JP2013186114A - Position detection device - Google Patents
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Abstract
【課題】インクリメンタル型の変位検出装置において、測定方向と垂直方向に相対移動可能な被測定部材の被測定面の変位を該被測定面により反射される測定光に基づいて検出する際に、高さ方向の移動動作を行わず、絶対位置を高速で検出し原点復帰させることができるようにする。
【解決手段】測定方向Zとは垂直な方向Xに移動可能な被測定部材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と備え、上記被測定部材1の移動方向Xの端部に上記測定光L1の光軸を移動させる絶対位置検出領域4を有し、上記絶対位置検出部30は、上記絶対位置検出領域4において上記測定光L1の光軸を移動させることにより絶対位置検出を行い、上記相対位置検出部30により得られる位置情報の復帰を行う。
【選択図】 図1In an incremental displacement detection device, when detecting a displacement of a surface to be measured of a member to be measured that is relatively movable in a direction perpendicular to a measurement direction, based on measurement light reflected by the surface to be measured, Without moving in the vertical direction, the absolute position can be detected at high speed and the origin can be returned.
A relative position and an absolute position in the measurement direction Z are optically determined based on measurement light L1 reflected by a measurement surface 1a of a measurement target 1 movable in a direction X perpendicular to the measurement direction Z. And an absolute position detection region 4 for moving the optical axis of the measurement light L1 at the end in the movement direction X of the member 1 to be measured. The absolute position detection unit 30 performs absolute position detection by moving the optical axis of the measurement light L1 in the absolute position detection region 4 and returns position information obtained by the relative position detection unit 30.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、測定方向とは垂直な方向に相対移動可能な被測定部材の被測定面の変位を該被測定面により反射される測定光に基づいて検出する変位検出装置に関する。 The present invention relates to a displacement detection device that detects a displacement of a surface to be measured of a member to be measured that is relatively movable in a direction perpendicular to a measurement direction based on measurement light reflected by 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.
また、変位検出方法には、上記特許文献1に開示された変位検出装置のように、メインスケールに単一周期の格子パターンと原点パターンとを設け、原点を基準として検出位置を単一スケールの格子間の相互作用によって形成される周期的な信号の繰り返しの数から変位量を検出するインクリメンタル型と、特許文献2に開示された変位検出装置のように、複数のトラックに2進コードパターンを設けたメインスケールのコードを読み取ることで位置検出を行うアブソリュート型がある。 In addition, in the displacement detection method, as in the displacement detection device disclosed in Patent Document 1, a single-scale lattice pattern and an origin pattern are provided on the main scale, and the detection position is set to a single scale with reference to the origin. As shown in the incremental type that detects the amount of displacement from the number of repetitions of the periodic signal formed by the interaction between the lattices and the displacement detection device disclosed in Patent Document 2, binary code patterns are provided on a plurality of tracks. There is an absolute type that detects the position by reading the code of the provided main scale.
インクリメンタル型では、再起動の際に原点パターンを検出するためメインスケールを最大1往復させて原点復帰動作を行う必要がある。これに対し、アブソリュート型では再起動の際にはメインスケールを動かさずに絶対位置を示すコードを読み取ることができるので原点復帰動作を必要としない。 In the incremental type, in order to detect the origin pattern at the time of restart, it is necessary to perform the origin return operation by reciprocating the main scale once at most. On the other hand, in the absolute type, since the code indicating the absolute position can be read without moving the main scale at the time of restarting, no home return operation is required.
上述の如く、再起動の際に原点パターンを検出するためメインスケールを最大1往復させて原点復帰動作を行う必要があるインクリメンタル型の変位検出装置では、被測定部材の被測定面の変位や形状を測定する場合に、被測定部材が検出範囲から外れてしまうと、相対位置検出部により絶対位置を再現できなくなってしまうので、絶対位置検出部を用いて絶対位置を求める原点復帰処理を行わなければならない。そのために、被測定物を上下方向に一度動かし、絶対位置を取得すると言う動作が、余計に必要となり、無駄な計測時間を発生させていた。 As described above, in the incremental type displacement detection device that needs to perform the origin return operation by reciprocating the main scale at most once in order to detect the origin pattern at the time of restart, the displacement and shape of the measurement surface of the member to be measured When the measured member is out of the detection range, the absolute position cannot be reproduced by the relative position detection unit.Therefore, the origin return process for obtaining the absolute position must be performed using the absolute position detection unit. I must. For this reason, the operation of moving the object to be measured once in the vertical direction and acquiring the absolute position becomes unnecessary, and wasteful measurement time is generated.
そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、インクリメンタル型の変位検出装置において、測定方向とは垂直な方向に相対移動可能な被測定部材の被測定面の変位を該被測定面により反射される測定光に基づいて検出する際に、高さ方向の移動動作を行わず、絶対位置を高速で検出し原点復帰させることができるようにすることを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an incremental displacement detection device that detects the displacement of a surface to be measured of a member to be measured that is relatively movable in a direction perpendicular to the measurement direction. An object of the present invention is to detect the absolute position at a high speed and return to the origin without performing a moving operation in the height direction when detecting based on the measurement light reflected by the measurement surface.
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、測定方向とは垂直な方向に移動可能な被測定部材の被測定面の変位を該被測定面により反射される測定光に基づいて検出する変位検出装置であって、上記被測定部材の被測定面により反射される測定光に基づいて、上記測定方向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と絶対位置検出部と備え、上記被測定部材の移動方向の端部に上記測定光の光軸を移動させる絶対位置検出領域を有し、上記絶対位置検出部は、上記絶対位置検出領域において上記測定光の光軸を移動させることにより絶対位置検出を行い、上記相対位置検出部により得られる位置情報の復帰を行うことを特徴とする。 That is, the present invention is a displacement detection device that detects a displacement of a measurement target surface of a measurement target member movable in a direction perpendicular to a measurement direction based on measurement light reflected by the measurement target surface. A relative position detector and an absolute position detector for optically detecting the relative position and the absolute position in the measurement direction based on the measurement light reflected by the measurement surface of the member to be measured, and the movement of the member to be measured An absolute position detection region for moving the optical axis of the measurement light at the end of the direction, and the absolute position detection unit detects the absolute position by moving the optical axis of the measurement light in the absolute position detection region. And the position information obtained by the relative position detector is restored.
本発明に係る変位検出装置では、上記絶対位置検出領域において、例えば、傾斜した反射面により上記測定光の光軸を移動させるものとすることができる。 In the displacement detection device according to the present invention, the optical axis of the measurement light may be moved in the absolute position detection region by, for example, an inclined reflecting surface.
また、本発明に係る変位検出装置は、上記絶対位置検出領域において、例えば、屈折率の変化により上記測定光の光軸を移動させるものとすることができる。 Moreover, the displacement detection apparatus according to the present invention can move the optical axis of the measurement light in the absolute position detection region by changing the refractive index, for example.
また、本発明に係る変位検出装置では、上記絶対位置検出領域において、例えば、回折格子により上記測定光の光軸を移動させるものとすることができる。 In the displacement detection device according to the present invention, the optical axis of the measurement light can be moved by, for example, a diffraction grating in the absolute position detection region.
また、本発明に係る変位検出装置において、上記相対位置検出部は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射される測定光を反射型回折格子を介して受光する受光部を備え、上記受光部により得られる光検出出力に基づいて上記被測定面の上記測定方向の相対位置情報を出力するものとすることができる。 Further, in the displacement detection device according to the present invention, the relative position detection unit includes, for example, a light receiving unit that receives measurement light reflected by a measurement surface of the measurement target member via a reflective diffraction grating, The relative position information of the measurement surface in the measurement direction can be output based on the light detection output obtained by the light receiving unit.
また、本発明に係る変位検出装置において、上記相対位置検出部は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射される測定光を透過型回折格子を介して受光する受光部を備え、上記受光部により得られる光検出出力に基づいて上記被測定面の上記測定方向の相対位置情報を出力するものとすることができる。 Further, in the displacement detection device according to the present invention, the relative position detection unit includes, for example, a light receiving unit that receives measurement light reflected by a measurement surface of the measurement target member via a transmission diffraction grating, The relative position information of the measurement surface in the measurement direction can be output based on the light detection output obtained by the light receiving unit.
また、本発明に係る変位検出装置において、上記絶対位置検出部は、例えば、上記絶対位置検出領域において反射される測定光を受光する2分割受光部を備え、上記2分割受光部により得られる光検出出力に基づいて上記被測定面の上記測定方向の絶対位置情報を出力するものとすることができる。 In the displacement detection apparatus according to the present invention, the absolute position detection unit includes, for example, a two-divided light receiving unit that receives measurement light reflected in the absolute position detection region, and the light obtained by the two-divided light receiving unit. Based on the detection output, absolute position information of the measurement surface in the measurement direction can be output.
さらに、本発明に係る変位検出装置において、上記絶対位置検出部は、例えば、上記絶対位置検出領域において反射される測定光を非点収差発生部を介して受光する4分割受光部を備え、上記4分割受光部により得られる光検出出力に基づいて上記被測定面の上記測定方向の絶対位置情報を出力するものとすることができる。 Further, in the displacement detection device according to the present invention, the absolute position detection unit includes, for example, a four-divided light reception unit that receives measurement light reflected in the absolute position detection region via an astigmatism generation unit, Based on the light detection output obtained by the four-divided light receiving unit, the absolute position information of the measurement surface in the measurement direction can be output.
