該被測定面1aにより反射される測定光L1に基づいて検出するものであって、光源10と、この光源10から出射される測定光L0を2つの光束L1,L2に分割する光束分割部12と、回折格子14と、反射鏡18と、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射される測定光L1に基づいて、上記測定方向Zの相対位置を光学的に検出する相対位置検出部20を備える。   This displacement detection device 100 uses a diffraction grating 14 to detect a displacement in the vertical direction (measurement direction Z) of the measurement target surface 1a of the measurement target member 1 based on the measurement light L1 reflected by the measurement target surface 1a. A light source 10, a light beam splitting unit 12 that splits the measurement light L0 emitted from the light source 10 into two light beams L1 and L2, a diffraction grating 14, a reflecting mirror 18, and the member to be measured. A relative position detector 20 is provided for optically detecting the relative position in the measurement direction Z based on the measurement light L1 reflected by one measured surface 1a.

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。   Examples of the light source 10 include a semiconductor laser diode, a super luminescence diode, a gas laser, a solid-state laser, a light emitting diode, and white light.

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。   When a light source having a short coherence distance is used as the light source 10, as the coherence distance becomes shorter, noise due to unnecessary stray light interference can be prevented, and highly accurate measurement can be performed. Therefore, it is desirable to use a light source having a short coherence distance as much as possible.

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。   Further, when a single mode laser is used as the light source 10, it is desirable to control the temperature of the light source 10 in order to stabilize the wavelength. In addition, high-frequency superimposition or the like may be added to the light of the single mode laser to reduce the coherence of the light. Further, even when a multi-mode laser is used, by controlling the temperature of the light source 10 with a Peltier element or the like, noise due to unnecessary interference of stray light can be prevented and more stable measurement can be performed.

この光源10から出射された測定光L0は、コリメートレンズ等からなるレンズ11を介して光束分割部12に入射されている。レンズ11は、光源10から出射された測定光L0を平行光にコリメートする。そのため、光束分割部12には、レンズ11により平行光にコリメートされた測定光L0が入射される。   The measurement light L0 emitted from the light source 10 is incident on the light beam splitting unit 12 via a lens 11 made of a collimator lens or the like. The lens 11 collimates the measurement light L0 emitted from the light source 10 into parallel light. Therefore, the measurement light L0 collimated into parallel light by the lens 11 is incident on the light beam splitting unit 12.

光束分割部12は、コリメートされた測定光L0を物体光である第1の光束L1と、参照光である第2の光束L2に分割する。第1の光束L1は、物体光として、第1の位相板13を介して被測定部材1に照射され、第2の光束L2は、参照光として、第2の位相板15と光路長調整プリズム17aを介して反射鏡18に照射される。また、光束分割部12は、例えば、光源10から入射される測定光L0のうち、s偏光を反射し、p偏光を透過する偏光ビームスプリッタからなる。   The beam splitting unit 12 splits the collimated measurement light L0 into a first light beam L1 that is object light and a second light beam L2 that is reference light. The first light beam L1 is irradiated as object light on the member 1 to be measured through the first phase plate 13, and the second light beam L2 is used as reference light as the second phase plate 15 and the optical path length adjusting prism. The reflection mirror 18 is irradiated through 17a. The light beam splitting unit 12 includes, for example, a polarization beam splitter that reflects s-polarized light and transmits p-polarized light in the measurement light L0 incident from the light source 10.

光束分割部12では、測定光L0が第1の光束L1と第2の光束L2に分割されるが、その光量比率は、相対位置検出部20の受光部20Aに入射する際に被測定部材1側と反射鏡18側でそれぞれが同じ光量になるような比率にすることが好ましい。   In the light beam splitting unit 12, the measurement light L0 is split into a first light beam L1 and a second light beam L2, and the ratio of the light amount is measured when the member 1 to be measured 1 enters the light receiving unit 20A of the relative position detection unit 20. It is preferable to set the ratio so that the same amount of light is obtained on each of the side and the reflector 18 side.

また、光源10と光束分割部12との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。   Further, a polarizing plate may be provided between the light source 10 and the light beam splitter 12. As a result, it is possible to remove leakage light and noise that are slightly present as polarization components orthogonal to each polarization.

また、第1の位相板13及び第2の位相板15は、それぞれ1/4波長板等から構成されている。   The first phase plate 13 and the second phase plate 15 are each composed of a quarter wavelength plate or the like.

ここで、光路長調整プリズム17aは、図2に示すように、参照光として入射される第2の光束L2の光軸と直交する方向に可動部17bにより移動されることにより、第2の光束L2の光路長を可変する光路長調整手段として機能する。上記可動部17bには、ステージやピエゾ素子が用いられる。   Here, as shown in FIG. 2, the optical path length adjusting prism 17a is moved by the movable portion 17b in a direction perpendicular to the optical axis of the second light beam L2 incident as the reference light, thereby causing the second light beam It functions as an optical path length adjusting means for changing the optical path length of L2. A stage or a piezo element is used for the movable part 17b.

光路長調整プリズム17aと可動部17bによる光路長調整手段17は、光束分割部12から回折格子14までの第2の光束L2の光路中に設けられることにより、第2の光束L2の光路長を任意に調整できる。   The optical path length adjusting means 17 including the optical path length adjusting prism 17a and the movable portion 17b is provided in the optical path of the second light beam L2 from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14, thereby reducing the optical path length of the second light beam L2. Can be adjusted arbitrarily.

これにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材1の被測定面1aや図3に示すように多層膜で形成された被測定部材1の各層の境界面1A,1B・・・1Nを被測定面1aとする場合にも、L2=L1の条件が成立する被測定面1aを検出することができる。さらに光源10の可干渉距離が短いので、L2=L1の条件が成立する層の境界面のみを被測定面1aとして選択して検出することができる。   Thereby, the measurement target surface 1a of the measurement target member 1 whose surface is covered with a protective film such as transparent glass, and the boundary surfaces 1A, 1B,... Of each layer of the measurement target member 1 formed of a multilayer film as shown in FIG. .. Even when 1N is the measured surface 1a, the measured surface 1a that satisfies the condition of L2 = L1 can be detected. Furthermore, since the coherence distance of the light source 10 is short, only the boundary surface of the layer that satisfies the condition of L2 = L1 can be selected and detected as the measured surface 1a.

ここで、一般に被測定部材1としては、ミラー等が用いられるが、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材1の被測定面1aや図3に示すように多層膜で形成された被測定部材1の各層の境界面1A,1B・・・1Nを被測定面1aとする場合には、保護膜のない被測定部材1の表面を被測定面1aとする場合と光路長が異なるため、可干渉距離が短い光源では、表面1sの反射光で干渉信号が得られても、媒体内の層の境界面1A,1B・・・1Nによる反射光との干渉信号は得られない。   Here, a mirror or the like is generally used as the member 1 to be measured, but the surface to be measured 1a of the member 1 to be measured whose surface is covered with a protective film such as transparent glass or a multilayer film as shown in FIG. When the boundary surfaces 1A, 1B,... 1N of the respective layers of the measured member 1 are the measured surface 1a, the surface of the measured member 1 without the protective film is the measured surface 1a and the optical path length Therefore, with a light source having a short coherence distance, even if an interference signal is obtained with the reflected light from the surface 1s, an interference signal with the reflected light from the boundary surfaces 1A, 1B,. Absent.

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。   Examples of the member to be measured 1 formed of a multilayer film having the measurement surfaces 1a as the boundary surfaces 1A, 1B,... 1N of the layers include a multilayer film and a semiconductor wafer.

