KR20110137724A - 변위 검출 장치 - Google Patents

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KR20110137724A
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다이스케 오구리
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가부시키가이샤 모리 세이키 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명의 변위 검출 장치(1)에서는, 대물 렌즈(3)가 광원(2)으로부터 출사된 출사광을 피측정면(101)을 향해 집광한다. 피측정면(101)으로부터의 반사광의 광로는 분리 광학계(4)에 의해 광원(2)으로부터의 출사광의 광로와 분리된다. 분리 광학계(4)를 통과하는 반사광은 콜리메이터 렌즈(7)에 의해 집광되고, 비점수차 발생 수단(8)에 의해 비점수차가 발생한 상태로 수광부(9)에 입사된다. 위치 정보 생성부(10)는 수광부(9)에 의해 검출된 광령으로부터 얻어지는 포커스 에러 신호를 사용하여 피측정면(101)의 위치 정보를 생성한다. 또한, 집광 장치(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 광축 상의 위치는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점이 피측정면(101)의 앞쪽이나 뒷쪽에 위치될 때 포커스 에러 신호의 값이 "0"이 되도록, 설정된다.

Description

변위 검출 장치{DISPLACEMENT DETECTING DEVICE}
본 발명은, 광원으로부터 방출된 광을 사용한 비접촉 센서에 의해 피측정면의 변위를 검출하기 위한 변위 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명은 2010년 6월 17일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2010-138732에 대한 내용을 포함하며, 그 내용 전부는 본 명세서에서 참조로서 원용되고 있다.
종래에는, 피측정면의 변위 및 형상을 측정하기 위한 장치로서 변위 검출 장치가 널리 이용되고 있다. 종래의 변위 검출 장치에서는, 광원으로부터 방출된 광이 대물 렌즈에 의해 피측정면으로 집광되고, 비점수차법에 의해 포커스 에러 신호를 생성하기 위해, 피측정면에서 반사된 반사광이 비점수차 광학 소자에 의해 집광되어 수광 소자에 입사된다. 그리고, 포커스 에러 신호를 사용하면, 대물 렌지의 초점 위치가 피측정면 상에 위치되도록 서보기구가 대물 렌지를 변위시킨다. 이 때, 연결 부재를 통해 대물 렌즈에 일체로 장착된 리니어 스케일의 눈금을 판독함으로써, 피측정면의 변위가 검출된다(예를 들면, 일본공개특허 제1993-89480호 공보 참조).
일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 변위 검출 장치에서는, 변위 검출의 고정밀도화를 도모하기 위해, 대물 렌즈의 개구수(NA: Numerical Aperture)를 크게 하여, 피측정면에 집광되는 빔 직경이 감소된다. 예를 들면, 피측정면에 결상되는 빔 직경이 약 2㎛ 정도가 되면, 리니어 스케일의 검출 정밀도는 수 ㎚ 내지 백여 ㎚ 정도가 될 것이다.
그러나, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 변위 검출 장치는 미세한 요철의 변위 측정을 수행하는데 적합하지만, 피측정면에 상을 형성하기 위한 광이 피측정면의 면거칠기로 인해 산란되기 때문에, 피측정면의 변위 측정에 오차가 발생되는 문제가 있다.
또한, 피측정면에 부착된 미세한 먼지 등이 검출되는 경우가 있어서, 피측정면의 변위나 형상 등의 필요한 변위 정보를 정확하게 얻는 것이 불가능하다. 또한, 피측정면에 집광된 광이 피측정면 상에 상을 형성하기 때문에, 피측정면의 온도 상승으로 인한 변위 측정에 대한 영향이나, 피측정면의 열화 등도 문제가 된다.