本発明によれば、被測定部材の移動方向の端部に測定光の光軸を移動させる絶対位置検出領域を有することにより、絶対位置検出部は、上記絶対位置検出領域において上記測定光の光軸を移動させることにより絶対位置検出を行い、相対位置検出部により得られる位置情報の復帰を行うことができ、測定方向とは垂直な方向に移動可能な被測定部材の被測定面の変位を該被測定面により反射される測定光に基づいて検出する変位検出装置において、被測定部材が検出範囲から外れてしまった際に、被測定部材を検出範囲に戻すだけで、絶対位置を高速で検出し原点復帰させることができる。 According to the present invention, by having the absolute position detection region that moves the optical axis of the measurement light at the end in the moving direction of the member to be measured, the absolute position detection unit allows the light of the measurement light in the absolute position detection region. The absolute position can be detected by moving the shaft, and the position information obtained by the relative position detector can be restored, and the displacement of the measured surface of the measured member movable in the direction perpendicular to the measuring direction In the displacement detection device that detects based on the measurement light reflected by the surface to be measured, when the member to be measured is out of the detection range, the absolute position can be set at a high speed only by returning the member to be measured to the detection range. Detect and return to origin.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、例えば図1のブロック図に示すような構成の変位検出装置100に適用される。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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、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、回折格子15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。 The displacement detection device 100 detects the displacement of the measurement target surface 1a of the measurement target member 1 that can move relative to the direction X perpendicular to the measurement direction Z 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 L 0 emitted from the light source 10 into two light beams L 1 and L 2, a diffraction grating 15, a reflecting mirror 18, and the member to be measured 1. A relative position detector 20 and an absolute position detector 30 for optically detecting the relative position and the absolute position in the measurement direction Z based on the measurement light L1 reflected by the surface to be measured 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, and a light emitting diode.
光源10として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材1の被測定面1aのチルト等による物体光と参照光の光路長差の影響を受けにくくチルト許容範囲が広くなる。また、光源10の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。 When a light source having a long coherence distance is used as the light source 10, the tilt tolerance is widened because the light source 10 is not easily affected by the difference in the optical path length between the object light and the reference light due to the tilt of the measured surface 1a of the member 1 to be measured. Further, as the coherence distance of the light source 10 becomes shorter, noise due to unnecessary interference of stray light can be prevented, and highly accurate measurement can be performed.
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と対物レンズ14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16と集光レンズ17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 to be measured 1 via the first phase plate 13 and the objective lens 14, and the second light beam L2 is used as the reference light with the second phase plate 16 and The light is applied to the reflecting mirror 18 through the condenser lens 17. 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16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 16 are each composed of a quarter wavelength plate or the like.
さらに、対物レンズ14及び集光レンズ17は、第1の光束L1及び第2の光束L2を集光させて、回折格子15に収束する収束光とする。 Furthermore, the objective lens 14 and the condensing lens 17 condense the first light beam L1 and the second light beam L2 into convergent light that converges on the diffraction grating 15.
これにより、被測定部材1の被測定面1aがチルトした(傾いた)際に生じる干渉信号の振幅の低下を抑制することができる。また、光束L2を被測定部材1の被測定面1a上に集光させるなど、使用目的に応じて被測定部材1の被測定面1a上に照射されるビーム径を調整してもよい。 Thereby, the fall of the amplitude of the interference signal which arises when the measured surface 1a of the measured member 1 is tilted (tilted) can be suppressed. Further, the diameter of the beam irradiated on the measured surface 1a of the measured member 1 may be adjusted according to the purpose of use, such as condensing the light beam L2 on the measured surface 1a of the measured member 1.
被測定部材1は、第1の光束L1を回折格子15に反射させる。なお、被測定部材1としては、被測定面1aを鏡面としたミラー等が用いられる。被測定部材1の詳細な構成例については、後述する。 The member to be measured 1 reflects the first light beam L1 to the diffraction grating 15. In addition, as the member to be measured 1, a mirror or the like having the surface to be measured 1a as a mirror surface is used. A detailed configuration example of the member 1 to be measured will be described later.
回折格子15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。 The diffraction grating 15 is a reflection type diffraction grating that reflects and diffracts incident light.
そして、被測定部材1は、回折格子15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15は、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角、すなわち回折格子15の回折面と被測定部材1の被測定面1aで形成される角度がほぼ90°となるように配置されている。 Then, the member 1 to be measured reflects the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 15 and returns it to the light beam splitting unit 12 again. The diffraction grating 15 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 15 and the measured surface 1a of the member 1 to be measured is approximately 90 °. Has been placed.
なお、回折格子15における被測定部材1に対する配置する精度は、変位検出装置100に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置100に高い精度を要求する場合、回折格子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15を被測定部材1の被測定面1aに対して90°から±2°の範囲で配置しても、変位検出装置100を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。 The accuracy with which the diffraction grating 15 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 15 is disposed in the range of 90 ° to ± 2 ° with respect to the measured surface 1a of the member 1 to be measured, the displacement detection device 100 is used for low-accuracy measurement of a machine tool or the like. Is enough.
また、回折格子15に入射した第1の光束L1は、回折格子15によって反射し、かつ回折される。この回折格子15の格子ピッチΛは、回折角が回折格子15への入射角とほぼ等しくなるように設定される。すなわち、回折格子15の格子ピッチΛは、被測定面1aへの入射角をθ、光の波長をλとすると、次の式1を満たす値に設定することが好ましい。なお、上述したように、回折格子15が被測定部材1の被測定面1aに対して直角に配置されているため、回折格子15への入射角は、π/2−θとなる。 Further, the first light beam L1 incident on the diffraction grating 15 is reflected and diffracted by the diffraction grating 15. The grating pitch Λ of the diffraction grating 15 is set so that the diffraction angle is substantially equal to the incident angle to the diffraction grating 15. That is, it is preferable to set the grating pitch Λ of the diffraction grating 15 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 15 is arranged at a right angle to the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, the incident angle to the diffraction grating 15 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15によって反射し、かつ回折されて再び被測定部材1の被測定面1aに入射するときの光路が、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15に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子15よって回折された第1の光束L1は、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 15 and diffracted and incident on the measured surface 1a of the measured member 1 again. It is reflected by the surface to be measured 1a and overlaps the optical path when entering the diffraction grating 15. As a result, the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 15 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15としては、例えば図2の側面図に一例を示すような構造の回折格子15Aが用いられる。 As the diffraction grating 15, for example, a diffraction grating 15A having a structure as shown in the side view of FIG. 2 is used.
この回折格子15A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である。この回折格子15A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。
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15に反射するものである。この反射鏡18は、回折格子15を間に挟んで被測定部材1と対向する位置に設けられている。そして、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15は、反射鏡18の反射面と回折格子15の回折面で形成される角度がほぼ90°となるように配置される。
This diffraction grating 15A is a so-called blazed diffraction grating in which the cross-sectional shape of the groove is formed in a sawtooth shape. According to the diffraction grating 15A, diffraction of the first light beam L1 that is object light reflected by the measurement surface 1a of the member 1 to be measured and the second light beam L2 that is reference light reflected by the reflecting mirror 18 is performed. Efficiency can be increased and signal noise can be reduced.
Further, as shown in FIG. 1, the reflecting mirror 18 reflects the second light beam L <b> 2 divided by the light beam dividing unit 12 to the diffraction grating 15. The reflecting mirror 18 is provided at a position facing the member to be measured 1 with the diffraction grating 15 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 15 are arranged so that the angle formed by the reflecting surface of the reflecting mirror 18 and the diffraction surface of the diffraction grating 15 is approximately 90 °.
また、反射鏡18は、回折格子15によって回折された第2の光束L2を再び反射して光束分割部3に戻す。なお、反射鏡18によって反射され、かつ回折格子15によって回折された第2の光束L2も、第1の光束L1と同様に、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。 The reflecting mirror 18 reflects the second light beam L2 diffracted by the diffraction grating 15 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 15 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15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15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 15 in the first light beam L1 is equal to the optical path length from the light beam splitting unit 12 to the diffraction grating 15 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15の回折面は、被測定部材1の被測定面1aと回折格子15の関係と同様に、略直角に配置することが好ましい。これにより、回折格子15によって回折されて再び反射鏡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15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 15 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 15. Thereby, the optical path when it is diffracted by the diffraction grating 15 and again enters the reflecting surface of the reflecting mirror 18 is overlapped with the optical path when it is reflected by the reflecting mirror 18 and enters the diffraction grating 15.
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15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15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 15 and the beam splitting unit 12 from the beam splitting unit 12 through the reflecting mirror 18 and the diffraction grating 15 to the beam splitting unit 12. 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 to be equal, even if there is a wavelength variation of the light source due to changes in atmospheric pressure, humidity, or temperature, the first light beam L1 and the second light beam L2 Can be equally affected. 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3に示すように、第1の差動増幅器61aと、第2の差動増幅器61bと、第1のA/D変換器62aと、第2のA/D変換器62bと、波形補正処理部63と、インクリメンタル信号発生器64とを有している。 Also, as shown in FIG. 3, 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.
また、絶対位置検出部30は、図1に示すように、回折格子15と対向するように設けられた受光部31とこの受光部31に接続された絶対位置情報出力部32からなる。 As shown in FIG. 1, the absolute position detection unit 30 includes a light receiving unit 31 provided so as to face the diffraction grating 15 and an absolute position information output unit 32 connected to the light receiving unit 31.
絶対位置検出部30の受光部31は、回折格子15に入射した第1の光束L1のうち回折格子面から反射した反射光(0次光)を受光する。 The light receiving unit 31 of the absolute position detecting unit 30 receives reflected light (0th order light) reflected from the diffraction grating surface of the first light beam L1 incident on the diffraction grating 15.
この受光部31は、例えば、図4に示すように、第5の受光素子31Aと第6の受光素子31Bを有する2分割受光部からなる。 For example, as shown in FIG. 4, the light receiving unit 31 includes a two-divided light receiving unit having a fifth light receiving element 31A and a sixth light receiving element 31B.
この2分割受光部31は、被測定部材1の被測定面1aが高さ方向に変位した際に、反射光のビームスポットが移動(シフト)する方向に沿って第5の受光素子31A及び第6の受光素子31Bを並べて配置してある。第5の受光素子31A及び第6の受光素子31Bは、絶対位置情報出力部32を構成する差動比較器32Aに接続されている。 The two-divided light receiving unit 31 includes the fifth light receiving element 31A and the first light receiving element 31A along the direction in which the beam spot of reflected light moves (shifts) when the measured surface 1a of the measured member 1 is displaced in the height direction. Six light receiving elements 31B are arranged side by side. The fifth light receiving element 31 </ b> A and the sixth light receiving element 31 </ b> B are connected to a differential comparator 32 </ b> A constituting the absolute position information output unit 32.