表面反射の場合、被測定部材1の変動によって光路長A=A’,B=B’よりA+BとA’+B’が、常に等しいことため、一度第1の光束L1と第2の光束L2の長さを等しく調整してしまえば、第1の光束L1の光路内の媒体の屈折率が変化しない限り、安定して検出が可能になる。一方、表面反射と、積層した媒体内の屈折率nとする場合、A=A’であっても媒体内は、B<B’になるため、光路長に差が生じる。よって各層の面を検出するためには、図4の(A),(B)に示すように、それぞれの第1の光束L1の光路長に一致させるように第2の光束L2を調整する必要がある。   In the case of surface reflection, since the optical path lengths A = A ′ and B = B ′ are always equal to each other due to the variation of the member 1 to be measured, the first light flux L1 and the second light flux L2 once. If the lengths are adjusted equally, detection can be performed stably as long as the refractive index of the medium in the optical path of the first light beam L1 does not change. On the other hand, in the case of the surface reflection and the refractive index n in the stacked medium, even if A = A ′, the inside of the medium satisfies B <B ′, so that a difference occurs in the optical path length. Therefore, in order to detect the surface of each layer, as shown in FIGS. 4A and 4B, it is necessary to adjust the second light flux L2 so as to match the optical path length of each first light flux L1. There is.

光路長調整プリズム17aと可動部17bによる光路長調整手段17は、この光路長の差を解消し、各層の面を選択して検出する働きをする。   The optical path length adjusting means 17 by the optical path length adjusting prism 17a and the movable portion 17b serves to eliminate the difference in optical path length and select and detect the surface of each layer.

上記光路長調整手段17は、物体光である第1の光束L1における光束分割部12から回折格子14を介して上記光束結合部12に戻るまでの光路長と、参照光である第2の光束L2における光束分割部12から回折格子14を介して上記光束結合部12に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有している。   The optical path length adjusting unit 17 includes an optical path length from the light beam splitting unit 12 to the light beam coupling unit 12 via the diffraction grating 14 in the first light beam L1 that is object light, and a second light beam that is reference light. It has an optical path length adjustment range including a coincident point with the optical path length from the light beam splitting section 12 at L2 to the light beam coupling section 12 via the diffraction grating 14.

なお、この変位検出装置100では、上記光路長調整手段17により第2の光束L2を調整に連動して反射鏡18を回転させて、回折格子14への第2の光束L2の入射角が変化しないようにしている。   In this displacement detection device 100, the incident angle of the second light beam L2 on the diffraction grating 14 is changed by rotating the reflecting mirror 18 in conjunction with the adjustment of the second light beam L2 by the optical path length adjusting means 17. I try not to.

この変位検出装置100において、回折格子14は、入射した光を反射させ、かつ回折させる反射型の回折格子である。   In this displacement detection apparatus 100, the diffraction grating 14 is a reflective diffraction grating that reflects and diffracts incident light.

そして、被測定部材1は、回折格子14によって回折された第1の光束L1を反射して、再び光束分割部12へ戻す。回折格子14は、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角、すなわち回折格子14の回折面と被測定部材1の被測定面1aで形成される角度がほぼ90°となるように配置されている。   Then, the member to be measured 1 reflects the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 14 and returns it to the light beam splitting unit 12 again. The diffraction grating 14 is substantially perpendicular to the measured surface 1a of the member 1 to be measured, that is, the angle formed by the diffraction surface of the diffraction grating 14 and the measured surface 1a of the member 1 to be measured is approximately 90 °. Has been placed.

なお、回折格子14における被測定部材1に対する配置する精度は、変位検出装置100に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置100に高い精度を要求する場合、回折格子18を被測定部材1の被測定面1aに対して90°±0.5°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子14を被測定部材1の被測定面1aに対して90°から±2°の範囲で配置しても、変位検出装置100を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。   The accuracy with which the diffraction grating 14 is arranged with respect to the member 1 to be measured is variously set according to the measurement accuracy required for the displacement detection device 100. That is, when high accuracy is required for the displacement detection device 100, it is preferable to arrange the diffraction grating 18 in a range of 90 ° ± 0.5 ° with respect to the measured surface 1 a of the measured member 1. On the other hand, even when the diffraction grating 14 is arranged in the range of 90 ° to ± 2 ° with respect to the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, the displacement detection device 100 is used for low-precision measurement of a machine tool or the like Is enough.

また、回折格子14に入射した第1の光束L1は、回折格子14によって反射し、かつ回折される。この回折格子14の格子ピッチΛは、回折角が回折格子14への入射角とほぼ等しくなるように設定される。すなわち、回折格子14の格子ピッチΛは、被測定面1aへの入射角をθ、光の波長をλとすると、次の式1を満たす値に設定することが好ましい。なお、上述したように、回折格子14が被測定部材1の被測定面1aに対して直角に配置されているため、回折格子14への入射角は、π/2−θとなる。   Also, the first light beam L1 incident on the diffraction grating 14 is reflected and diffracted by the diffraction grating 14. The grating pitch Λ of the diffraction grating 14 is set so that the diffraction angle is substantially equal to the incident angle to the diffraction grating 14. That is, the grating pitch Λ of the diffraction grating 14 is preferably set to a value satisfying the following expression 1 where θ is the incident angle to the surface 1a to be measured and λ is the wavelength of light. As described above, since the diffraction grating 14 is disposed at a right angle to the measured surface 1a of the member 1 to be measured, the incident angle to the diffraction grating 14 is π / 2−θ.

Λ=λ/(2sin(π/2−θ)) ・・・式1   Λ = λ / (2sin (π / 2−θ)) Equation 1

そのため、回折格子14によって反射し、かつ回折されて再び被測定部材1の被測定面1aに入射するときの光路が、光束分割部12によって分割された第1の光束L1が被測定部材1の被測定面1aによって反射されて回折格子14に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子14よって回折された第1の光束L1は、光束分割部12から被測定部材1の被測定面1aに照射された照射スポットP1と同じ点に戻る。そして、第1の光束L1は、被測定部材1の被測定面1aで再び反射され、光束分割部12から照射されたときの光路と同じ光路を通って光束分割部12に戻る。   Therefore, the first light beam L1 divided by the light beam splitting unit 12 is reflected by the diffraction grating 14 and diffracted and incident again on the measured surface 1a of the measured member 1. It is reflected by the surface to be measured 1a and overlaps with the optical path when entering the diffraction grating. As a result, the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 14 returns to the same point as the irradiation spot P1 irradiated from the light beam splitting unit 12 to the measured surface 1a of the measured member 1. Then, the first light beam L1 is reflected again by the measured surface 1a of the member 1 to be measured, and returns to the light beam dividing unit 12 through the same optical path as the light beam irradiated from the light beam dividing unit 12.

なお、回折格子14としては、例えば図5の側面図に一例を示すような構造の回折格子が用いられる。   For example, a diffraction grating having a structure as shown in the side view of FIG. 5 is used as the diffraction grating 14.

この回折格子14は、溝の断面形状を鋸歯状に形成した、いわゆるブレーズド回折格子14A,14Bからなる。この回折格子14によれば、被測定部材1の被測定面1aで反射された物体光である第1の光束L1や、反射鏡18で反射された参照光である第2の光束L2の回折効率を高めることができ、信号のノイズを低下させることができる。   The diffraction grating 14 includes so-called blazed diffraction gratings 14A and 14B in which the cross-sectional shape of the groove is formed in a sawtooth shape. According to this diffraction grating 14, the diffraction of the first light beam L 1 that is object light reflected by the measurement surface 1 a of the member 1 to be measured and the second light beam L 2 that is reference light reflected by the reflecting mirror 18. Efficiency can be increased and signal noise can be reduced.

また、反射鏡18は、図1に示すように、光束分割部12によって分割された第2の光束L2を回折格子14に反射するものである。この反射鏡18は、回折格子14を間に挟んで被測定部材1と対向する位置に設けられている。そして、反射鏡18の反射面は、被測定部材1の被測定面1aと略平行に配置される。そのため、反射鏡18及び回折格子14は、反射鏡18の反射面と回折格子14の回折面で形成される角度がほぼ90°となるように配置される。   As shown in FIG. 1, the reflecting mirror 18 reflects the second light beam L <b> 2 split by the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14. The reflecting mirror 18 is provided at a position facing the member to be measured 1 with the diffraction grating 14 interposed therebetween. The reflecting surface of the reflecting mirror 18 is disposed substantially parallel to the measured surface 1 a of the measured member 1. Therefore, the reflecting mirror 18 and the diffraction grating 14 are arranged so that the angle formed by the reflecting surface of the reflecting mirror 18 and the diffraction surface of the diffraction grating 14 is approximately 90 °.