상기 문제를 해결하려는 노력의 일환으로, 본 발명은, 피측정면의 면거칠기 및/또는 오물, 미세 먼지 등의 이물질의 부착에 의해 피측정면의 변위량 측정에 오차가 생길 가능성을 감소시킬 수 있는 변위 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따른 변위 검출 장치는 광원, 대물 렌즈, 분리 광학계, 집광 장치, 비점수차 발생 수단, 수광부 및 위치 정보 생성부를 포함한다. 대물 렌즈는 광원으로부터 방출된 출사광을 피측정면 쪽으로 집광하고, 분리 광학계는 피측정면으로부터의 반사광의 광로를 광원으로부터의 출사광의 광로와 분리하며, 집광 장치는 분리 광학계에 의해 출사광의 광로로부터 분리된 반사광을 집광하고, 비점수차 발생 수단은 집광 장치에 의해 집광된 반사광에 비점수차를 발생시킨다.
수광부는 비점수차 발생 수단에 의해 비점수차가 발생한 반사광의 광량을 검출하고, 위치 정보 생성부는 수광부에 의해 검출된 반사광의 광량으로부터 얻어지는 포커스 에러 신호를 사용하여 피측정면의 위치 정보를 생성한다. 그리고, 광축에서 집광 장치, 비점수차 발생 수단 또는 수광부의 위치는, 대물 렌즈에 의해 집광된 출사광의 초점이 피측정면의 앞쪽이나 뒷쪽에 위치될 때, 포커스 에러 신호의 값이 "0"이 되도록 설정되어 있다.
상기 구성의 변위 검출 장치에서는, 대물 렌즈에 의해 집광된 출사광의 초점이 피측정면의 앞쪽 또는 뒷쪽에 상을 형성하는 상태로 포커스 에러 신호가 "0"이 되고, 출사광의 초점이 피측정면으로부터 어긋난 상태로 대물 렌즈가 기준 위치에 위치되는 것으로 판단한다. 따라서, 피측정면의 출사광의 직경(빔 직경)을 소정의 크기로 설정하는 것이 가능하여, 피측정면의 면거칠기 및/또는 오물, 미세 먼지 등의 이물질이 피측정면의 변위량으로서 검출되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 피측정면의 면거칠기 및/또는 오물, 미세 먼지 등의 이물질의 부착에 의해 피측정면의 변위량의 측정에 오차가 생길 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 출사광은 피측정면의 일 지점에 상을 형성하지 않고 피측정면에 의해 반사되기 때문에, 피측정면의 온도 상승이나 피측정면의 열화가 방지 또는 억제될 수 있다.
본 발명에 의하면, 피측정면의 면거칠기 및/또는 오물, 미세 먼지 등의 이물질 부착에 의해 피측정면의 변위량 측정에 오차가 생길 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예에 관한 수광부 상에 형성된 조사 상의 예를 각각 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예에 관한 수광부에 의해 검출된 광량으로부터 얻어지는 포커스 에러 신호의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예에 관한 피측정면의 빔 직경과 발산광의 각도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 변위 검출 장치의 제2 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 변위 검출 장치의 제3 실시예를 나타낸 블록도이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 변위 검출 장치를 실시하기 위한 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 각 도면에 있어서, 공통의 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고 있다.
<1. 변위 검출 장치의 제1 실시예>
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예가 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 변위 검출 장치의 제1 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 변위 검출 장치(1)는 광원(2), 대물 렌즈(3), 분리 광학계(4), 미러(5), 2개의 콜리메이터 렌즈(collimator lenses)(6, 7), 비점수차 발생 수단(8), 수광부(9), 위치 정보 생성부(10) 및 케이스(11)를 포함한다. 광원(2), 대물 렌지(3), 분리 광학계(4), 미러(5), 2개의 콜리메이터 렌즈(6, 7), 비점수차 발생 수단(8), 수광부(9) 및 위치 정보 생성부(10)는 케이스(11) 내에 설치되어 있다.