そして、絶対位置検出部30の受光部31では、第5の受光素子31A及び第6の受光素子31Bにより検出した光を電気エネルギーに変換(光電変換)して出力信号を生成し、差動比較器32Aに出力する。 The light receiving unit 31 of the absolute position detecting unit 30 converts the light detected by the fifth light receiving element 31A and the sixth light receiving element 31B into electric energy (photoelectric conversion) to generate an output signal, and performs differential comparison. Output to the device 32A.
被測定部材1の被測定面1aが高さ方向に変位すると、第1の光束L1の反射光は、例えば第5の受光素子31Aから第6の受光素子31Bにシフトする。そして、光電変換した信号を差動比較器32Aに通すと、図5に示すような信号出力の変化が得られる。この図5に示す信号出力の変化におけるゼロクロス位置を絶対位置として、相対位置情報と比較することで被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の絶対位置検出が可能となる。 When the measured surface 1a of the measured member 1 is displaced in the height direction, the reflected light of the first light beam L1 shifts from, for example, the fifth light receiving element 31A to the sixth light receiving element 31B. Then, when the photoelectrically converted signal is passed through the differential comparator 32A, a change in signal output as shown in FIG. 5 is obtained. The absolute position in the height direction of the measured surface 1a of the member 1 to be measured can be detected by comparing the relative position information with the zero cross position in the change in signal output shown in FIG. 5 as an absolute position.
ここで、この変位検出装置100における被測定部材1について説明する。 Here, the member 1 to be measured in the displacement detection apparatus 100 will be described.
一般に光源10からの光を反射させる被測定部材1としては、ミラー等が用いられる。図6に示すように、被測定部材1は、基板2と、基板2上に積層された反射膜3とを有している。この反射膜3は、極めて平坦に加工されている。また、表面を平坦化することで、より正確な高さ方向の変位を検出することが可能となる。さらに、反射膜3は、測定光L1の波長を含む特定の波長のみを反射するようにしてもよい。 In general, a mirror or the like is used as the member to be measured 1 that reflects light from the light source 10. As shown in FIG. 6, the member 1 to be measured has a substrate 2 and a reflective film 3 laminated on the substrate 2. The reflective film 3 is processed extremely flat. Further, it is possible to detect a more accurate displacement in the height direction by flattening the surface. Furthermore, the reflective film 3 may reflect only a specific wavelength including the wavelength of the measurement light L1.
そして、この変位検出装置100において、被測定部材1は、その移動方向の両端部に上記測定光L1の光軸を移動させる傾斜した反射面4Aが形成された絶対位置検出領域4を有する。 In the displacement detection device 100, the member 1 to be measured has an absolute position detection region 4 in which inclined reflecting surfaces 4A for moving the optical axis of the measurement light L1 are formed at both ends in the moving direction.
この変位検出装置100における絶対位置検出部30は、上記被測定部材1の絶対位置検出領域4において、傾斜した反射面4Aにより上記測定光L1の光軸が移動されることにより絶対位置検出を行うことができる。 The absolute position detection unit 30 in the displacement detection apparatus 100 performs absolute position detection by moving the optical axis of the measurement light L1 by the inclined reflecting surface 4A in the absolute position detection region 4 of the member 1 to be measured. be able to.
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15上における第1の光束L1の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子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 15, 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15の回折位置T1から回折位置T2に移動する。ここで、回折格子15は、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されているため、回折位置T1と回折位置T2の間隔は、照射スポットP1と照射スポットP2の間隔の2倍のzとなる。すなわち、回折格子15上を移動する第1の光束L1の移動量は、被測定部材1を移動した際の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 measured surface 1a of the measured member 1 moves from the diffraction position T1 of the diffraction grating 15 to the diffraction position T2. Here, since the diffraction grating 15 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 15 is z that is twice that when the member 1 to be measured is moved.
また、回折格子15が被測定部材1の被測定面1aに対して略直角に配置されているため、被測定部材1が高さ方向に変位しても、P2−T2間の距離と、P2−P1−T1間の距離が一定であることから、第1の光束L1の光路長は常に一定となることが分かる。すなわち、第1の光束L1の波長は、変化しない。そして、被測定部材1が高さ方向に変位すると、回折格子15に入射する位置だけが変化する。 Further, since the diffraction grating 15 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 15 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15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 15. 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 of the above-mentioned periods the interference light intensity of the first light beam L1 and the second light beam L2 has 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.
そして、この変位検出装置100では、被測定部材1の移動方向Xの両端部に測定光L1の光軸を移動させる傾斜した反射面4Aが形成された絶対位置検出領域4を有するので、絶対位置検出部30は、上記絶対位置検出領域4において上記測定光L1の光軸を移動させることにより絶対位置検出を行うことができ、被測定部材1が検出範囲から外れてしまった際に、被測定部材1を検出範囲に戻すだけで、絶対位置を高速で検出し、相対位置情報検出部20により得られる相対位置情報をリセットあるいはプリセットして原点復帰させることができる。 The displacement detection apparatus 100 has the absolute position detection region 4 in which the inclined reflection surfaces 4A for moving the optical axis of the measurement light L1 are formed at both ends in the movement direction X of the member 1 to be measured. The detection unit 30 can perform absolute position detection by moving the optical axis of the measurement light L1 in the absolute position detection region 4, and when the member 1 to be measured is out of the detection range, the measurement target is measured. By simply returning the member 1 to the detection range, the absolute position can be detected at high speed, and the relative position information obtained by the relative position information detection unit 20 can be reset or preset to return to the origin.
ここで、被測定部材1の表面を平坦面とする必要がある場合には、例えば、図8の(A)に示す被測定部材1Aの示すように、被測定部材1の両端部の傾斜した反射面4Aにより測定光L1の光軸を移動させる絶対位置検出領域4を光透過性のある部材5でシールすることにより平坦面とすることができる。 Here, when it is necessary to make the surface of the member 1 to be measured flat, for example, as shown in the member 1A to be measured shown in FIG. By sealing the absolute position detection region 4 in which the optical axis of the measuring light L1 is moved by the reflecting surface 4A with a light-transmitting member 5, it can be made flat.
また、図8の(B)に示す被測定部材1Bの示すように、被測定部材1の両端部の傾斜した反射面4Aにより測定光L1の光軸を移動させる絶対位置検出領域4を含む被測定面1a全面を光透過性のある部材5でシールすることにより平坦面とすることができる。 Further, as shown in a member to be measured 1B shown in FIG. 8B, the member to be measured includes an absolute position detection region 4 in which the optical axis of the measuring light L1 is moved by the inclined reflecting surfaces 4A at both ends of the member to be measured 1. A flat surface can be obtained by sealing the entire measurement surface 1 a with a light-transmitting member 5.
また、被測定部材1の両端部の絶対位置検出領域4に形成する傾斜した反射面4Aにより、傾斜方向は逆であってもよく、図8の(C)に示す被測定部材1Cのように、登り傾斜の反射面4Bを両端部の絶対位置検出領域4に形成してもよい。 Further, the inclined direction may be reversed by the inclined reflecting surfaces 4A formed in the absolute position detection regions 4 at both ends of the member 1 to be measured, as in the member 1C to be measured shown in FIG. Further, the sloped reflecting surface 4B may be formed in the absolute position detection regions 4 at both ends.
また、上記被測定部材1の移動方向Xの両端部の絶対位置検出領域4は、上記測定光L1の光軸を移動させる機能を有する領域であればよく、図9に示す被測定部材1Dのように、屈折率の変化により上記測定光L1の光軸を移動させる機能を有する絶対位置検出領域4Dを被測定部材1の移動方向Xの両端部に設けるようにすることができる。 Further, the absolute position detection regions 4 at both ends in the movement direction X of the member to be measured 1 may be any region having a function of moving the optical axis of the measurement light L1, and the member to be measured 1D shown in FIG. As described above, the absolute position detection regions 4D having a function of moving the optical axis of the measurement light L1 by changing the refractive index can be provided at both ends of the movement direction X of the member 1 to be measured.
このように 屈折率の変化により上記測定光L1の光軸を移動させる機能を有する絶対位置検出領域4Dは、被測定部材のエッジ部のシール部材の屈折率が他の部分と違う構成としたり、イオン交換法によるガラスの屈折率分布に変化をもたせた領域とすることができる。 In this way, the absolute position detection region 4D having the function of moving the optical axis of the measurement light L1 by the change in the refractive index has a configuration in which the refractive index of the seal member at the edge portion of the member to be measured is different from the other portions, It can be set as the area | region which gave the change to the refractive index distribution of the glass by an ion exchange method.
さらに、上記測定光L1の光軸を移動させる機能を有する絶対位置検出領域4は、例えば、図10に示す被測定部材1Eのように、回折格子による回折光を利用して測定光L1の光軸を移動させるものとすることができる。 Further, the absolute position detection region 4 having a function of moving the optical axis of the measurement light L1 is, for example, light of the measurement light L1 using diffracted light by a diffraction grating as in the member to be measured 1E shown in FIG. The axis can be moved.
この被測定部材1Eのように、被測定部材の外周に回折格子4eを配置した絶対位置検出領域4Eを備える。 Like the member to be measured 1E, an absolute position detection region 4E in which a diffraction grating 4e is arranged on the outer periphery of the member to be measured is provided.
この被測定部材1Eでは、図11に示すように、外周の絶対位置検出領域4Eに測定光L1が入射されるとき、測定光L1の反射光L11以外に回折光L12が得られる。回折光L12の回折角θ12は、sinθ11+sinθ12=nλ/dで与えられ、nは次数、λは入射波長、dは格子ピッチである。 In this member to be measured 1E, as shown in FIG. 11, when the measurement light L1 is incident on the outer peripheral absolute position detection region 4E, diffracted light L12 is obtained in addition to the reflected light L11 of the measurement light L1. The diffraction angle θ12 of the diffracted light L12 is given by sin θ11 + sin θ12 = nλ / d, where n is the order, λ is the incident wavelength, and d is the grating pitch.