また、反射鏡18は、回折格子14によって回折された第2の光束L2を再び反射して光束分割部3に戻す。なお、反射鏡18によって反射され、かつ回折格子14によって回折された第2の光束L2も、第1の光束L1と同様に、光束分割部12から照射されたときの光路と同じ光路を通って光束分割部12に戻る。   Further, the reflecting mirror 18 reflects the second light beam L2 diffracted by the diffraction grating 14 again and returns it to the light beam splitting unit 3. Note that the second light beam L2 reflected by the reflecting mirror 18 and diffracted by the diffraction grating 14 also passes through the same optical path as the light beam when irradiated from the light beam splitting unit 12, similarly to the first light beam L1. Return to the beam splitting unit 12.

この反射鏡18は、第1の光束L1における光束分割部12から回折格子14までの光路長と、第2の光束L2における光束分割部12から回折格子14までの光路長が等しくなるように配置される。反射鏡18を設けたことで、この変位検出装置100を製造する際に、第1の光束L1の光路長と第2の光束L2の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧や湿度や温度の変化による光源10の波長変動の影響を受けにくくすることができる。   The reflecting mirror 18 is arranged so that the optical path length from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14 in the first light beam L1 is equal to the optical path length from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14 in the second light beam L2. Is done. By providing the reflecting mirror 18, it is possible to easily adjust the optical path length of the first light beam L1, the optical path length of the second light beam L2, and the angle of the optical axis when manufacturing the displacement detecting device 100. . As a result, the light source 10 can be made less susceptible to wavelength fluctuations due to changes in atmospheric pressure, humidity, and temperature.

上述したように、反射鏡18の反射面と回折格子14の回折面は、被測定部材1の被測定面1aと回折格子14の関係と同様に、略直角に配置することが好ましい。これにより、回折格子14によって回折されて再び反射鏡18の反射面に入射するときの光路が、反射鏡18によって反射されて回折格子14に入射するときの光路に重なり合う。   As described above, the reflecting surface of the reflecting mirror 18 and the diffractive surface of the diffraction grating 14 are preferably arranged at substantially right angles, similarly to the relationship between the measured surface 1a of the measured member 1 and the diffraction grating 14. As a result, the optical path when being diffracted by the diffraction grating 14 and entering the reflecting surface of the reflecting mirror 18 again overlaps the optical path when being reflected by the reflecting mirror 18 and entering the diffraction grating 14.

また、光束分割部12は、被測定部材1及び反射鏡18から反射されて戻ってきた第1の光束L1及び第2の光束L2を重ね合わせて、相対位置検出部20の受光部20Aに照射する。すなわち、この変位検出装置100における光束分割部12は、測定光L0を第1の光束L1と第2の光束L2に分割する光束分割部としての役割と、第1の光束L1と第2の光束L2を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。   Further, the light beam splitting unit 12 superimposes the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected and returned from the member to be measured 1 and the reflecting mirror 18, and irradiates the light receiving unit 20A of the relative position detecting unit 20 with each other. To do. That is, the light beam splitting unit 12 in the displacement detection device 100 serves as a light beam splitting unit that splits the measurement light L0 into the first light beam L1 and the second light beam L2, and the first light beam L1 and the second light beam. It has a role as a light beam coupling part for superimposing L2.

ここで、光束分割部12から被測定部材1及び回折格子14を介して光束分割部12に戻るまでの長さと、光束分割部12から反射鏡18及び回折格子14を介して光束分割部12に戻るまでの長さは、略等しく設定されている。すなわち、第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を等しく設定したため、気圧や湿度、温度の変化による光源10の波長変動があったとしても、第1の光束L1及び第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。   Here, the length from the beam splitting unit 12 to the beam splitting unit 12 via the member 1 to be measured and the diffraction grating 14 and the beam splitting unit 12 from the beam splitting unit 12 to the beam splitting unit 12 through the reflecting mirror 18 and the diffraction grating 14. The length until returning is set to be approximately equal. That is, since the optical path lengths of the first light beam L1 and the second light beam L2 are set equal, even if there is a wavelength variation of the light source 10 due to changes in atmospheric pressure, humidity, or temperature, the first light beam L1 and the second light beam The influence which L2 receives can be made equal. As a result, there is no need to perform atmospheric pressure correction, humidity correction, and temperature correction, and stable measurement can be performed regardless of the surrounding environment.

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。   The relative position detection unit 20 includes a light receiving unit 20A and a relative position information output unit 20B.

相対位置検出部20の受光部20Aは、光束分割部12により重ね合わされた第1の光束L1と第2の光束L2が入射される集光レンズ21と、この集光レンズ21により集光された第1の光束L1と第2の光束L2すなわち入射光を分割するハーフミラー22と、このハーフミラー22により分割された入射光が入射される第1の偏光ビームスプリッタ23と、上記ハーフミラー22により分割された入射光が例えば1/4波長板等からなる受光側位相板24を介して入射される第2の偏光ビームスプリッタ25を備える。   The light receiving unit 20A of the relative position detecting unit 20 is condensed by the condensing lens 21 on which the first light beam L1 and the second light beam L2 superimposed by the light beam dividing unit 12 are incident, and the light is collected by the condensing lens 21. A first mirror L1 and a second beam L2, that is, a half mirror 22 that splits incident light, a first polarization beam splitter 23 on which incident light split by the half mirror 22 is incident, and the half mirror 22 A second polarization beam splitter 25 is provided on which the divided incident light is incident via a light receiving side phase plate 24 made of, for example, a quarter wavelength plate.

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。   The first polarizing beam splitter 23 and the second polarizing beam splitter 25 reflect the interference light having the s-polarized component and transmit the interference light having the p-polarized component, so that the first light beam L1 and the second light beam L2 are transmitted. The interference light with the light beam L2 is split.

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。   The first polarizing beam splitter 23 is arranged so that the polarization direction of the incident light beam is inclined 45 degrees with respect to the incident surface. A first light receiving element 26 and a second light receiving element 27 are provided on the light exit side of the first polarizing beam splitter 23. A third light receiving element 28 and a fourth light receiving element 29 are provided on the light exit side of the second polarizing beam splitter 25.

また、相対位置検出部20の相対位置情報出力部20Bは、図6に示すように、第1の差動増幅器61aと、第2の差動増幅器61bと、第1のA/D変換器62aと、第2のA/D変換器62bと、波形補正処理部63と、インクリメンタル信号発生器64とを有している。   Further, as shown in FIG. 6, the relative position information output unit 20B of the relative position detection unit 20 includes a first differential amplifier 61a, a second differential amplifier 61b, and a first A / D converter 62a. A second A / D converter 62b, a waveform correction processing unit 63, and an incremental signal generator 64.

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。   In the first differential amplifier 61a, the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 of the light receiving unit 20A are connected to the input end, and the second A / D converter 62b is connected to the output end. . In the second differential amplifier 61b, the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 of the light receiving unit 20A are connected to the input end, and the second A / D converter 62b is connected to the output end. ing. The first A / D converter 62 a and the second A / D converter 62 b are connected to the waveform correction processing unit 63. The waveform correction processing unit 63 is connected to an incremental signal generator 64.

