JP5969274B2 - 位置検出装置 - Google Patents

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、変位検出装置であって、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の任意の入射位置に入射され、上記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の任意の入射位置とは別の入射位置に入射させる反射型の回折格子と、上記被測定部材の被測定面の上記別の入射位置におい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の上記別の位置に戻す第１の反射部と、 上記光束分割部によって分割され、上記反射型の回折格子により回折された上記第２の光束を反射して、上記反射型の回折格子に戻す第２の反射部と、上記第１の反射部により反射され、上記反射型の回折格子により再び回折され、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第１の光束と、上記第２の反射部により反射され、上記回折格子によって再び回折されて戻される上記第２の光束と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ることを特徴とする。

本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記光束分割部によって分割された上記第２の光束が第３の反射部の第１の入射位置に入射され、入射された上記第２の光束を上記第３の反射部によって反射して上記反射型の回折格子に入射させ、上記反射型の回折格子により回折された上記第２の光束が上記第３の反射部の第１の入射位置とは別の第２の入射位置に入射され、さらに、上記第３の反射部によって反射された後、上記第２の反射部により反射され、その後、上記反射型の回折格子を介して戻されるよう構成されており、上記光束結合部は、上記第１の光束と、戻された上記第２の光束とを重ね合わ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は、例えば、上記第１の反射部と上記被測定面の間に光束を集光するレンズを配置した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は、例えば、上記反射型の回折格子に入射する入射角と回折角が異な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、上記レンズの焦点距離は、例えば、上記レンズと上記反射型の回折格子までの距離と略等しいものとすることができる。さらに、上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記第１の反射部までの距離と略等しいものとすることができる。

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の光束と参照光となる第２の光束を反射型の回折格子により回折させ、回折された第１の光束と第２の光束を第１の反射部と第２の反射部により反射させて再び反射型の回折格子により回折させて光束結合部において重ね合わせることにより、干渉光強度に基づいて被測定面の高さ方向の変位情報を出力するので、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ができる。

本発明を適用した変位検出装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 上記変位検出装置における光路の説明に供する図である。 上記変位検出装置における光源から回折格子までと上記回折格子から受光部までの光路を模式的に示す図である。 上記変位検出装置における上記回折格子から第１の反射部及び第１の反射部までの光路を模式的に示す図である。 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。 上記変位検出装置において上記第１の反射部と上記被測定面の間に第１の光束を集光するレンズを配置した光路を模式的に示す図である。 上記変位検出装置において、被測定面をチルトさせた場合の干渉信号出力の変化を示す図である。 上記変位検出装置において上記第２の反射部と反射部の間に第２の光束を集光するレンズを配置した光路を模式的に示す図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を模式的に示す側面図である。 本発明に係る変位検出装置を２台使用してＸ軸方向の制御をしながら、Ｙ軸のチルト量を計測するようにした構成例を模式的に示す斜視図である。

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の模式的な斜視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、反射型の回折格子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を上記被測定部材１に入射させる物体光となる第１の光束Ｌ１と、参照光となる第２の光束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回折格子１４と、上記回折格子１４により反射回折され、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射された上記第２の第１の光束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。

この変位検出装置１００では、上記被測定部材１は、その被測定面１ａがＸＹ平面とほぼ平行するよう配置され、上記反射型の回折格子１４は、上記ＸＹ平面に対して垂直なＹＺ平面とほぼ平行に配置されている。そして、上記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は、上記測定方向Ｚに対して傾いた方向から上記被測定部材１の被測定面１ａの任意の入射位置Ｐａに入射され、上記被測定面１ａの上記入射位置Ｐａにおいて反射されて上記反射型の回折格子１４に入射され、上記反射型の回折格子１４により回折されて上記被測定部材１の被測定面１ａの任意の入射位置Ｐａとは別の入射位置Ｐｂに入射される。

また、この変位検出装置１００は、上記反射型の回折格子１４によりを反射回折された上記第１の光束Ｌ１が上記被測定面１ａによって反射されて入射される第１の反射鏡１５を備える。

この第１の反射鏡１５は、上記被測定部材１の被測定面１ａの上記別の入射位置Ｐｂにおい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１ａの被測定面の上記別の位置Ｐｂに戻すように設置されている。