したがって、この変位検出装置100では、絶対位置情報検出部30の2分割受光部31を、第5の受光素子31Aに反射光L11が入射され、第6の受光素子31Bに回折光L12が入射されるように配置し、被測定部材1Eの回折格子1e上での反射光が、L11<L12であれば、差動比較器32Aにより得られる第5の受光素子31Aと第6の受光素子31Bの差動出力は、被測定部材1Eの回折格子1eを配置した部分絶対位置検出領域4Eと回折格子のない部分の境界でゼロクロスすることになる。 Therefore, in this displacement detection apparatus 100, the reflected light L11 is incident on the fifth light receiving element 31A and the diffracted light L12 is incident on the sixth light receiving element 31B. If the reflected light on the diffraction grating 1e of the member to be measured 1E is L11 <L12, the fifth light receiving element 31A and the sixth light receiving element 31B obtained by the differential comparator 32A The differential output is zero-crossed at the boundary between the partial absolute position detection region 4E where the diffraction grating 1e of the member to be measured 1E is disposed and the part where there is no diffraction grating.
すなわち、反射光L11が第5の受光素子31Aにθ1で入射しているため、図12、図13に示すように、z方向の位置により、ゼロクロス位置xは、変化する。このゼロクロス位置xとz位置の相関を事前に取得しておくことで、ゼロクロス信号をトリガーにしてゼロクロス位置xのずれ量からz位置を割り出すことができる。 That is, since the reflected light L11 is incident on the fifth light receiving element 31A at θ1, the zero cross position x varies depending on the position in the z direction, as shown in FIGS. By acquiring the correlation between the zero cross position x and the z position in advance, the z position can be determined from the amount of deviation of the zero cross position x using the zero cross signal as a trigger.
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18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、例えば図14に示す変位検出装置100Aのように、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15A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することができる。 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 18. Based on the light detection output obtained by the light receiving unit 20A, the relative position information of the measurement surface 1a in the measurement direction Z is output from the relative position information output unit 20B. For example, the displacement detection shown in FIG. Like the apparatus 100A, a light receiving unit 20A that receives the measurement light L1 reflected by the measurement surface 1a of the member 1 to be measured through the transmission diffraction grating 15A is provided, and the light detection output obtained by the light reception unit 20A is obtained. Based on this, the relative position information of the measurement surface 1a in the measurement direction Z can be output from the relative position information output unit 20B.
すなわち、図14に示す変位検出装置100A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15Aと、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 100A shown in FIG. 14 detects the displacement of the measurement surface 1a of the measurement target member 1 that can be relatively moved in 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 absolute position in the measurement direction Z are determined based on the measurement light L1 reflected by the measurement target surface 1a of the member under measurement 1 and the diffraction grating 15A of the mold, the reflection mirror 18, the return reflection mirror block 19, and A relative position detector 20 and an absolute position detector 30 for optically detecting the position are provided.
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 100A, about the component which is common in the said displacement detection apparatus 100, the same code | symbol is attached | subjected in the figure and the overlapping description is abbreviate | omitted.
この変位検出装置100Aでは、光源10から出射された測定光L0がレンズ11Aにより収束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 device 100A, the measurement light L0 emitted from the light source 10 is incident on the light beam splitting unit 12 as convergent light by the lens 11A, and the light beam splitting unit 12 uses the first light beam L1 that is object light and the reference light. It is divided into a certain second light beam L2.
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15A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 incident on the transmissive diffraction grating 15A.
回折格子15A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 15A is a transmissive diffraction grating that transmits and diffracts incident light.
この変位検出装置100A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15Aが設けられている。 In this displacement detection device 100A, the transmission type diffraction grating 15A is provided in place 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15Aに入射された第1の光束L1は、当該透過型の回折格子15A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。 Then, the first light beam L1 incident on the transmission type diffraction grating 15A passes through the transmission type diffraction grating 15A and is diffracted once, and the first light beam L1 on the measurement surface 1a of the member 1 to be measured is obtained. 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15Aに入射された第1の光束L1は、当該透過型の回折格子15Aを透過し、絶対位置検出部30の受光部31に入射される。
絶対位置検出部30では、上記透過型の回折格子15Aを透過して入射される第1の光束L1を受光部31で受光して、第5の受光素子31Aと第6の受光素子31Bにより光電変換して得られる検出信号に基づいて、差動比較器32Aにより得られる差動出力のゼロクロス位置を絶対位置として、相対位置情報と比較することで被測定部材1の被測定面1aの高さ方向Zの絶対位置検出を行う。
Further, the first light beam L1 incident on the transmission type diffraction grating 15A passes through the transmission type diffraction grating 15A and enters the light receiving unit 31 of the absolute position detection unit 30.
In the absolute position detection unit 30, the first light beam L1 that is transmitted through the transmission type diffraction grating 15A and incident thereon is received by the light receiving unit 31, and the fifth light receiving element 31A and the sixth light receiving element 31B perform photoelectric conversion. Based on the detection signal obtained by conversion, the zero cross position of the differential output obtained by the differential comparator 32A is set as an absolute position and compared with relative position information to thereby measure the height of the measured surface 1a of the measured member 1 Absolute position detection in direction Z is performed.
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16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15Aに入射される。 The second light beam L2 divided by the light beam splitting unit 12 is incident on the reflecting mirror 18 through the second phase plate 16, and the measured surface 1a of the member 1 to be measured is passed through the reflecting mirror 18. The light enters the first irradiation spot Sc1, is reflected by the surface to be measured 1a, and enters the transmissive diffraction grating 15A.
そして、この透過型の回折格子15Aに入射された第2の光束L2は、当該透過型の回折格子15A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 15A passes through the transmission type diffraction grating 15A 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.
ここで、上記レンズ11Aは、光束分割部12で分割された第1の光束L1及び第2の光束L2が上記戻り用反射鏡ブロック19の第1の反射面19A及び第2の反射面19B、上記絶対位置検出部30の受光部31において収束するように、上記光源10から出射された上記測定光L0を収束させた収束光として光束分割部12に入射させる。 Here, in the lens 11A, the first light beam L1 and the second light beam L2 divided by the light beam dividing unit 12 are the first reflection surface 19A and the second reflection surface 19B of the return reflector block 19, respectively. The measurement light L0 emitted from the light source 10 is caused to enter the light beam splitting unit 12 as converged light so as to converge at the light receiving unit 31 of the absolute position detection unit 30.
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15A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15A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 15A. 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 through the grating 15A.
そして、この変位検出装置100A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 apparatus 100A, the relative position detection unit 20 converts 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100Aにおいて、透過型の回折格子15A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15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 100A, the transmissive diffraction grating 15A is disposed substantially perpendicular to the measurement 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15Aの格子ピッチΛは、回折角が回折格子15A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15A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 15A is preferably set so that the diffraction angle is substantially equal to the incident angle to the diffraction grating 15A. That is, as described above, the grating pitch Λ of the diffraction grating 15A is given by the following equation 2 where θ1 is the first incident angle of the measured surface 1a of the member 1 to be measured, θ2 is the second incident angle, and the wavelength λ is: 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15A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15A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。 When the incident angle to the diffraction grating 15A 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 15A. Equation 2 can be expressed by the following Equation 3.
2Λsinθ=nλ ・・・式3 2Λsin θ = nλ Equation 3
なお、θは、回折格子15Aの入射角及び回折角である。 Is the incident angle and diffraction angle of the diffraction grating 15A.
すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子15A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 15A 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15A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15A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 15A 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 15A is incident on the first irradiation spot Pc1 of the measured surface 1a of the measured member 1 again 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15A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15A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 15A to the diffraction position T2. Further, the first light beam L1 diffracted for the first time by the diffraction grating 15A moves from the second irradiation spot Pd1 on the measured surface 1a of the measured member 1 to the second irradiated spot Pd2.
ここで、回折格子15A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15A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 15A is arranged at a substantially right angle to the measurement surface 1a 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 that moves on the diffraction grating 15A is z that is twice that when the member 1 to be measured is moved.
また、回折格子15A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15Aに入射する位置だけが変化する。 In addition, the diffraction grating 15A is disposed substantially perpendicular 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 15A 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100A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15A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15A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 this displacement detection apparatus 100A, 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 indicates the amount of movement of the first light beam L1 on the diffraction grating 15A. 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 15A. 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100Aでは、回折格子15Aの格子ピッチと上述の変位検出装置100における回折格子15の格子ピッチが同じ場合、上記変位検出装置100よりも2倍の分解能とすることができる。 Therefore, in this displacement detection device 100A, when the grating pitch of the diffraction grating 15A and the grating pitch of the diffraction grating 15 in the displacement detection device 100 are the same, the resolution can be doubled compared to the displacement detection device 100.
例えば、回折格子15Aの格子ピッチΛを0.5515μm、波長λを780nm、回折格子15A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15A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 15A 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 15A are set to 45 °, the measured surface 1a of the measured member 1 is set in the height direction. When moved by 0.5515 μm, the first light beam L1 moves on the diffraction grating 15A 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100A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 100A, the first light beam L1 is irradiated to two locations of the first irradiation spot Pc1 and the second irradiation spot Pd1 on the measured surface 1a of the measured member 1 with a single 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.
この変位検出装置100Aにおいても、移動方向Xの両端部に測定光L1の光軸を移動させる絶対位置検出領域4を有する被測定部材1が検出範囲から外れてしまった際に、被測定部材1を検出範囲に戻すだけで、相対位置情報検出部30により検出される絶対位置情報を用いて、相対位置情報検出部20により得られる相対位置情報をリセットあるいはプリセットして原点復帰させることができる。 Also in this displacement detection apparatus 100A, when the member to be measured 1 having the absolute position detection region 4 for moving the optical axis of the measurement light L1 at both ends in the movement direction X is out of the detection range, the member to be measured 1 Is returned to the detection range, the absolute position information detected by the relative position information detection unit 30 can be used to reset or preset the relative position information obtained by the relative position information detection unit 20 to return to the origin.