このような構成の変位検出装置100において、光束分割部12により重ね合わされて、相対位置検出部20の受光部20Aに入射される第1の光束L1と第2の光束L2は、第1の偏光ビームスプリッタ23に対してそれぞれp偏光成分とs偏光成分を有することになる。したがって、第1の偏光ビームスプリッタ23を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第1の光束L1と第2の光束L2を第1の偏光ビームスプリッタ23によって干渉させることができる。   In the displacement detection device 100 having such a configuration, the first light beam L1 and the second light beam L2 that are superimposed by the light beam splitting unit 12 and incident on the light receiving unit 20A of the relative position detection unit 20 are the first polarized light. Each of the beam splitters 23 has a p-polarized component and an s-polarized component. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 that have passed through the first polarizing beam splitter 23 interfere with each other in polarized light having the same polarization direction. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 can be caused to interfere with each other by the first polarization beam splitter 23.

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。   Similarly, in the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarization beam splitter 23, polarized light having the same polarization direction interferes with the first polarization beam splitter 23. For this reason, the first polarization beam splitter 23 can cause interference.

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。   The interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarization beam splitter 23 is received by the first light receiving element 26. Further, the interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 transmitted through the first polarization beam splitter 23 is received by the second light receiving element 27. Here, the signals photoelectrically converted by the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 are signals having a phase difference of 180 degrees.

したがって、第1の受光素子26と第2の受光素子27によって、Acos(Kz+δ)の干渉信号が得られる。Aは、干渉の振幅であり、Kは2π/Λで示される波数である。また、zは、回折格子14上における第1の光束L1の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子4における格子のピッチである。   Accordingly, an interference signal of Acos (Kz + δ) is obtained by the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27. A is the amplitude of interference, and K is the wave number represented by 2π / Λ. Z represents the amount of movement of the first light beam L1 on the diffraction grating 14, and δ represents the initial phase. Λ is the pitch of the grating in the diffraction grating 4.

ここで、図7に示すように、被測定部材1が高さ方向にz/2だけ移動すると、被測定部材1の被測定面1aに照射される第1の光束L1は、照射スポットP1から照射スポットP2に移動する。また、被測定部材1の被測定面1aで反射された第1の光束L1は、回折格子14の回折位置T1から回折位置T2に移動する。ここで、回折格子14は、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されているため、回折位置T1と回折位置T2の間隔は、照射スポットP1と照射スポットP2の間隔の2倍のzとなる。すなわち、回折格子14上を移動する第1の光束L1の移動量は、被測定部材1を移動した際の2倍のzとなる。   Here, as shown in FIG. 7, when the member 1 to be measured moves by z / 2 in the height direction, the first light beam L1 irradiated on the surface to be measured 1a of the member 1 to be measured is emitted from the irradiation spot P1. Move to the irradiation spot P2. Further, the first light beam L1 reflected by the measurement surface 1a of the measurement target member 1 moves from the diffraction position T1 of the diffraction grating 14 to the diffraction position T2. Here, since the diffraction grating 14 is disposed substantially perpendicular to the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, the distance between the diffraction position T1 and the diffraction position T2 is the distance between the irradiation spot P1 and the irradiation spot P2. Double z. That is, the amount of movement of the first light beam L1 that moves on the diffraction grating 14 is z that is twice that when the member 1 to be measured is moved.

また、回折格子14が被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されているため、被測定部材1が高さ方向に変位しても、P2−T2間の距離と、P2−P1−T1間の距離が一定であることから、第1の光束L1の光路長は常に一定となることが分かる。すなわち、第1の光束L1の波長は、変化しない。そして、被測定部材1が高さ方向に変位すると、回折格子14に入射する位置だけが変化する。   Further, since the diffraction grating 14 is disposed substantially perpendicular to the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, even if the member 1 to be measured is displaced in the height direction, the distance between P2 and T2 and P2 Since the distance between -P1 and T1 is constant, it can be seen that the optical path length of the first light beam L1 is always constant. That is, the wavelength of the first light beam L1 does not change. When the member 1 to be measured is displaced in the height direction, only the position incident on the diffraction grating 14 changes.

よって、回折された第1の光束L1には、Kzの位相が加わる。つまり、被測定部材1が高さ方向に対してz/2だけ移動すると、第1の光束L1は回折格子14上ではzだけ移動する。そのため、第1の光束L1には、Kzの位相が加わり、1周期の光の明暗が生じる干渉光が第1の受光素子26、第2の受光素子27によって受光される。   Therefore, the phase of Kz is added to the diffracted first light beam L1. That is, when the member 1 to be measured moves by z / 2 with respect to the height direction, the first light beam L1 moves by z on the diffraction grating. Therefore, the first light beam L1 is added with the phase of Kz, and the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 receive the interference light that causes the light of one period to be bright and dark.

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。   Here, the interference signal obtained by the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 does not include a component related to the wavelength of the light source 10. Therefore, even if the light source wavelength varies due to changes in atmospheric pressure, humidity, and temperature, the interference intensity is not affected.

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。   On the other hand, the light beam La transmitted through the half mirror 22 is incident on the second polarization beam splitter 25 via the light receiving side phase plate 24. The light beam La composed of the first light beam L1 and the second light beam L2, which are linearly polarized light whose polarization directions are different from each other by 90 degrees, is transmitted through the light receiving side phase plate 24 and becomes circularly polarized light in the opposite directions. Since the circularly polarized light in the opposite directions are on the same optical path, the circularly polarized light becomes linearly polarized light by being superimposed, and is incident on the second polarization beam splitter 25.

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。   The s-polarized component of this linearly polarized light is reflected by the second polarization beam splitter 25 and received by the third light receiving element 28. The p-polarized component passes through the second polarizing beam splitter 25 and is received by the fourth light receiving element 29.

上述したように、第2の偏光ビームスプリッタ25に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第2の偏光ビームスプリッタ25に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材1が高さ方向にΛ/2だけ移動すると1/2回転する。したがって、第3の受光素子28と第4の受光素子29でも同様に、Acos(Kz+δ’)の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。   As described above, the linearly polarized light incident on the second polarizing beam splitter 25 is generated by superimposing the circularly polarized light in the opposite directions. Then, the polarization direction of the linearly polarized light incident on the second polarization beam splitter 25 is rotated by 1/2 when the member 1 to be measured moves by Λ / 2 in the height direction. Accordingly, the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 can similarly obtain an interference signal of Acos (Kz + δ ′). δ 'is an initial phase.

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。   Further, the signals photoelectrically converted by the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 have a phase difference of 180 degrees.

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。   In this displacement detection apparatus 100, the second polarization beam splitter 26 that divides the light beam received by the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 with respect to the first polarizing beam splitter 23 is 45. It is tilted. For this reason, the signals obtained in the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 are 90 degrees out of phase with the signals obtained in the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27.

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。   Therefore, for example, a signal obtained by the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 is used as a sin signal, and a signal obtained by the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 is used as a cosine signal. Can be obtained.

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。   Signals obtained by these light receiving elements 26 to 29 are calculated by the relative position information output unit 20B, and the displacement amount of the measured surface 1a is counted.

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。   In the relative position information output unit 20B, first, the first differential amplifier 61a differentially amplifies signals obtained by the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 of the light receiving unit 20A with phases different from each other by 180 degrees. The DC component of the interference signal is canceled.

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。   This signal is A / D converted by the first A / D converter 62a, and the signal amplitude, offset, and phase are corrected by the waveform correction processing unit 63. This signal is output from the incremental signal generator 64 as an A-phase incremental signal, for example.

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。   Similarly, the signals obtained by the third light receiving element 35 and the fourth light receiving element 36 are differentially amplified by the second differential amplifier 61b and A / D by the second A / D converter 62b. Converted. Then, the signal amplitude, offset, and phase are corrected by the waveform correction processing unit 63 and output from the incremental signal generator 64 as a B phase incremental signal that is 90 degrees different from the A phase.

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。   The two-phase incremental signal obtained in this way is discriminated forward / reversely by a pulse discriminating circuit (not shown) or the like, whereby the amount of displacement in the height direction of the measured surface 1a of the member 1 to be measured becomes positive in the positive direction. Whether it is negative or negative can be detected.

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。   Further, by counting the number of pulses of the incremental signal with a counter (not shown), it is possible to measure how many periods of the interference light intensity of the first light beam L1 and the second light beam L2 have changed. Thereby, the amount of displacement of the measured surface 1a of the measured member 1 is detected.