また、この変位検出装置１００は、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割され、上記反射型の回折格子１４により反射回折された上記第２の光束Ｌ２が入射される第２の反射鏡１８を備える。

この変位検出装置１００では、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割された上記第２の光束Ｌ２が第１の入射位置Ｐ１に入射され、入射された上記第２の光束Ｌ２を反射して上記反射型の回折格子１４に入射させる反射鏡１７を備える。この反射鏡１７は、上記反射型の回折格子１４によりを反射回折された上記第２の光束Ｌ２が上記第１の入射位置Ｐ１とは別の第２の入射位置Ｐ２に入射され、入射された上記第２の光束Ｌ２を再び反射する。上記第２の反射鏡１８は、上記反射鏡１７の上記第２の入射位置Ｐ２において反射された上記第１の光束Ｌ２を反射して上記反射鏡１７の上記第２の入射位置Ｐ２に戻すように設置されている。

さらに、この変位検出装置１００における相対位置検出部２０は、光束結合部により重ね合わされた上記第１の光束Ｌ１及び上記第２の光束Ｌ２の干渉光Ｌａを受光する受光部２０Ａと、上記受光部２０Ａにより受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面１ａの高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力部２０Ｂからなる。

ここで、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。

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。

この変位検出装置１００において、回折格子１４は、上記被測定部材１の被測定面１ａ上の上記入射位置Ｐａにおいて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上の入射位置Ｐｂに戻す反射型の回折格子からなる。

そして、この回折格子１４は、図２に示すように、当該回折格子１４に対して垂直方向であるＸ方向よりθＲＺ１だけＺ軸を回転させており、回折した第１の光束Ｌ１をＸ方向よりθＲＺ２だけＺ軸を回転させた方向に向けている。このため、１回目の被測定面１ａに入射した位置Ｐａと、２回目の被測定面１ａに入射した位置Ｐｂは、異なる。

ここで、上記変位検出装置１００において、光源１０から出射されて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と第２の光束Ｌ２が通過する光源１０から反射型の回折格子１４までと上記反射型の回折格子１４から受光部２０Ａまでの光路を図３に示すとともに、上記反射型の回折格子１４から第１の反射部１５及び第２の反射部１８までの光路を図４に示す。

この変位検出装置１００では、上記反射型の回折格子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。すなわち、上述の如く、上記反射型の回折格子１４は、上記被測定部材１の被測定面１ａとほぼ平行なＸＹ平面に対して垂直なＹＺ平面とほぼ平行に配置されている。

なお、上記反射型の回折格子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１４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。

また、上記反射型の回折格子１４に入射した第１の光束Ｌ１は、当該回折格子１４によって反射され、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するのがＸ方向のサイズをコンパクトにする上で理想であるが、異なっても良い。回折角が回折格子１４への入射角が異なる場合は、後述する図１１に示す変位検出装置１００Ａように、光学系をＸＺ平面に配置することができ、Ｙ方向の薄型化が可能になる。

回折格子１４の格子ピッチΛは、被測定面１ａへの入射角をθ１、光の波長をλとすると、次の式１を満たす値に設定できる。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−θ１となり、回折角は、π／２−θ２となる。

Λ＝λ／（ｓｉｎ（π／２−θ１）＋ｓｉｎ（π／２−θ２）） ・・・式１

なお、被測定物１が、半導体ウエハーのように、積層された透明の材料である場合、表面以外の反射光の影響を受けることから、θ１ができるだけ大きい方が望ましく、θ１＞５０°以上で設計し、表面の反射光量をできるだけ大きくする。

例えば、θ１＝θ２に設定した場合は、θＲＺ１＝θＲＺ２となる。

回折した光束Ｌ１は、Ｘ方向よりθＲＺ２だけＺ軸を回転させた軸上の被測定面１ａに入射位置Ｐｂに入射され、反射した後、第１の反射鏡１５によって反射されて戻される。

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、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、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に入射された照射スポットＰ１と同じ入射位置Ｐａ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。

この回折格子１４は、ホログラフィー回折格子や描画装置で作製された回折格子が用いられるが、 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を用いても良い。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、第２の反射鏡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。

また、この変位検出装置１００において、反射鏡１７は、図１及び図３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１４に反射するものである。この反射鏡１７は、上記反射型の回折格子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、反射鏡１７及び回折格子１４は、反射鏡１７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ている。