また、上記変位検出装置100,100Aでは、第5の受光素子31Aと第6の受光素子31Bを有する2分割受光部31を備える絶対位置検出部30により検出される絶対位置情報を用いて、相対位置情報検出部20により得られる相対位置情報をリセットあるいはプリセットして原点復帰させるものとしたが、本発明は、上記変位検出装置100,100Aのみに限定されるものでなく、例えば図16に示す変位検出装置200のように、非点収差法を利用した変位検出装置に適用することもできる。 Further, in the displacement detection devices 100 and 100A, the relative position is detected using the absolute position information detected by the absolute position detection unit 30 including the two-divided light receiving unit 31 having the fifth light receiving element 31A and the sixth light receiving element 31B. Although the relative position information obtained by the position information detection unit 20 is reset or preset to return to the origin, the present invention is not limited to the displacement detection devices 100 and 100A. For example, as shown in FIG. Like the displacement detection apparatus 200, the present invention can also be applied to a displacement detection apparatus using an astigmatism method.
この図16に示す変位検出装置200は、上記変位検出装置100,100A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210と、この光源210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212と、反射鏡217と、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220と絶対位置検出部230を備え、上記光束分割部212と相対位置検出部220及び絶対位置検出部230との間に非点収差発生部240が設けられている。 The displacement detection device 200 shown in FIG. 16 detects the displacement of the measured surface 1a of the measured member 1 that can be relatively moved in the direction X perpendicular to the measurement direction Z, like the displacement detection devices 100 and 100A. A light source 210 and a light beam splitter 212 for dividing the measurement light L0 emitted from the light source 210 into two light beams L1 and L2, which are detected based on the measurement light L1 reflected by the measurement surface 1a; Relative position detection unit 220 for optically detecting the relative position and absolute position in the measurement direction Z based on the reflecting mirror 217 and the measurement light L1 reflected by the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, and absolute position detection The astigmatism generation unit 240 is provided between the light beam splitting unit 212 and the relative position detection unit 220 and the absolute position detection unit 230.
この変位検出装置200において、光源210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、発光ダイオード等によって構成される。なお、後述するように、この変位検出装置200では、光源210からの測定光の干渉光を用いて計測を行うので、光源210から発せられる測定光の可干渉距離が長い程、計測範囲が広くなる。 In the displacement detection device 200, the light source 210 is constituted by, for example, a semiconductor laser diode, a super luminescence diode, a light emitting diode, or the like. As will be described later, in the displacement detection device 200, measurement is performed using the interference light of the measurement light from the light source 210. Therefore, the longer the coherence distance of the measurement light emitted from the light source 210 is, the wider the measurement range is. Become.
この光源210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211を介して光束分割部212に入射されている。レンズ211は、光源210から出射された測定光L0を平行光にコリメートする。 The measurement light L0 emitted from the light source 210 is incident on the light beam splitting unit 212 through a lens 211 made of a collimator lens or the like. The lens 211 collimates the measurement light L0 emitted from the light source 210 into parallel light.
光束分割部212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213と対物レンズ214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215と集光レンズ216を介して反射鏡217に照射される。また、光束分割部212は、例えば、光源210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 light beam splitting unit 212 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 to the member 1 to be measured through the first phase plate 213 and the objective lens 214, and the second light beam L2 is used as the reference light with the second phase plate 215 and The light is applied to the reflecting mirror 217 via the condenser lens 216. The light beam splitting unit 212 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 210.
光束分割部212を透過したp偏光による第1の光束L1は、1/4波長板等の第1の位相板213を透過することによって円偏光となり、対物レンズ214によって被測定部材1の被測定面1aに集光される。この対物レンズ214のNA値が高い程解像度が高くなり、逆にNA値が低い程、被測定面1aの測定範囲が広くなる。 The p-polarized first light beam L1 that has passed through the light beam splitting section 212 becomes circularly polarized light by passing through the first phase plate 213 such as a quarter-wave plate, and the object lens 1 to be measured is measured by the objective lens 214. It is condensed on the surface 1a. The higher the NA value of the objective lens 214, the higher the resolution. Conversely, the lower the NA value, the wider the measurement range of the surface to be measured 1a.
なお、対物レンズ214によって集光された第1の光束L1は、被測定面1a上に必ずしも結像される必要はない。結像位置を被測定面1aからずらし、被測定面1a上でのスポット径を大きくすることにより、被測定面1aの面粗度や異物等による測定誤差の影響を低減できる。 The first light beam L1 collected by the objective lens 214 does not necessarily have to be imaged on the measurement surface 1a. By shifting the imaging position from the surface to be measured 1a and increasing the spot diameter on the surface to be measured 1a, it is possible to reduce the influence of the measurement error due to the surface roughness of the surface to be measured 1a and foreign matter.
この変位検出装置200において、対物レンズ214は固定されている。 In the displacement detection device 200, the objective lens 214 is fixed.
したがって、この変位検出装置200では、対物レンズ214によって第1の光束L1を結像させようとする位置は、被測定面1aの凹凸に関わらず変動しない。このため、非測定面1aの絶対変位を求めるための基準点とすることができる。 Therefore, in this displacement detection device 200, the position where the first light beam L1 is imaged by the objective lens 214 does not vary regardless of the unevenness of the measured surface 1a. For this reason, it can be used as a reference point for obtaining the absolute displacement of the non-measurement surface 1a.
物体光として被測定面1aに入射された第1の光束L1は、この被測定面1aによって反射され、再び対物レンズ214を経由して1/4波長板等の第1の位相板213に入射される。 The first light beam L1 incident on the surface to be measured 1a as object light is reflected by the surface to be measured 1a and again enters the first phase plate 213 such as a quarter-wave plate via the objective lens 214. Is done.
すなわち、第1の光束分割部212と被測定部材1の被測定面1aの間の光路上には、例えば1/4波長板等の第2の位相板215が配置されているので、物体光として被測定面1aに入射された第1の光束L1は、被測定面1aへ向かう往路と第1の光束分割部212に戻る復路において第1の位相板213を2回透過することにより、偏光方向が90度回転してs偏光となる。そして、s偏光となった第1の光束L1は、第1の光束分割部212により反射され、非点収差発生部240に入射される。 That is, since the second phase plate 215 such as a quarter-wave plate is disposed on the optical path between the first light beam splitting section 212 and the measured surface 1a of the measured member 1, the object light The first light beam L1 incident on the surface to be measured 1a is transmitted through the first phase plate 213 twice on the forward path toward the surface to be measured 1a and on the return path to the first light beam splitting section 212. The direction is rotated 90 degrees to become s-polarized light. Then, the first light beam L 1 that has become s-polarized light is reflected by the first light beam splitting unit 212 and is incident on the astigmatism generation unit 240.
また、参照光として反射鏡217に入射された第2の光束L2は、この反射鏡217によって反射されて、再び集光レンズ216を経由して1/4波長板等の第2の位相板215に入射される。 The second light beam L2 incident on the reflecting mirror 217 as the reference light is reflected by the reflecting mirror 217 and passes through the condenser lens 216 again to form a second phase plate 215 such as a quarter wavelength plate. Is incident on.
すなわち、第1の光束分割部212と反射鏡217の間の光路上には、例えば1/4波長板等の第2の位相板215が配置されているので、第2の光束L2は、反射鏡217へ向かう往路と第1の光束分割部212に戻る復路において第2の位相板215を2回透過することにより、偏光方向が90度回転してp偏光となる。そして、p偏光となった第2の光束L2は、第1の光束分割部212を透過し、非点収差発生部240に入射される。 That is, since the second phase plate 215 such as a quarter-wave plate is disposed on the optical path between the first light beam splitter 212 and the reflecting mirror 217, the second light beam L2 is reflected. By passing through the second phase plate 215 twice on the forward path toward the mirror 217 and on the return path returning to the first light beam splitting section 212, the polarization direction is rotated 90 degrees to become p-polarized light. Then, the second light beam L <b> 2 that has become p-polarized light passes through the first light beam splitting unit 212 and enters the astigmatism generation unit 240.
なお、第1の光束分割部212から反射鏡217までの光路長と、第1の光束分割部212から対物レンズ214による第1の光束L1の焦点位置、すなわち絶対変位を計測する基準点までの光路長は等しくすることが好ましい。 The optical path length from the first light beam splitting unit 212 to the reflecting mirror 217 and the focal point position of the first light beam L1 by the objective lens 214 from the first light beam splitting unit 212, that is, the reference point for measuring the absolute displacement. The optical path lengths are preferably equal.
これにより、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第1の光束L1および第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。したがって、相対位置情報検出部220の受光部220Aによって受光する第1の光束L1と第2の光束L2の干渉光強度を、周囲環境に関わらず安定させることができ、より正確な計測を行うことができる。 Thereby, even if there is a wavelength variation of the light source due to changes in atmospheric pressure, humidity, and temperature, it is possible to equalize the effects of the first light beam L1 and the second light beam L2. Therefore, the interference light intensity of the first light beam L1 and the second light beam L2 received by the light receiving unit 220A of the relative position information detection unit 220 can be stabilized regardless of the surrounding environment, and more accurate measurement can be performed. Can do.
光束分割部212は、被測定部材1及び反射鏡217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、非点収差発生部240に入射させる。 The light beam splitting unit 212 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 217, and enters the astigmatism generation unit 240.
この変位検出装置200において、非点収差発生部240は、光束分割部212からの入射光、すなわち、光束分割部212により重ね合わせて入射される第1の光束L1及び第2の光束L2を2方向に分割して、相対位置情報検出部220の受光部221と絶対位置情報検出部230の受光部231に入射させるとともに、絶対位置情報検出部230の受光部231に入射させる光束に非点収差を発生させるものであって、集光レンズ241とビームスプリッタ242と偏光板243からなる。 In this displacement detection device 200, the astigmatism generation unit 240 divides the incident light from the light beam splitting unit 212, that is, the first light beam L 1 and the second light beam L 2 that are superimposed and incident by the light beam splitting unit 212. Astigmatism is generated in the light beam that is divided into directions and is incident on the light receiving unit 221 of the relative position information detecting unit 220 and the light receiving unit 231 of the absolute position information detecting unit 230 and incident on the light receiving unit 231 of the absolute position information detecting unit 230. And includes a condenser lens 241, a beam splitter 242, and a polarizing plate 243.