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。   Note that the relative position information output from the relative position information output unit 20B in the displacement detection apparatus 100 may be the above-described two-phase incremental signal, or a signal including the displacement amount and the displacement direction calculated therefrom. May be.

ここで、上記変位検出装置100では、光束分割部12から回折格子14までの第2の光束L2の光路中に光路長調整プリズム17aと可動部17bによる光路長調整手段17を設けることにより、第2の光束L2の光路長を任意に調整できるようにしたが、光束分割部12から回折格子14までの第1の光束L1の光路中に光路長調整プリズム17aと可動部17bによる光路長調整手段17を設けることにより、第1の光束L1の光路長を調整するようにしてもよい。   Here, in the displacement detection device 100, the optical path length adjusting means 17 by the optical path length adjusting prism 17a and the movable portion 17b is provided in the optical path of the second light beam L2 from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14, thereby providing the first. Although the optical path length of the second light beam L2 can be arbitrarily adjusted, the optical path length adjusting means by the optical path length adjusting prism 17a and the movable portion 17b in the optical path of the first light beam L1 from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 14. By providing 17, the optical path length of the first light beam L1 may be adjusted.

また、図8に示す変位検出装置100Aのように、参照光である第2の光束L2を反射する反射鏡18を第2の光束L2の光軸と直交する配置して、可動部17Aにより上記反射鏡18を第2の光束L2の光軸方向に移動させて第2の光束L2の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この場合、光路長調整手段は、物体光である第1の光束L1における光束分割部12から回折格子14を介して上記光束結合部12に戻るまでの光路長と、参照光である第2の光束L2における光束分割部12から反射鏡18を介して上記光束結合部12に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有するものとされる。上記可動部17Aには、ステージやピエゾ素子が用いられる。   Further, as in the displacement detection device 100A shown in FIG. 8, the reflecting mirror 18 that reflects the second light beam L2 that is the reference light is disposed perpendicular to the optical axis of the second light beam L2, and the movable unit 17A performs the above operation. An optical path length adjusting means for adjusting the optical path length of the second light beam L2 by moving the reflecting mirror 18 in the optical axis direction of the second light beam L2 may be provided. In this case, the optical path length adjusting means includes the optical path length from the light beam splitting unit 12 to the light beam coupling unit 12 through the diffraction grating 14 in the first light beam L1 that is the object light, and the second light beam that is the reference light. The optical path length adjustment range including the coincidence point with the optical path length from the light beam splitting section 12 to the light beam coupling section 12 through the reflecting mirror 18 in the light beam L2 is assumed. A stage or a piezo element is used for the movable portion 17A.

さらに、図9に示す変位検出装置100Bのように、物体光である第1の光束L1を回折させる反射型の回折格子14Aと参照光である第2の光束L2を回折させる反射型の回折格子14Bを分離して配し、上記回折格子14Aと回折格子14Bの一方又は両方を可動部17A,17Bにより被測定面1aの測定方向Zと直交する方向Xに移動させて第1の光束L1と第2の光束L2の一方又は両方の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この変位検出装置100Bにおいて、上記回折格子14Aと回折格子14Bは、光路長調整手段による調整範囲で第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を一致させることができるように予め測定方向Zと直交する方向Xにずらして配置される。   Further, like the displacement detection device 100B shown in FIG. 9, the reflective diffraction grating 14A that diffracts the first light beam L1 that is object light and the reflective diffraction grating that diffracts the second light beam L2 that is reference light. 14B is arranged separately, and one or both of the diffraction grating 14A and the diffraction grating 14B are moved by the movable portions 17A and 17B in the direction X perpendicular to the measurement direction Z of the surface to be measured 1a. An optical path length adjusting unit that adjusts the optical path length of one or both of the second light beams L2 may be provided. In the displacement detection device 100B, the diffraction grating 14A and the diffraction grating 14B are previously measured in the measurement direction so that the optical path lengths of the first light beam L1 and the second light beam L2 can be matched within the adjustment range by the optical path length adjusting means. They are shifted in the direction X perpendicular to Z.

上記可動部17A,17Bには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部17A,17Bを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。   A stage, a leaf spring, and a piezo element are used for the movable parts 17A and 17B. The movable parts 17A and 17B may be moved by adjusting the temperature and utilizing the temperature expansion of the object.

なお、上記変位検出装置100A,100Bにおいて、上記変位検出装置100と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。   In the displacement detection devices 100A and 100B, components common to the displacement detection device 100 are denoted by the same reference numerals in the drawing, and redundant description is omitted.

また、上記変位検出装置100において、相対位置情報検出部20は、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射される測定光L1を反射型回折格子14を介して受光する受光部20Aを備え、上記受光部20Aにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面1aの上記測定方向Zの相対位置情報を相対位置情報出力部20Bから出力するものとしたが、本発明は、例えば図10に示すように、被測定部材1の被測定面1aにより反射される測定光L1を透過型回折格子14Cを介して受光する受光部20Aを備え、上記受光部20Aにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面1aの上記測定方向Zの相対位置情報を相対位置情報出力部20Bから出力する変位検出装置100Cに適用することもできる。   Further, in the displacement detection apparatus 100, the relative position information detection unit 20 includes a light receiving unit 20A that receives the measurement light L1 reflected by the measurement surface 1a of the measurement target member 1 through the reflective diffraction grating 14. The relative position information in the measurement direction Z of the measured surface 1a is output from the relative position information output unit 20B based on the light detection output obtained by the light receiving unit 20A. As shown in FIG. 5, the light receiving unit 20A that receives the measurement light L1 reflected by the measurement surface 1a of the member 1 to be measured via the transmission diffraction grating 14C is provided, and is based on the light detection output obtained by the light reception unit 20A. The relative position information of the measurement surface 1a in the measurement direction Z can also be applied to a displacement detection device 100C that outputs the relative position information output unit 20B.

すなわち、図10に示す変位検出装置100Cは、上記変位検出装置100と同様に、測定方向Zとは垂直な方向Xに相対移動可能な被測定部材1の被測定面1aの変位を該被測定面1aにより反射される測定光L1に基づいて検出するものであって、光源10と、この光源10から出射される測定光L0を2つの光束L1,L2に分割する光束分割部12と、透過型の回折格子14C、反射鏡18と、戻り用反射鏡ブロック19と、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射される測定光L1に基づいて、上記測定方向Zの相対位置と絶対位置を光学的に検出する相対位置検出部20と絶対位置検出部30を備える。   That is, similarly to the displacement detection device 100, the displacement detection device 100C shown in FIG. 10 detects the displacement of the measurement surface 1a of the measurement target member 1 that can move relative to the direction X perpendicular to the measurement direction Z. Detecting based on the measurement light L1 reflected by the surface 1a, the light source 10, the light beam splitting unit 12 for dividing the measurement light L0 emitted from the light source 10 into two light beams L1 and L2, and transmission The relative position and the absolute position in the measurement direction Z based on the measurement light L1 reflected by the measurement target surface 1a of the member to be measured 1 and the diffraction grating 14C of the mold, the reflection mirror 18, the return reflection mirror block 19 The relative position detector 20 and the absolute position detector 30 are optically detected.

なお、この変位検出装置100Cにおいて、上記変位検出装置100と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。   In addition, in this displacement detection apparatus 100C, about the component which is common in the said displacement detection apparatus 100, the same code | symbol is attached | subjected in a figure and the overlapping description is abbreviate | omitted.

この変位検出装置100Cでは、光源10から出射された測定光L0がレンズ11Aによりコリメートされ平行光として光束分割部12に入射され、光束分割部12により物体光である第1の光束L1と、参照光である第2の光束L2に分割される。   In this displacement detection apparatus 100C, the measurement light L0 emitted from the light source 10 is collimated by the lens 11A and is incident on the light beam splitting unit 12 as parallel light. The first light beam L1 that is object light by the light beam splitting unit 12 and the reference The light is divided into a second light beam L2 that is light.