광원(2)은, 예를 들면 반도체 레이저 다이오드, 고발광 다이오드 등으로 구성되어 있다. 광원(2)은 케이스(11)에 착탈 가능하게 장착되어 있다. 광원(2)이 케이스(11)에 착탈 가능하게 장착되기 때문에, 광원(2)이 열화될 때, 열화된 광원(2)은 케이스(11)를 설치 개소로부터 떼어내지 않고도 새로운 광원으로 교환될 수 있다. 이로써, 광원(2)을 교환할 때마다 케이스(11)의 설치 위치가 어긋날 걱정이 없고, 높은 신뢰성을 필요로 하는 측정이나 제조 장치에 변위 검출 장치(1)가 사용되는 경우에 유리하게 된다.
대물 렌즈(3)는 광원(2)으로부터의 출사광을 피측정면(101)을 향해 집광한다. 대물 렌즈(3)는 렌즈 지지부(도시되지 않음)에 고정되어 있고, 렌즈 지지부는 액츄에이터(도시되지 않음)에 의해 대물 렌지(3)의 광축 방향으로 이동될 수 있다. 렌즈 지지부를 이동시키는 액츄에이터는, 예를 들면 가동 코일과 영구 자석으로 구성될 수 있다.
또한, 렌즈 지지부에는 리니어 스케일(linear scale)(도시되지 않음)이 고정되어 있다. 리니어 스케일의 눈금은 대물 렌즈(3)의 광축과 동축 상에 배치되어 있다. 리니어 스케일로서, 예를 들면, 광의 간섭 무늬를 눈금으로서 기록한 광학식 스케일(홀로그램 스케일)이나 자기식 스케일 등이 사용될 수 있다. 그리고, 리니어 스케일에는 눈금의 대략 중앙 위치에 원점(기준점)이 형성되어 있으면 된다.
분리 광학계(4)는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)(15) 및 위상 판(16)으로 구성되어 있고, 피측정면(101)으로부터의 반사광의 광로와 광원(2)으로부터의 출사광의 광로를 분리한다. 편광 빔 스플리터(15)는 광원(2)으로부터의 출사광을 반사하고, 피측정면(101)에 의해 반사된 반사광을 투과시킨다. 위상 판(16)은 편광 빔 스플리터(15)와 미러(5) 사이에 배치되어 있고, 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사된 출사광과 피측정면(101)에 의해 반사된 반사광의 편광 상태를 바꾼다.
미러(5)는 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사된 출사광과 피측정면(101)에 의해 반사된 반사광의 광축 방향을 바꾼다. 구체적으로는, 미러(5)는 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사된 출사광의 광축을 대물 렌즈(3)를 향하게 하고, 피측정면(101)에 의해 반사된 반사광의 광축을 위상 판(16)(즉, 편광 빔 스플리터(15))을 향하게 한다.
미러(5)의 표면에는 금속 피막이 형성되어 있다. 이로써, 일반적인 유전체 다층막으로 생기는 습도의 변화에 의한 편광이나 파장 특성의 변화가 억제될 수 있어서, 안정적인 위치 검출이 가능하게 된다.
콜리메이터 렌즈(6)는 광원(2)과 편광 빔 스플리터(15) 사이에 배치되어, 광원(2)으로부터의 출사광을 평행광으로 전환한다. 콜리메이터 렌즈(7)는 편광 빔 스플리터(15)와 비점수차 발생 수단(8) 사이에 배치된다. 콜리메이터 렌즈(7)는 집광 장치의 구체예이며, 편광 빔 스플리터(15)를 투과한 반사광을 집광하여 집광된 광을 수광부(9)로 안내한다.
그리고, 대물 렌즈(3) 및 콜리메이터 렌즈(6, 7)에는 광원(2)의 파장 변동에 의한 초점 거리의 변동을 받기 어렵게 하는 비색수차(색수차 보정)를 행해도 된다. 이와 같이 함으로써, 광원(2)의 파장이나 온도를 감시할 필요가 없으며, 피측정면(101)의 변위량을 측정한 측정값을 보정할 필요도 없다.