非点収差発生部240では、集光レンズ241により集光された入射光、すなわち、第1の光束L1及び第2の光束L2は、ビームスプリッタ242によって反射されて相対位置情報検出部220の受光部220Aに入射される。また、ビームスプリッタ242を透過した入射光、すなわち、第1の光束L1及び第2の光束L2は、偏光板243を透過することにより、被測定部材1の被測定面1aからの反射光である第1の光束L1のみが絶対位置情報検出部230の受光部231に入射される。 In the astigmatism generation unit 240, incident light condensed by the condensing lens 241, that is, the first light beam L 1 and the second light beam L 2 are reflected by the beam splitter 242 and received by the relative position information detection unit 220. The light enters the portion 220A. Further, the incident light transmitted through the beam splitter 242, that is, the first light beam L 1 and the second light beam L 2 are reflected light from the measured surface 1 a of the measured member 1 by transmitting through the polarizing plate 243. Only the first light beam L1 is incident on the light receiving unit 231 of the absolute position information detecting unit 230.
すなわち、偏光板243は、非点収差発生部240のビームスプリッタ242を透過した第1の光束L1と第2の光束L2の光路上に配置されており、第1の光束L1のみを透過させる。これにより、被測定物1の被測定面1aからの反射光である第1の光束L1のみが取り出され、オフセット光量が除去されて絶対位置情報検出部230の受光部231に入射される。 That is, the polarizing plate 243 is disposed on the optical path of the first light beam L1 and the second light beam L2 that have passed through the beam splitter 242 of the astigmatism generation unit 240, and transmits only the first light beam L1. As a result, only the first light beam L1 that is the reflected light from the measurement surface 1a of the DUT 1 is extracted, the offset light amount is removed, and the light is incident on the light receiving unit 231 of the absolute position information detection unit 230.
この非点収差発生部240において、絶対位置情報検出部230の受光部231に入射される第1の光束L1には、ビームスプリッタ242を透過することにより非点収差が発生される。 In the astigmatism generation unit 240, astigmatism is generated in the first light beam L 1 incident on the light receiving unit 231 of the absolute position information detection unit 230 by passing through the beam splitter 242.
シリンドリカルレンズを配置することによって非点収差を発生させてもよいが、この非点収差発生部240では、ビームスプリッタ242は、光束を2方向に分割すると同時に非点収差も発生させており、部品点数を削減できるので好ましい。 Although astigmatism may be generated by arranging a cylindrical lens, in this astigmatism generation unit 240, the beam splitter 242 splits the light beam in two directions and simultaneously generates astigmatism. This is preferable because the score can be reduced.
なお、この偏光板243上に例えばクロム膜または誘電体多層膜等を形成することにより、非点収差発生部240のビームスプリッタ242としての機能を兼ね沿わせることも可能である。この場合には、ビームスプリッタ242と偏光板243の作用を一つの部品にて成立させるため、部品点数の削減が図られる。 In addition, by forming, for example, a chromium film or a dielectric multilayer film on the polarizing plate 243, the function of the astigmatism generation unit 240 as the beam splitter 242 can be combined. In this case, since the operations of the beam splitter 242 and the polarizing plate 243 are realized by one component, the number of components can be reduced.
この変位検出装置200において、相対位置情報検出部220は、受光部220Aと相対位置情報出力部220Bからなる。 In the displacement detection device 200, the relative position information detection unit 220 includes a light receiving unit 220A and a relative position information output unit 220B.
相対位置情報検出部220の受光部220Aは、非点収差発生部240のビームスプリッタ242によって反射された第1の光束L1及び第2の光束L2を2つの光束に分割するハーフミラー221と、このハーフミラー221によって分割された第1の光束L1及び第2の光束L2を分割する第1の偏光ビームスプリッタ222と、上記ハーフミラー221により分割された入射光が例えば1/4波長板等からなる位相板223を介して入射される第2の偏光ビームスプリッタ224を備える。 The light receiving unit 220A of the relative position information detection unit 220 includes a half mirror 221 that divides the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the beam splitter 242 of the astigmatism generation unit 240 into two light beams, The first polarization beam splitter 222 that divides the first light beam L1 and the second light beam L2 divided by the half mirror 221 and the incident light divided by the half mirror 221 are composed of, for example, a quarter wavelength plate. A second polarization beam splitter 224 that is incident through the phase plate 223 is provided.
これら第1の偏光ビームスプリッタ222及び第2の偏光ビームスプリッタ224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 222 and the second polarizing beam splitter 224 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222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222における光の出射口側には、第1の受光素子226と、第2の受光素子227が設けられている。また、第2の偏光ビームスプリッタ224における光の出射口側には、第3の受光素子228と、第4の受光素子229が設けられている。 The first polarizing beam splitter 222 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 226 and a second light receiving element 227 are provided on the light exit side of the first polarizing beam splitter 222. A third light receiving element 228 and a fourth light receiving element 229 are provided on the light exit side of the second polarizing beam splitter 224.
相対位置情報検出部220の受光部220Aにおいて、ハーフミラー221に入射された第1の光束L1及び第2の光束L2は、共にそれぞれ分割される。
ハーフミラー221を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2が入射される第1の偏光ビームスプリッタ222は、互いに偏光方向が90度異なる第1の光束L1及び第2の光束L2の偏光方向が、当該第1の偏光ビームスプリッタ222の入射面に対してそれぞれ偏光方向が45度傾くように傾けて配置されている。これにより、第1の光束L1及び第2の光束L2の両方の光束は、第1の偏光ビームスプリッタ222に対してそれぞれp偏光成分及びs偏光成分を有することになる。したがって、この第1の偏光ビームスプリッタ222を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2は、例えば同じ偏光方向を有するp偏光となるので、第1の光束L1及び第2の光束L2とを干渉させることができる。
また同様に、第1の偏光ビームスプリッタ222によって反射される第1の光束L1及び第2の光束L2は、当該第1の偏光ビームスプリッタ222に対するs偏光であり、同じ偏光方向を有しているので干渉させることができる。
In the light receiving unit 220A of the relative position information detecting unit 220, the first light beam L1 and the second light beam L2 incident on the half mirror 221 are both divided.
The first polarization beam splitter 222 on which the first light beam L1 and the second light beam L2 transmitted through the half mirror 221 are incident is polarized light of the first light beam L1 and the second light beam L2 whose polarization directions are different from each other by 90 degrees. The direction is inclined so that the polarization direction is inclined by 45 degrees with respect to the incident surface of the first polarizing beam splitter 222. Thus, both the first light beam L1 and the second light beam L2 have a p-polarized component and an s-polarized component with respect to the first polarizing beam splitter 222, respectively. Accordingly, the first light beam L1 and the second light beam L2 that have passed through the first polarizing beam splitter 222 become, for example, p-polarized light having the same polarization direction, and thus the first light beam L1 and the second light beam L2 Can be made to interfere.
Similarly, the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarizing beam splitter 222 are s-polarized light with respect to the first polarizing beam splitter 222 and have the same polarization direction. So you can make it interfere.
第1の偏光ビームスプリッタ222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1の受光素子226によって受光される。また、第1の偏光ビームスプリッタ222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2の受光素子227によって受光される。 The interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 transmitted through the first polarization beam splitter 222 is received by the first light receiving element 226. The interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarizing beam splitter 222 is received by the second light receiving element 227.
また、第1の受光素子226と第2の受光素子227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。 In addition, signals that are photoelectrically converted by the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227 are signals that are 180 degrees out of phase.
第1の受光素子226と第2の受光素子227では、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によって示される波数であり、Λは光源210から出射される測定光L0の波長である。 In the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227, an interference signal of Acos (Kz + δ) is obtained. A is the amplitude of interference, K is the wave number represented by 2π / Λ, and Λ is the wavelength of the measurement light L 0 emitted from the light source 210.
また、zは、被測定部材1の被測定面1aによって反射された第1の光束L1の、被測定面1aの形状に応じて変化する光路長の変化量である。 Z is the amount of change in the optical path length of the first light beam L1 reflected by the measurement surface 1a of the member 1 to be measured, which varies depending on the shape of the measurement surface 1a.
反射鏡217は固定されているので、第2の光束L2の光路長は変化しない。 Since the reflecting mirror 217 is fixed, the optical path length of the second light beam L2 does not change.
したがって、第1の受光素子226及び第2の受光素子227では、被測定面1aの形状に応じて第1の光束の光路長がΛ/2変化するごとに、1周期の光の明暗が生じる干渉光が受光される。 Therefore, in the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227, the light intensity of one cycle is generated every time the optical path length of the first light flux changes by Λ / 2 according to the shape of the surface to be measured 1a. Interference light is received.
一方、ハーフミラー221によって反射された第1の光束L1と第2の光束L2は、1/4波長板等の位相板223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と第2の光束L2は、位相板223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224に入射される。 On the other hand, the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the half mirror 221 are incident on a phase plate 223 such as a quarter-wave plate. The first light beam L 1 and the second light beam L 2, which are linearly polarized light whose polarization directions are different from each other by 90 degrees, pass through the phase plate 223, and thus become circularly polarized lights that are opposite to each other. 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 224.
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224によって反射され、第3の受光素子228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224を透過し、第4の受光素子229によって受光される。 The s-polarized component of this linearly polarized light is reflected by the second polarizing beam splitter 224 and received by the third light receiving element 228. Further, the p-polarized light component passes through the second polarization beam splitter 224 and is received by the fourth light receiving element 229.
上述したように、第2の偏光ビームスプリッタ224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。したがって、第1の光束L1の光路長が変化し、第1の光束L1と第2の光束L2の位相がずれると、重ね合わされた直線偏光の偏光方向は回転する。 As described above, the linearly polarized light incident on the second polarizing beam splitter 224 is generated by superimposing the circularly polarized light in the opposite directions. Therefore, when the optical path length of the first light beam L1 changes and the phase of the first light beam L1 and the second light beam L2 shifts, the polarization direction of the superimposed linearly polarized light rotates.