光束分割部12で分割された第1の光束L1は、第1の位相板13を介して被測定部材1の被測定面1aにおける第1の照射スポットPc1に入射され、この被測定面1aで反射されて透過型の回折格子14Cに入射される。   The first light beam L1 divided by the light beam splitting unit 12 is incident on the first irradiation spot Pc1 on the measured surface 1a of the member 1 to be measured via the first phase plate 13, and the measured surface 1a. The light is reflected and enters the transmissive diffraction grating 14C.

回折格子14Cは、入射された光を透過させ、かつ回折する透過型の回折格子である。   The diffraction grating 14C is a transmission type diffraction grating that transmits and diffracts incident light.

すなわち、この変位検出装置100Cでは、上記変位検出装置100における反射型の回折格子18に替えて上記透過型の回折格子14Cが設けられている。   That is, in the displacement detection device 100C, the transmission type diffraction grating 14C is provided instead of the reflection type diffraction grating 18 in the displacement detection device 100.

そして、この透過型の回折格子14Cに入射された第1の光束L1は、当該透過型の回折格子14Cを透過し、かつ1回回折されて、被測定部材1の被測定面1aにおける上記第1の照射スポットPc1と異なる第2の照射スポットPd1に入射され、この被測定面1aで反射されて戻り用反射鏡ブロック19の第1の反射面19Aに入射される。   The first light beam L1 incident on the transmission type diffraction grating 14C is transmitted through the transmission type diffraction grating 14C and diffracted once, and the first light beam L1 on the measurement surface 1a of the member 1 to be measured is The incident light enters a second irradiation spot Pd1 different from the first irradiation spot Pc1, is reflected by the surface to be measured 1a, and is incident on the first reflecting surface 19A of the return reflector block 19.

また、上記透過型の回折格子14Cに入射された第1の光束L1は、当該透過型の回折格子14Cを透過し、絶対位置検出部30の受光部31に入射される。   Further, the first light beam L1 incident on the transmission type diffraction grating 14C passes through the transmission type diffraction grating 14C and enters the light receiving unit 31 of the absolute position detection unit 30.

また、光束分割部12で分割された第2の光束L2は、第2の位相板15と光路長調整プリズム17aを介して反射鏡18に入射され、この反射鏡18を介して被測定部材1の被測定面1aにおける第1の照射スポットSc1に入射され、この被測定面1aで反射されて透過型の回折格子14Cに入射される。   The second light beam L2 split by the light beam splitting unit 12 is incident on the reflecting mirror 18 via the second phase plate 15 and the optical path length adjusting prism 17a, and the member 1 to be measured 1 passes through the reflecting mirror 18. Is incident on the first irradiation spot Sc1 on the measured surface 1a, reflected by the measured surface 1a, and incident on the transmissive diffraction grating 14C.

そして、この透過型の回折格子14Cに入射された第2の光束L2は、当該透過型の回折格子14Cを透過し、かつ1回回折されて、反射鏡18の反射面における上記第1の照射スポットSc1と異なる第2の照射スポットSd1に入射され、この反射面で反射されて戻り用反射鏡ブロック19の第2の反射面19Bに入射される。   Then, the second light beam L2 incident on the transmission type diffraction grating 14C passes through the transmission type diffraction grating 14C and is diffracted once, so that the first irradiation on the reflection surface of the reflection mirror 18 is performed. The incident light enters a second irradiation spot Sd1 different from the spot Sc1, is reflected by the reflecting surface, and is incident on the second reflecting surface 19B of the return reflector block 19.

戻り用反射鏡ブロック19は、第1の反射面19Aと第2の反射面19Bとを有する略三角形状のミラーである。第1の反射面19Aは、被測定部材1の被測定面1aで反射されて入射された第1の光束L1を反射して入射したときと同じ光路で被測定部材1の被測定面1aと透過型の回折格子14Cを介して光束分割部12に戻す。また、第2の反射面19Bは、反射鏡18の反射面で反射されて入射された第2の光束L2を反射して入射したときと同じ光路で反射鏡18の反射面と透過型の回折格子14Cを介して光束分割部12に戻す。   The return reflecting mirror block 19 is a substantially triangular mirror having a first reflecting surface 19A and a second reflecting surface 19B. The first reflecting surface 19A is connected to the surface to be measured 1a of the member to be measured 1 along the same optical path as when the first light beam L1 reflected and incident on the surface to be measured 1a of the member to be measured 1 is reflected. The light is returned to the light beam splitter 12 through the transmission type diffraction grating 14C. Further, the second reflecting surface 19B reflects the reflecting surface of the reflecting mirror 18 and the transmission type diffraction in the same optical path as when the second light beam L2 reflected and incident on the reflecting surface of the reflecting mirror 18 is reflected. It returns to the light beam splitting unit 12 via the grating 14C.

この変位検出装置100Cにおいて、戻り用反射鏡ブロック19は、第1の光束L1の光路長と、第2の光束L2の光路長が等しくなるように配置される。また、この戻り用反射鏡ブロック19は、被測定部材1の被測定面1aの測定方向Zに可動部17Cにより移動させることができるようになっている。上記可動部17Cには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部17Cを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。   In this displacement detection device 100C, the return reflector block 19 is arranged so that the optical path length of the first light beam L1 is equal to the optical path length of the second light beam L2. Further, the return reflector block 19 can be moved by the movable portion 17C in the measurement direction Z of the measurement target surface 1a of the measurement target member 1. A stage, a leaf spring, and a piezo element are used for the movable portion 17C. Further, the temperature of the movable portion 17C may be adjusted and moved using the temperature expansion of the object.

すなわち、この変位検出装置100Cは、上記可動部17Cにより戻り用反射鏡ブロック19を被測定部材1の被測定面1aの測定方向Zに移動させることによって、第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を調整する光路長調整手段を備えている。この変位検出装置100Cでは、上記光路長調整手段によって、第1の光束L1の光路長と第2の光束L2の光路長を調整することで、被測定部材1が積層された反射面であっても、各層の境界面からの第1の光束L1に光路長を調整して、測定対象の境界面を選択して検出することができる。   In other words, the displacement detecting device 100C moves the return reflector block 19 in the measurement direction Z of the measurement target surface 1a of the member 1 to be measured by the movable portion 17C, so that the first light flux L1 and the second light flux. Optical path length adjusting means for adjusting the optical path length of L2 is provided. In this displacement detection device 100C, the optical path length adjusting means adjusts the optical path length of the first light beam L1 and the optical path length of the second light beam L2, thereby providing a reflection surface on which the member 1 to be measured is laminated. In addition, the optical path length is adjusted to the first light beam L1 from the boundary surface of each layer, and the boundary surface to be measured can be selected and detected.

そして、この変位検出装置100Cでは、被測定部材1及び反射鏡18から反射されて光束分割部3に戻ってきた重ね合わせされた第1の光束L1及び第2の光束L2を相対位置検出部20の受光部20Aで受光することにより、上記変位検出装置100と同様に、上記受光部20Aにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面1aの上記測定方向Zの相対位置情報を相対位置情報出力部20Bから出力する。   In the displacement detection device 100C, the relative position detection unit 20 uses the superimposed first light beam L1 and second light beam L2 reflected from the member 1 to be measured and the reflecting mirror 18 and returned to the light beam splitting unit 3. The light receiving unit 20A receives the relative position information in the measurement direction Z of the surface to be measured 1a based on the light detection output obtained by the light receiving unit 20A in the same manner as the displacement detection device 100. Output from the output unit 20B.