この反射鏡１７は、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割された上記第２の光束Ｌ２が第１の入射位置Ｐ１に入射され、入射された上記第２の光束Ｌ２を反射して上記反射型の回折格子１４に入射させ、上記反射型の回折格子１４によりを反射回折された上記第２の光束Ｌ２が上記第１の入射位置Ｐ１とは別の第２の入射位置Ｐ２に入射され、入射された上記第２の光束Ｌ２を再び反射して第２の反射鏡１８に入射させる。

そして、第２の反射鏡１８は、回折格子１４によって回折された第２の光束Ｌ２を再び反射して回折格子１４に戻す。そして、この第２の反射鏡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、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１８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１４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１４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。

上述したように、第２の反射鏡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第２の反射鏡１８の反射面に入射するときの光路が、第２の反射鏡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。

すなわち、この変位検出装置１００では、光束分割部として機能する偏光ビームスプリッタ１２により、光源１０から出射された測定光Ｌ０を第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割して、上記第１の光束Ｌ１を物体光として上記被測定部材１の被測定面１ａ上の任意の入射位置Ｐａに入射し、上記入射位置Ｐａにおいて反射された上記第１の光束Ｌ１を反射型の回折格子１４に入射して反射回折させ、回折された上記第１の光束Ｌ１を再び上記被測定部材１の被測定面１ａ上の上記入射位置Ｐａとは別の入射位置Ｐｂに入射させている。さらに、上記入射位置Ｐｂにおいて反射された上記第１の光束Ｌ１を第１の反射部として機能する第１の反射鏡１５により反射して上記反射型の回折格子１４に戻して再度反射回折させ、上記反射型の回折格子１４により２回反射回折された上記第１の光束Ｌ１を上記被測定部材１の被測定面１ａ上の上記入射位置Ｐａにおいて反射させることにより上記偏光ビームスプリッタ１２に戻している。

また、上記第２の光束Ｌ２を参照光として上記反射鏡１７上の入射位置Ｐ１に入射し、上記入射位置Ｐ１において反射された上記第２の光束Ｌ２を上記反射型の回折格子１４に入射して反射回折させ、回折された上記第２の光束Ｌ１を再び上記被測定部材１の被測定面１ａ上の上記入射位置Ｐ１とは別の入射位置Ｐ２に入射させている。さらに、上記入射位置Ｐ２において反射された上記第２の光束Ｌ２を第２の反射部として機能する第２の反射鏡１８により反射して上記反射型の回折格子１４に戻して再度反射回折させ、上記反射型の回折格子１４により２回反射回折された上記第２の光束Ｌ２を上記反射鏡１７上の上記入射位置Ｐ１において反射させることにより上記偏光ビームスプリッタ１２に戻している。

そして、上記偏光ビームスプリッタ１２は、上記第１の反射鏡１５により反射され、上記反射型の回折格子１４により再び回折され、上記被測定面１ａの上記入射位置Ｐａにおいて反射されて戻される上記第１の光束Ｌ１と、上記第２の反射鏡１８により反射され、上記回折格子１４によって再び回折されて戻される上記第２の光束Ｌ２とを重ね合わせる光束結合部として機能する。

ここで、偏光ビームスプリッタ１２から被測定部材１と回折格子１４と第１の反射鏡１５を介して偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの第１の光束Ｌ１の光路長と、偏光ビームスプリッタ１２から反射鏡１７と回折格子１４と第２の反射鏡１８を介して偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの第２の光束Ｌ２の光路長は、略等しく設定されている。このように、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を等しく設定することにより、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。

また、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。

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。

この変位検出装置１００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１４上における第１の光束Ｌ１の移動量を示している。

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、照射スポットが入射位置Ｐａから入射位置Ｐａ’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。つまり、被測定物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受光部２０Ａによって受光される。

すなわち、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４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３５と第４の受光素子３６では、Ａｃｏｓ（２Ｋｚ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。

例えば、回折格子の格子ピッチΛを０．５５１５μｍ、波長λを７８０ｎｍ、回折格子１４の入射角及び回折角を４５°に設定したとき、被測定部材１が高さ方向に０．５５１５μｍ移動する例について説明する。