第2の偏光ビームスプリッタ224に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材1が高さ方向に移動して第1の光束L1の光路長がΛ/2だけ変化すると、180度すなわち1/2回転する。 The polarization direction of the linearly polarized light incident on the second polarization beam splitter 224 is 180 degrees, that is, 1 when the optical path length of the first light beam L1 changes by Λ / 2 when the member 1 to be measured moves in the height direction. Rotate twice.
したがって、第3の受光素子228と第4の受光素子229では、第1の光束L1の光路長がΛ/2変化するごとに、1周期の光の明暗が生じる干渉光が受光される。第3の受光素子228と第4の受光素子229により光電変換される信号は、Acos(Kz+δ’)によって表される。δ’は初期位相である。また、第3の受光素子28と第4の受光素子29とで光電変換される信号は、180度位相が異なる。 Therefore, the third light receiving element 228 and the fourth light receiving element 229 receive the interference light that causes the light of one period to be bright and dark each time the optical path length of the first light beam L1 changes by Λ / 2. A signal photoelectrically converted by the third light receiving element 228 and the fourth light receiving element 229 is represented by Acos (Kz + δ ′). δ 'is an initial phase. 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.
この干渉光を光電変換することによってAcos(Kz+δ’)にて表される干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。 An interference signal represented by Acos (Kz + δ ′) is obtained by photoelectrically converting the interference light. δ 'is an initial phase.
なお、この相対位置情報検出部220の受光部220Aでは、第1の受光素子226と第2の受光素子227に受光される光束を分割する第1の偏光ビームスプリッタ222に対して、第3の受光素子228と第4の受光素子229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224は45度傾けて配置されている。このため、第3の受光素子227と第4の受光素子228において得られる信号は、第1の受光素子226と第2の受光素子227において得られる信号に対し、90度位相がずれている。 In the light receiving unit 220A of the relative position information detecting unit 220, the third polarization beam splitter 222 that splits the light beam received by the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227 is compared with the third polarizing beam splitter 222. The second polarization beam splitter 224 that divides the light beam received by the light receiving element 228 and the fourth light receiving element 229 is disposed with an inclination of 45 degrees. For this reason, the signals obtained in the third light receiving element 227 and the fourth light receiving element 228 are 90 degrees out of phase with the signals obtained in the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227.
したがって、例えば第1の受光素子226と第2の受光素子227で得られる信号をsin信号、第3の受光素子228と第4の受光素子229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 226 and the second light receiving element 227 is used as a sin signal, and a signal obtained by the third light receiving element 228 and the fourth light receiving element 229 is used as a cosine signal. Can be obtained.
これらの受光素子226〜229によって得られる信号は、相対位置情報出力部220B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。 The signals obtained by these light receiving elements 226 to 229 are calculated by the relative position information output unit 220B, and the displacement amount of the measured surface 1a is counted.
この相対位置情報出力部220Bは、上記変位検出装置100における相対位置情報検出部220に備えられた相対位置情報出力部20Bと同様に構成されている。 The relative position information output unit 220B is configured similarly to the relative position information output unit 20B provided in the relative position information detection unit 220 in the displacement detection apparatus 100.
相対位置情報出力部220Bにおいて、第1の受光素子226と第2の受光素子227で得られた位相が互いに180度異なる信号は、差動増幅器によって差動増幅して干渉信号の直流成分をキャンセルしてからA/D変換器によってA/D変換され、波形補正処理部によって信号振幅とオフセットと位相が補正され、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から出力される。また同様に、第3の受光素子228及び第4の受光素子229で得られた信号は、差動増幅器によって差動増幅してからA/D変換器によってA/D変換され、波形補正処理部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から出力される。 In the relative position information output unit 220B, the signals obtained by the first light receiving element 226 and the second light receiving element 227 differing in phase from each other by 180 degrees are differentially amplified by a differential amplifier to cancel the DC component of the interference signal. Then, A / D conversion is performed by the A / D converter, the signal amplitude, the offset, and the phase are corrected by the waveform correction processing unit, and the signal is output from the incremental signal generator as an A-phase incremental signal, for example. Similarly, the signals obtained by the third light receiving element 228 and the fourth light receiving element 229 are A / D converted by an A / D converter after being differentially amplified by a differential amplifier, and a waveform correction processing unit Thus, the signal amplitude, offset, and phase are corrected, and an incremental signal generator outputs a B phase incremental signal that is 90 degrees out of phase with 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 or backward by a pulse discriminating circuit or the like (not shown), whereby the amount of displacement in the height direction of the surface to be measured 1a is positive or negative. It 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単位時間の位相変化をカウントすることにより、第1の光束と第2の光束と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。したがって、これにより被測定面1aの高さ方向の変位量が検出される。 Further, by counting the phase change of the incremental signal in unit time with a counter (not shown), it is possible to measure how many of the above-mentioned periods the interference light intensity between the first light beam and the second light beam has changed. Therefore, the amount of displacement in the height direction of the surface to be measured 1a is thus detected.
なお、相対位置情報出力部220B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 220B may be the above-described two-phase incremental signal, or a signal including the displacement amount and the displacement direction calculated therefrom.
また、この変位検出装置200において、絶対位置情報検出部230は、受光部231と絶対位置情報出力部232からなる。 In this displacement detection device 200, the absolute position information detection unit 230 includes a light receiving unit 231 and an absolute position information output unit 232.
絶対位置情報検出部230の受光部231は、図17に示すように、第5〜第8の受光素子231A,231B、231C,231Dの4つの受光素子を有する4分割受光部からなる。 As shown in FIG. 17, the light receiving unit 231 of the absolute position information detecting unit 230 includes a four-divided light receiving unit having four light receiving elements, that is, fifth to eighth light receiving elements 231A, 231B, 231C, and 231D.
この4分割受光部231上に形成される第2の光束L1のスポットは、被測定面1aの高さ方向の位置によって外形が変化する。 The outer shape of the spot of the second light beam L1 formed on the four-divided light receiving portion 231 changes depending on the position of the surface to be measured 1a in the height direction.
すなわち、4分割受光部231に入射する第1の光束L1には、非点収差発生部240により非点収差が付与されるので、例えば、被測定面1a上に照射される第1の光束L1の焦点が、被測定面1aよりも上側にある場合は、図18の(A)に示すように、4分割受光部231上の第1の光束L1のスポットA1は楕円形となる。 That is, since the astigmatism is given to the first light beam L1 incident on the four-divided light receiving unit 231 by the astigmatism generation unit 240, for example, the first light beam L1 irradiated onto the measured surface 1a. Is on the upper side of the measured surface 1a, as shown in FIG. 18A, the spot A1 of the first light beam L1 on the four-divided light receiving portion 231 has an elliptical shape.
また、被測定面1a上に照射される第1の光束L1の焦点が被測定面1a上にある場合には、例えば図18の(B)に示すように、そのスポットA2は略円形となる。 Further, when the focal point of the first light beam L1 irradiated on the measured surface 1a is on the measured surface 1a, for example, as shown in FIG. 18B, the spot A2 is substantially circular. .
また、被測定面1a上に照射される第1の光束L1の焦点が被測定面1aよりも下方にある場合には、図18の(C)に示すように、そのスポットA3は、スポットA1と比べて長軸方向が90度回転した楕円形となる。 Further, when the focus of the first light beam L1 irradiated on the measurement surface 1a is below the measurement surface 1a, as shown in FIG. 18C, the spot A3 is the spot A1. The major axis direction is an ellipse rotated 90 degrees.
第5〜第8の受光素子231A,231B、231C,231Dから出力される出力信号を、それぞれ受光素子231Aから順にA,B,C,Dとすると、被測定面1a上に照射される第1の光束L1の焦点位置からのずれを示すフォーカスエラー信号SFEは次の式4によって表される。 Assuming that output signals output from the fifth to eighth light receiving elements 231A, 231B, 231C, and 231D are A, B, C, and D in order from the light receiving element 231A, respectively, the first irradiated on the measured surface 1a. The focus error signal SFE indicating the deviation of the light beam L1 from the focal position is expressed by the following equation (4).
SFE=(A+C)―(B+D) ・・・式4 SFE = (A + C) − (B + D) Equation 4
図19に、この式4によって求められるフォーカスエラー信号の特性を示す。横軸は被測定面1aの高さ方向の位置であり、縦軸はフォーカスエラー信号である。 FIG. 19 shows the characteristics of the focus error signal obtained by this equation 4. The horizontal axis is the position in the height direction of the measured surface 1a, and the vertical axis is the focus error signal.
点Bに示すように、例えば被測定面1a上に照射される第2の光束の焦点が被測定面1a上にあるとき、フォーカスエラー信号はゼロとなる。 As shown at point B, for example, when the focal point of the second light beam irradiated onto the measurement target surface 1a is on the measurement target surface 1a, the focus error signal becomes zero.
この変位検出装置200において、上記の如く対物レンズ214は固定されているので、被測定面1a上に照射される第1の光束L1の焦点位置は、一定である。したがって、フォーカスエラー信号がゼロとなるときにおける被測定面1aの高さも常に同じであり、フォーカスエラー信号がゼロとなる位置を変位検出における基準点として用いることができる。 In the displacement detection apparatus 200, since the objective lens 214 is fixed as described above, the focal position of the first light beam L1 irradiated onto the surface to be measured 1a is constant. Therefore, the height of the measured surface 1a when the focus error signal becomes zero is always the same, and the position where the focus error signal becomes zero can be used as a reference point in displacement detection.
このフォーカスエラー信号を求める演算部は、受光部231に内蔵されていてもよいし、絶対位置情報出力部232に設けてもよい。また、絶対位置情報出力部232は、フォーカスエラー信号をA/D変換し、値を出力する。 The calculation unit for obtaining the focus error signal may be built in the light receiving unit 231 or may be provided in the absolute position information output unit 232. The absolute position information output unit 232 A / D converts the focus error signal and outputs a value.