ここで、この変位検出装置100Cにおいて、透過型の回折格子14Cは、被測定部材1の被測定面1aに対して略垂直に配置されており、図11に示すように、被測定面1aにおける第1の照射スポットPc1に入射角θ1で入射した第1の光束L1が入射角π/2−θ1で入射される。さらに、第1の光束L1は、被測定部材1の被測定面1aにおける第2の照射スポットPd1に入射角θ2で入射される。   Here, in this displacement detection apparatus 100C, the transmissive diffraction grating 14C is disposed substantially perpendicular to the measured surface 1a of the member 1 to be measured, and as shown in FIG. The first light beam L1 incident on the first irradiation spot Pc1 at the incident angle θ1 is incident at the incident angle π / 2−θ1. Furthermore, the first light beam L1 is incident on the second irradiation spot Pd1 on the measured surface 1a of the measured member 1 at an incident angle θ2.

また、回折格子14Cの格子ピッチΛは、回折角が回折格子14Cへの入射角とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。すなわち、回折格子14Cの格子ピッチΛは、上述したように被測定部材1の被測定面1aの一回目の入射角をθ1、二回目の入射角をθ2、波長λとすると、次の式2を満たす。   The grating pitch Λ of the diffraction grating 14C is preferably set so that the diffraction angle is substantially equal to the incident angle to the diffraction grating 14C. That is, as described above, the grating pitch Λ of the diffraction grating 14C is expressed by the following equation 2 when the first incident angle 1a of the measured surface 1a of the member 1 to be measured is θ1, the second incident angle θ2 and the wavelength λ: Meet.

Λ=nλ/(sin(π/2−θ1)+sin(π/2−θ2)) ・・・式2   Λ = nλ / (sin (π / 2−θ1) + sin (π / 2−θ2)) Equation 2

なお、nは、正の次数である。   Note that n is a positive order.

回折格子14Cへの入射角と回折角が等しくなる場合、第1の照射スポットPc1と第2の照射スポットPd1は、回折格子14Cに対して対称に構成することができる。そして、式2は、次の式3にて示すことができる。
2Λsinθ=nλ ・・・式3
When the incident angle to the diffraction grating 14C is equal to the diffraction angle, the first irradiation spot Pc1 and the second irradiation spot Pd1 can be configured symmetrically with respect to the diffraction grating 14C. Equation 2 can be expressed by the following Equation 3.
2Λsin θ = nλ Equation 3

なお、θは、回折格子14Cの入射角及び回折角である。   Is the incident angle and diffraction angle of the diffraction grating 14C.

すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子14Cによって回折される回折光を強めることが可能となる。   That is, the Bragg condition can be satisfied, and the diffracted light diffracted by the diffraction grating 14C can be strengthened.

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。   Further, the first light beam L1 incident on the measured surface 1a of the measured member 1 at an angle θ2 is reflected by the measured surface 1a of the measured member 1, and the first reflecting surface 19A of the return reflector block 19 is reflected. , Is reflected by the first reflecting surface 19A, follows the same optical path as the going, and again enters the second irradiation spot Pd1 of the measured surface 1a of the measured member 1 at an incident angle θ2.

さらに、被測定部材1の被測定面1aによって反射した第1の光束L1は、回折格子14Cに角度π/2−θ2で再び入射される。なお、第1の光束L1における2回目の回折は、式1の条件により回折角π/2−θ1で回折される。そして、回折格子14Cによって回折された第1の光束L1は、再び被測定部材1の被測定面1aの第1の照射スポットPc1に入射角θ1で入射される。そのため、被測定部材1の被測定面1aによって反射された戻りの第1の光束L1の光路が、光束分割部12によって分割された行きの第1の光束L1の光路と重なり合う。   Further, the first light beam L1 reflected by the measured surface 1a of the measured member 1 is incident again on the diffraction grating 14C at an angle π / 2−θ2. The second diffraction in the first light beam L1 is diffracted at the diffraction angle π / 2−θ1 under the condition of Equation 1. Then, the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 14C is incident again on the first irradiation spot Pc1 on the measurement target surface 1a of the measurement target member 1 at an incident angle θ1. Therefore, the optical path of the returned first light beam L1 reflected by the measured surface 1a of the member 1 to be measured overlaps the optical path of the first light beam L1 that is split by the light beam splitting unit 12.

また、被測定部材1の被測定面1aが高さ方向にz/2だけ移動すると、被測定部材1の被測定面1aに照射される第1の光束L1は、第1の照射スポットPc1から第1の照射スポットPc2に移動する。また、被測定部材1の被測定面1aにおける第1の照射スポットPc1,Pc2で反射された第1の光束L1は、回折格子14Cの回折位置T1から回折位置T2に移動する。さらに、回折格子14Cによって1回目の回折が行われた第1の光束L1は、被測定部材1の被測定面1aにおける第2の照射スポットPd1から第2の照射スポットPd2に移動する。   When the measured surface 1a of the measured member 1 moves by z / 2 in the height direction, the first light beam L1 irradiated on the measured surface 1a of the measured member 1 is emitted from the first irradiated spot Pc1. Move to the first irradiation spot Pc2. Further, the first light beam L1 reflected by the first irradiation spots Pc1 and Pc2 on the measured surface 1a of the measured member 1 moves from the diffraction position T1 of the diffraction grating 14C to the diffraction position T2. Further, the first light beam L1 diffracted for the first time by the diffraction grating 14C moves from the second irradiation spot Pd1 on the measurement target surface 1a of the member 1 to be measured to the second irradiation spot Pd2.

ここで、回折格子14Cは、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されており、回折位置T1と回折位置T2の間隔は、第1の照射スポットPc1と第1の照射スポットPc2の間隔の2倍のzとなる。すなわち、回折格子14C上を移動する第1の光束L1の移動量は、被測定部材1を移動した際の2倍のzとなる。   Here, the diffraction grating 14C is disposed substantially perpendicular to the surface 1a to be measured of the member 1 to be measured, and the distance between the diffraction position T1 and the diffraction position T2 is the first irradiation spot Pc1 and the first irradiation. Z is twice the interval between the spots Pc2. That is, the amount of movement of the first light beam L1 moving on the diffraction grating 14C is z that is twice that when the member 1 to be measured is moved.

また、回折格子14Cが被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されており、第1の光束L1の光路長は、被測定部材1が高さ方向に変位しても、常に一定となる。すなわち、第1の光束L1の波長は、変化しない。そして、被測定部材1が高さ方向に変位すると、回折格子14Cに入射する位置だけが変化する。   Further, the diffraction grating 14C is disposed substantially at right angles to the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, and the optical path length of the first light beam L1 is the same even if the member 1 to be measured is displaced in the height direction. Always constant. That is, the wavelength of the first light beam L1 does not change. When the member 1 to be measured is displaced in the height direction, only the position incident on the diffraction grating 14C changes.

なお、反射鏡18に照射された第2の光束L2においても、第1の光束L1と同様であるため、その説明は省略する。   Note that the second light beam L2 applied to the reflecting mirror 18 is the same as the first light beam L1, and thus the description thereof is omitted.

この変位検出装置100Cでは、第1の光束L1を2回回折している。そのため、2回回折された第1の光束L1には、2Kzの位相が加わる。Kは、2π/Λで示される波数である。また、zは、回折格子14C上における第1の光束L1の移動量を示している。つまり、被測定部材1が高さ方向に対してz/2だけ移動すると、第1の光束L1は回折格子14C上では2倍のzだけ移動する。さらに、2回回折することで、第1の光束L1には、2Kzの位相が加わり、2周期分の光の明暗が生じる干渉光が相対位置検出部20の受光部20Aによって受光される。   In the displacement detection device 100C, the first light beam L1 is diffracted twice. Therefore, a phase of 2 Kz is added to the first light beam L1 diffracted twice. K is a wave number represented by 2π / Λ. Z represents the amount of movement of the first light beam L1 on the diffraction grating 14C. That is, when the member 1 to be measured moves by z / 2 with respect to the height direction, the first light beam L1 moves by twice z on the diffraction grating 14C. Further, by diffracting twice, a phase of 2 Kz is added to the first light beam L1, and interference light that causes light and darkness of light for two periods is received by the light receiving unit 20A of the relative position detection unit 20.