被測定部材１が高さ方向に０．５５１５μｍ移動すると、第１の光束Ｌ１は、回折格子１４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回の光の明暗が受光部２０Ａによって検出される。すなわち、得られる信号の１周期は、０．５５１５μｍ／４＝０．１３７９μｍとなる。

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、上記反射型の回折格子１４により２回反射回されて戻ってくる物体光すなわち上記第１の光束Ｌ１と参照光すなわち上記第１の光束Ｌ１を偏光ビームスプリッタ１２により重ね合わせることにより得られる干渉光Ｌａを受光部２０Ａにより受光し、相対位置情報出力部２０Ｂにより干渉光Ｌａの干渉光強度に基づいて上記被測定面１ａの高さ方向の変位情報を得るので、被測定部材１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。

また、この変位検出装置１００では、上記反射型の回折格子１４によりを反射回折された物体光すなわち第１の光束Ｌ１が被測定部材１の被測定面１ａ上の入射位置Ｐａとは別の入射位置Ｐｂにおいて反射されて入射される第１の反射鏡１５を備え、上記被測定部材１の被測定面１ａの上記入射位置Ｐｂにおいて反射された上記第１の光束Ｌ１を第１の反射鏡１５により反射して上記被測定部材１の被測定面１ａの上記別の位置Ｐｂに戻すようにしたので、例えば図８に示すように、上記第１の反射鏡１５と上記被測定部材１の被測定面１ａとの間に第１の光束Ｌ１を集光するレンズ１９を配置することができる。

上記レンズ１９は、上記レンズ１９から上記被測定部材１の被測定面１ａまでの距離をａとし、上記反射型の回折格子まで上記反射型の回折格子１４の回折面の距離ｂとして、その焦点距離ｆを上記レンズ１９から上記反射型の回折格子１４までの距離（ａ＋ｂ）に近づけて、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射されて上記反射型の回折格子１４に入射される第１の光束Ｌ１を上記反射型の回折格子１４の回折面上に集光するようにことで、上記被測定部材１の被測定面１ａのチルトに対する干渉信号の低下を抑制する効果がある。

そこで、上記レンズ１９の焦点距離ｆは、当該レンズ１９から上記反射型の回折格子１４の回折面までの距離（ａ＋ｂ）と略等しいものとされる。

さらに、上記レンズの１９焦点距離ｆは、当該レンズ１９から上記第１の反射鏡１５の反射面までの距離ｃと略等しいものし、ｆ＝ａ＋ｂ＝ｃとすることで、上記チルトに対する干渉信号の低下を抑制する効果をさらに高めることができる。

上記被測定部材１の被測定面１ａのチルトに対する許容を広げることは、被測定面１ａが、球面であるような、例えばレンズの形状測定なども可能になり、使い勝手がさらに向上する変位計測装置となる。

ここで、上記レンズ１９を焦点距離ｆ＝ａ＋ｂ＝ｃを満たす条件で配置した場合と、上記レンズ１９を配置しない場合で、被測定面１ａをＸ軸方向にチルトさせた場合の干渉信号の出力結果を図９に示す。

レンズ１９の焦点距離ｆ＝１３．５ｍｍ、ａ＝約５．７ｍｍ、ｂ＝約７．８ｍｍ、ｃ＝約１３．５ｍｍとした。

上記レンズ１９を配置した場合は、無い場合と比較して、大幅に角度特性が改善されることが確認された。

さらに、 上記変位検出装置１００では、図１０に示すように、上記第１の反射鏡１５と上記被測定部材１の被測定面１ａとの間に第１の光束Ｌ１を集光するレンズ１９Ａを配置するとともに、上記第２の反射部１８と上記反射部１７の間に第２の光束Ｌ２を集光するレンズ１９Ｂを配置するようにしてもよい。

このように第２の光束Ｌ２すなわち参照光側にもレンズ１９Ｂを入れることにより、組み立て時の反射部１７のミラー調整が簡単になる。

また、上記変位検出装置１００では、上記反射型の回折格子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したが、図１１に示す変位検出装置１００Ａように、反射型の回折格子１４Ａに入射する入射角と回折角を異なるようにして、光学系をＸＺ平面に配置するようにしてもよい。