なお、非点収差発生部240と絶対位置検出部230の受光部231との間の光路上に例えばくもりガラス等の光散乱体を配置してもよい。これにより、受光部231に入射する第1の光束L1の光軸方向に垂直な断面内において均一な光強度分布が得られる。したがって、被測定面1a上の微細な傷や異物等が検出されるのを抑制でき、面粗度の影響が低減されるので、被測定面1aの平均的な高さを計測することができる。 A light scatterer such as cloudy glass may be disposed on the optical path between the astigmatism generator 240 and the light receiver 231 of the absolute position detector 230. Thereby, a uniform light intensity distribution is obtained in a cross section perpendicular to the optical axis direction of the first light beam L1 incident on the light receiving unit 231. Therefore, it is possible to suppress the detection of minute scratches or foreign matters on the surface to be measured 1a, and the influence of the surface roughness is reduced, so that the average height of the surface to be measured 1a can be measured. .
また、こうした光散乱体を例えば1KHz以上で振動させ、散乱方向を様々に変化させると、受光素子41〜44上でのスペックルが平均化され、スペックルコントラストが低減される。 Further, when such a light scatterer is vibrated at, for example, 1 KHz or more and the scattering direction is changed variously, the speckles on the light receiving elements 41 to 44 are averaged and the speckle contrast is reduced.
また、対物レンズ214と絶対位置検出部230の受光部231との間の第1の光束L1の光路上に、所定の開口形状を有するアパーチャを配置し、特定の入射角度及び入射位置で対物レンズ214内に再入射する被測定面1aからの反射光を遮断してもよい。これにより、被測定面1a上の異物や凹凸による回折光が迷光として受光部231に受光されるのを防止できる。 In addition, an aperture having a predetermined aperture shape is disposed on the optical path of the first light beam L1 between the objective lens 214 and the light receiving unit 231 of the absolute position detecting unit 230, and the objective lens is set at a specific incident angle and incident position. The reflected light from the surface to be measured 1a that re-enters 214 may be blocked. Thereby, it is possible to prevent the diffracted light due to the foreign matter or the unevenness on the measured surface 1a from being received by the light receiving unit 231 as stray light.
また、相対位置検出部220や絶対位置検出部230における受光素子には、光ファイバを用いて干渉光や、非点収差を発生させた光を受光させるようにしてもよい。光ファイバを用いることにより、これら受光素子を変位検出装置200の光学系から離れた箇所に配置することが可能となる。 In addition, the light receiving elements in the relative position detection unit 220 and the absolute position detection unit 230 may receive interference light or light with astigmatism using an optical fiber. By using an optical fiber, it is possible to arrange these light receiving elements at locations away from the optical system of the displacement detection device 200.
したがって、受光素子を絶対位置情報出力部50や相対位置情報出力部60の近傍に配置することにより、受光素子からこれら出力部までの電気通信距離が短縮され、応答速度の向上が図れる。 Therefore, by arranging the light receiving element in the vicinity of the absolute position information output unit 50 and the relative position information output unit 60, the electric communication distance from the light receiving element to these output units can be shortened, and the response speed can be improved.
以上説明したように、この変位検出装置200では、光源210から出射された測定光L0を2つの光束L1,L2に分割し、第1の光束L1を被測定部材1の被測定面1aに入射させ、第2の光束L2を反射鏡217に入射させる。 As described above, in the displacement detection device 200, the measurement light L0 emitted from the light source 210 is divided into two light beams L1 and L2, and the first light beam L1 is incident on the measured surface 1a of the member 1 to be measured. The second light beam L2 is incident on the reflecting mirror 217.
そして、被測定面1aからの反射光を用いてフォーカスエラー信号を求めることにより、絶対位置情報を検出し、固定された反射鏡217による反射光と被測定面1aからの反射光の干渉光により相対位置情報を求めている。 Then, the absolute position information is detected by obtaining the focus error signal using the reflected light from the measured surface 1a, and the interference light between the reflected light from the fixed reflecting mirror 217 and the reflected light from the measured surface 1a. Relative position information is obtained.
干渉光の強度は被測定面1aの変位量に応じて周期的に変化するので、干渉光の強度の変化をスケールとして用いることにより、信号の線形性を確保することができる。干渉光の強度変化の周期は、光の波長によって決まるため、正確かつ微細なスケールとして用いることができる。 Since the intensity of the interference light periodically changes in accordance with the amount of displacement of the measured surface 1a, the linearity of the signal can be ensured by using the change in the intensity of the interference light as a scale. Since the period of intensity change of the interference light is determined by the wavelength of the light, it can be used as an accurate and fine scale.
また、干渉光の強度の変化によって得られるスケールの基準点は、被測定面1aからの反射光によって得られるフォーカスエラー信号により取得することができる。 Further, the reference point of the scale obtained by the change in the intensity of the interference light can be obtained from the focus error signal obtained by the reflected light from the surface to be measured 1a.
したがって、この変位検出装置200では、例えばフォーカスエラー信号がゼロとなる位置を基準とし、相対位置情報出力部220Bによって生成されるパルス、すなわち位相情報をカウントすることで、正確に変位を検出できる。 Therefore, in the displacement detection device 200, for example, the displacement can be accurately detected by counting the pulses generated by the relative position information output unit 220B, that is, the phase information with reference to the position where the focus error signal becomes zero.
この変位検出装置200では、フォーカスエラー信号から基準点となる絶対位置を取得するので、対物レンズ214を固定してあり、被測定面1aに追随させて対物レンズ214を上下運動させる必要がない。したがって、対物レンズ214を駆動させるための駆動機構が不要となり、熱の発生が抑制される。また、駆動機構の応答周波数による使用条件の制約もない。 In this displacement detection device 200, the absolute position serving as the reference point is acquired from the focus error signal, so the objective lens 214 is fixed, and it is not necessary to move the objective lens 214 up and down following the surface to be measured 1a. Therefore, a driving mechanism for driving the objective lens 214 is not required, and generation of heat is suppressed. Further, there are no restrictions on the use conditions depending on the response frequency of the drive mechanism.
そして、この変位検出装置200においても、移動方向Xの両端部に測定光L1の光軸を移動させる絶対位置検出領域4を有する被測定部材1が検出範囲から外れてしまった際に、被測定部材1を検出範囲に戻すだけで、絶対位置情報検出部230により検出される絶対位置情報を用いて、相対位置情報検出部220により得られる相対位置情報をリセットあるいはプリセットして原点復帰させることができる。 In this displacement detection apparatus 200 as well, when the member to be measured 1 having the absolute position detection region 4 that moves the optical axis of the measurement light L1 at both ends in the movement direction X is out of the detection range, the measurement is performed. By simply returning the member 1 to the detection range, the absolute position information detected by the absolute position information detecting unit 230 can be used to reset or preset the relative position information obtained by the relative position information detecting unit 220 to return to the origin. it can.
1,1A,1B,1C,1D,1E 被測定部材、1a 被測定面、2 基板、3 反射膜、4,4D,4E 絶対位置検出領域、4A,4B 反射面、4e 回折格子、5 光透過性のある部材、10,210 光源、11,211 レンズ、12,212 光束分割部、13,16,213,215 位相板、14,214 対物レンズ、15,15A 回折格子、17,216 集光レンズ、18,217 反射鏡、19 戻り用反射鏡ブロック、19A,19B 反射面、20,220 相対位置検出部、20A,220A 受光部、20B,220B 相対位置情報出力部、21,241 集光レンズ、22,221 ハーフミラー、23,25,222,224 偏光ビームスプリッタ、24、223 位相板、26〜29,226〜229 受光素子、30,230 絶対位置検出部、31,231 受光部、31A,31B,231A〜231D 受光素子、32,232 絶対位置情報出力部、32A 差動比較器、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,200 変位検出装置、240 非点収差発生部、241 集光レンズ、242 ビームスプリッタ、243 偏光板 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E member to be measured, 1a surface to be measured, 2 substrate, 3 reflective film, 4, 4D, 4E absolute position detection region, 4A, 4B reflective surface, 4e diffraction grating, 5 light transmission Member, 10, 210 light source, 11, 211 lens, 12, 212 beam splitting part, 13, 16, 213, 215 phase plate, 14, 214 objective lens, 15, 15A diffraction grating, 17, 216 condenser lens , 18, 217 reflector, 19 return reflector block, 19A, 19B reflecting surface, 20, 220 relative position detector, 20A, 220A light receiver, 20B, 220B relative position information output unit, 21, 241 condenser lens, 22, 221 Half mirror, 23, 25, 222, 224 Polarizing beam splitter, 24, 223 Phase plate, 26-29, 226-229 Element, 30, 230 Absolute position detection unit, 31,231 Light receiving unit, 31A, 31B, 231A to 231D Light receiving element, 32, 232 Absolute position information output unit, 32A Differential comparator, 61a, 61b Differential amplifier, 62a, 62b First A / D converter, 63 Waveform correction processing unit, 64 Incremental signal generator, 100, 100A, 200 Displacement detection device, 240 Astigmatism generation unit, 241 Condensing lens, 242 Beam splitter, 243 Polarizing plate
Claims (8)
上記被測定部材の被測定面により反射される測定光に基づいて、上記測定方向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と絶対位置検出部と備え、
上記被測定部材の移動方向の端部に上記測定光の光軸を移動させる絶対位置検出領域を有し、
上記絶対位置検出部は、上記絶対位置検出領域において上記測定光の光軸を移動させることにより絶対位置検出を行い、上記相対位置検出部により得られる位置情報の復帰を行うことを特徴とする変位検出装置。 A displacement detection device that detects a displacement of a measured surface of a measured member that is relatively movable in a direction perpendicular to a measurement direction based on measurement light reflected by the measured surface,
A relative position detector and an absolute position detector for optically detecting the relative position and the absolute position in the measurement direction based on the measurement light reflected by the measurement surface of the member to be measured;
An absolute position detection region for moving the optical axis of the measurement light at an end in the moving direction of the member to be measured;
The absolute position detection unit performs absolute position detection by moving the optical axis of the measurement light in the absolute position detection region, and returns position information obtained by the relative position detection unit. Detection device.
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