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。   That is, the first light receiving element 26 and the second light receiving element 27 of the light receiving unit 20A can obtain an interference signal of Acos (2 Kz + δ). Further, the third light receiving element 28 and the fourth light receiving element 29 can obtain an interference signal of Acos (2 Kz + δ ′).

よって、この変位検出装置100Cでは、回折格子14Cの格子ピッチと上述の変位検出装置100における回折格子14の格子ピッチが同じ場合、上記変位検出装置100よりも2倍の分解能とすることができる。   Therefore, in this displacement detection apparatus 100C, when the grating pitch of the diffraction grating 14C and the grating pitch of the diffraction grating 14 in the displacement detection apparatus 100 are the same, the resolution can be doubled compared to the displacement detection apparatus 100.

例えば、回折格子14Cの格子ピッチΛを0.5515μm、波長λを780nm、回折格子14Cの入射角及び回折角を45°に設定したとき、被測定部材1の被測定面1aを高さ方向に0.5515μmだけ移動した場合、第1の光束L1は、回折格子14C上を0.5515μmの2倍、すなわち2ピッチ分移動する。さらに、第1の光束L1は、2回回折されるため、4回の光の明暗を相対位置検出部20の受光部20Aによって得ることができる。すなわち、得られる信号の1周期は、0.5515μm/4=0.1379μmとなる。   For example, when the grating pitch Λ of the diffraction grating 14C is set to 0.5515 μm, the wavelength λ is set to 780 nm, and the incident angle and the diffraction angle of the diffraction grating 14C are set to 45 °, the measured surface 1a of the measured member 1 is in the height direction. When moved by 0.5515 μm, the first light beam L1 moves on the diffraction grating 14C twice as much as 0.5515 μm, that is, by two pitches. Further, since the first light beam L1 is diffracted twice, the light intensity of four times can be obtained by the light receiving unit 20A of the relative position detecting unit 20. That is, one period of the obtained signal is 0.5515 μm / 4 = 0.1379 μm.

また、この変位検出装置100Cでは、一台の光学系で第1の光束L1を被測定部材1の被測定面1aにおける第1の照射スポットPc1と第2の照射スポットPd1の2箇所に照射しているので、1台の光学系で、測定ポイントをキャンセルすることができる。   Further, in this displacement detection apparatus 100C, the first light beam L1 is irradiated to two places of the first irradiation spot Pc1 and the second irradiation spot Pd1 on the measured surface 1a of the measured member 1 with one optical system. Therefore, the measurement point can be canceled with a single optical system.

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。   Further, with the configuration as described above, even if the measurement surface 1a of the member 1 to be measured is tilted, it is tilted depending on when the first irradiation spot Pc1 is irradiated and when the second irradiation spot Pd1 is irradiated. Can be countered. Therefore, it is difficult for the optical path length of the first light beam L1 to change, and the difference between the optical path length of the first light beam L1 and the optical path length of the second light beam L2 can be reduced.

1,1A,1B,1C,1D,1E 被測定部材、1a 被測定面、2 基板、3 反射膜、10 光源、11 レンズ、12 光束分割部、13,16 位相板、14,14A,14B,14C 回折格子、17 光路長調整手段、17a 光路長調整プリズム、17b,17A、17B,17C 可動部、18 反射鏡、19 戻り用反射鏡ブロック、19A,19B 反射面、20 相対位置検出部、20A 受光部、20B 相対位置情報出力部、21 集光レンズ、22 ハーフミラー、23,25 偏光ビームスプリッタ、24、223 位相板、26〜29 受光素子、61a,61b 差動増幅器、62a,62b 第1のA/D変換器、63 波形補正処理部、64 インクリメンタル信号発生器、100,100A,100B,100C 変位検出装置   1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E member to be measured, 1a surface to be measured, 2 substrate, 3 reflective film, 10 light source, 11 lens, 12 beam splitting part, 13, 16 phase plate, 14, 14A, 14B, 14C diffraction grating, 17 optical path length adjusting means, 17a optical path length adjusting prism, 17b, 17A, 17B, 17C movable part, 18 reflecting mirror, 19 return reflecting mirror block, 19A, 19B reflecting surface, 20 relative position detecting part, 20A Light receiving unit, 20B relative position information output unit, 21 condenser lens, 22 half mirror, 23, 25 polarizing beam splitter, 24, 223 phase plate, 26-29 light receiving element, 61a, 61b differential amplifier, 62a, 62b first A / D converter, 63 waveform correction processing unit, 64 incremental signal generator, 100, 100A, 100B, 100C Position detecting device

Claims (5)

測定光を出射する光源と、
前記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第1の光束を回折し、回折した前記第1の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、
前記光束分割部によって分割された前記第2の光束を反射する反射部と、
前記光束分割部によって分割された第1の光束と第2の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、
前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定面によって再び反射された前記第1の光束と、前記反射部によって反射された前記第2の光束を重ね合わせる光束結合部と、 前記光束結合部により重ね合わされた前記第1の光束及び前記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、
前記受光部により受光した干渉光強度に基づいて前記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段と、
備え、
前記回折格子の格子ベクトルは、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置され、前記被測定部材が高さ方向に変位しても、前記第1の光束の光路長が常に一定の距離に保たれることを特徴とする変位検出装置。
A light source that emits measurement light;
A light beam splitting unit that splits the measurement light emitted from the light source into a first light beam that becomes object light that enters the member to be measured, and a second light beam that becomes reference light;
The first light beam divided by the light beam splitting unit and reflected by the surface to be measured of the member to be measured is diffracted, and the diffracted first light beam is incident again on the surface to be measured of the member to be measured. A diffraction grating,
A reflecting portion that reflects the second light flux divided by the light flux splitting portion;
An optical path length adjusting means for adjusting an optical path length of at least one of the first light beam and the second light beam divided by the light beam dividing unit;
A first light beam diffracted by the diffraction grating and reflected again by the surface to be measured; a light beam coupling unit that superimposes the second light beam reflected by the reflection unit; A light receiving portion for receiving interference light of the first light flux and the second light flux,
Relative position information output means for outputting displacement information in the height direction of the surface to be measured based on the interference light intensity received by the light receiving unit;
Equipped with a,
The grating vector of the diffraction grating is arranged substantially perpendicular to the surface to be measured of the member to be measured, and the optical path length of the first light beam is always constant even when the member to be measured is displaced in the height direction. A displacement detection device characterized by being maintained at a distance of .
前記光路長調整手段は、前記第1の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長と、前記第2の光束における前記光束分割部から前記反射部を介して前記光束結合部に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有する請求項1に記載の変位検出装置。   The optical path length adjusting means includes an optical path length from the light beam splitting unit in the first light beam to the light beam coupling unit through the diffraction grating, and a light beam splitting unit to the reflection unit in the second light beam. The displacement detection device according to claim 1, further comprising: an optical path length adjustment range including a coincidence point with an optical path length until the light beam coupling unit returns to the light beam coupling unit. 前記光路長調整手段は、光学プリズムを移動させることで、当該光学プリズムを通過する光束の光路長を調整する請求項1の変位検出装置。   The displacement detection device according to claim 1, wherein the optical path length adjusting unit adjusts an optical path length of a light beam passing through the optical prism by moving the optical prism. 前記回折格子は反射型回折格子であり、
前記光路長調整手段は、前記回折格子を入射される光束の光軸方向に移動させることで光路長を調整する請求項1の変位検出装置。
The diffraction grating is a reflective diffraction grating;
The displacement detection device according to claim 1, wherein the optical path length adjusting unit adjusts the optical path length by moving the diffraction grating in an optical axis direction of an incident light beam.
前記光路長調整手段は、第1の光束もしくは第2の光束もしくはその両方を反射する反射鏡を移動させることで、光路長を調整する請求項1の変位検出装置。   The displacement detection device according to claim 1, wherein the optical path length adjusting unit adjusts the optical path length by moving a reflecting mirror that reflects the first light beam, the second light beam, or both.
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