なお、この変位検出装置１００Ａにおいて、上記変位検出装置１００と同一の構成要素については、同一符号を図１１中に付して、その詳細な説明を省略する。

この変位検出装置１００Ａは、上記変位検出装置１００における上記第１の反射部１５に対応する第１の反射面５９Ａと上記第２の反射部１９に対応する第２の反射面５９Ｂを有する反射ブロック５９を備え、光源１０から出射された測定光Ｌ０が偏光ビームスプリッタ１２により物体光となる第１の光束Ｌ１と参照光となる第２の光束Ｌ２に分割されて、上記第１の光束Ｌ１が第１の反射面５９Ａで反射され、上記第２の光束Ｌ１が第２の反射面５９Ｂにより反射されて、上記偏光ビームスプリッタ１２に戻され干渉光Ｌａとして相対位置検出部２０の受光部２０Ａに入射されるまでの光学系をＸＺ平面に配置してある。

このように光学系をＸＺ平面に配置することにより、この変位検出装置１００ＡのＹ方向の薄型化が可能になる。

ここで、チルトに対する許容が改善されると、ステージのチルト計測にも使用することができる。図１２は、Ｘ軸方向の制御可能なステージ２１０及びＸ軸用リニアエンコーダ２２０に、２台の本発明に係る変位検出装置２００Ａ，２００Ｂを使用してリニアエンコーダスケール２３０の反射面を検出することで、Ｘ軸方向の制御をしながら、Ｙ軸のチルト量を計測する構成例である。この構成例では、ステージ２１０の両側にリニアエンコーダを配置しなくても、ステージ２１０のＹ軸のチルト量の補正が可能になり、さらにシンプルなステージ制御が実現できる。

１ 被測定部材、１ａ 被測定面、１０ 光源、１１ レンズ、１２ 偏光ビームスプリッタ、１３ 第１の位相板、１４，１４Ａ 反射型の回折格子、１５ 第１の反射鏡、１６ 第２の位相板、１７ 反射鏡、１８ 第２の反射鏡、１９，１９Ａ，１９Ｂ レンズ、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 第１の偏光ビームスプリッタ、２４ 受光側位相板、２５ 第２の偏光ビームスプリッタ、２６ 第１の受光素子、２７ 第２の受光素子、２８ 第３の受光素子、２９ 第４の受光素子、５９Ａ 第１の反射面５９Ａ、５９Ｂ 第２の反射面５９Ａ、６１ａ 第１の差動増幅器、６１ｂ 第２の差動増幅器、６２ａ 第１のＡ／Ｄ変換器、６２ｂ 第２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，２００Ａ，２００Ｂ 変位検出装置、２１０ ステージ、２２０ リニアエンコーダ、２３０ リニアエンコーダスケール

Claims (6)

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の任意の入射位置に入射され、上記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の任意の入射位置とは別の入射位置に入射させる反射型の回折格子と、
   上記被測定部材の被測定面の上記別の入射位置におい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の上記別の位置に戻す第１の反射部と、
   上記光束分割部によって分割され、上記反射型の回折格子により回折された上記第２の光束を反射して、上記反射型の回折格子に戻す第２の反射部と、
   上記第１の反射部により反射され、上記反射型の回折格子により再び回折され、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第１の光束と、上記第２の反射部により反射され、上記回折格子によって再び回折されて戻される上記第２の光束と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
   を備えた変位検出装置。
2. 上記光束分割部によって分割された上記第２の光束が第３の反射部の第１の入射位置に入射され、入射された上記第２の光束を上記第３の反射部によって反射して上記反射型の回折格子に入射させ、上記反射型の回折格子により回折された上記第２の光束が上記第３の反射部の第１の入射位置とは別の第２の入射位置に入射され、さらに、上記第３の反射部によって反射された後、上記第２の反射部により反射され、その後、上記反射型の回折格子を介して戻されるよう構成されており、
   上記光束結合部は、上記第１の光束と、戻された上記第２の光束とを重ね合わせることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
3. 上記反射型の回折格子に入射する入射角と回折角が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変位検出装置。
4. 上記第１の反射部と上記被測定面の間に光束を集光するレンズを配置した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。
5. 上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記反射型の回折格子までの距離と略等しいことを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
6. 上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記第１の反射部までの距離と略等しい請求項５の変位検出装置。