또한, 본 실시예에서, 콜리메이터 렌즈(6)는 광원(2)으로부터의 출사광의 광로 중에 배치되고, 피측정면(101)에 의해 반사된 반사광의 광로 중에 배치된다. 이로써, 출사광의 광로 길이와 반사광의 광로 길이를 임의로 설정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있고, 최적의 부품 배치를 실현할 수 있다. 또한, 콜리메이터 렌즈(6)에 의해, 커플링 효율의 향상을 도모할 수 있고, 콜리메이터 렌즈(7)에 의해, 후술하는 포커스 에러 신호의 특성을 변화시켜, 예를 들면, 대물 렌즈(3)를 변위시키기 위한 서보기구가 구동하는 구동 범위(서보 인입 범위)를 넓히는 것이 가능하다.
비점수차 발생 수단(8)은 콜리메이터 렌즈(7)와 수광부(9) 사이에 배치되어 있고, 피측정면(101)에 의해 반사되어 콜리메이터 렌즈(7)에 의해 집광된 반사광에 비점수차를 발생시킨다. 비점수차 발생 수단(8)은 콜리메이터 렌즈(7)와 수광부(9) 사이의 반사광의 광로 중에 배치된 원통면을 포함하는 광학 부품으로 구성되어 있다. 비점수차 발생 수단으로서는, 일반적으로 원통형 렌즈가 사용되지만, 본 실시예에서는, 구면과 원통면을 복합시킨 다중 렌즈가 사용된다. 따라서, 비점수차의 발생과 출력 신호 파형의 조정이 가능해져, 부품수가 감소될 수 있다.
그리고, 본 실시예의 비점수차 발생 수단(8)은 콜리메이터 렌즈(7)와 수광부(9) 사이의 반사광의 광로 중에 경사지게 배치된 투명한 기판으로 구성될 수도 있다.
수광부(9)는 비점수차 발생 수단(8)에 의해 비점수차가 발생한 반사광의 광량을 검출한다. 수광부(9)는 반사광의 광축과 직교하는 평면 상에 배열된 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)로 구성되어 있다(도 2의 (a) 내지 (c) 참조). 이들 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 입사하는 반사광의 조사 상은, 반사광에 비점수차가 발생하기 때문에, 대물 렌즈(3)와 피측정면(101) 사이의 거리에 따라 변화할 것이다. 이 조사 상(조사 스폿)의 형상에 대해서는 다음에 설명하기로 한다.
위치 정보 생성부(10)는 수광부(9)에 의해 얻어지는 포커스 에러 신호를 사용하여 피측정면(101)의 위치 정보를 생성한다. 위치 정보 생성부(10)는 포커스 에러 신호 생성부(도시되지 않음), 서보 제어 회로(도시되지 않음), 전술한 액츄에이터, 전술한 리니어 스케일, 및 리니어 스케일의 눈금을 판독하는 검출 헤드(도시되지 않음)로 구성되어 있다.
포커스 에러 신호의 값이 "0"일 때, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치는 콜리메이터 렌즈(집광 장치)(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9)의 광축 방향에 따라 결정된다. 본 실시예에서는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치가 피측정면(101)의 뒷쪽에 위치될 때 포커스 에러 신호의 값이 "0"이 되도록, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 광축 방향의 위치가 설정된다.
다음에, 변위 검출 장치(1)에 의한 피측정면(101)의 변위량의 측정에 대하여, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 변위 검출 장치(1)의 수광부에 형성된 조사 상의 예를 각각 나타낸 도면이다. 도 3은 수광부에 의해 검출된 광량으로부터 얻어지는 포커스 에러 신호의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광원(2)으로부터의 출사광은 콜리메이터 렌즈(6)에 의해 평행광으로 전환되고, 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사된다. 광원(2)으로부터 방출되고 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사되는 출사광은 위상 판(16)을 통과하여 원편광으로 전환되고, 이 원편광은 미러(5)에 의해 반사되어, 대물 렌즈(3)로 안내된다. 그 후, 출사광은 대물 렌즈(3)에 의해 피측정면(101)을 향해 집광되어, 피측정면(101)에 의해 반사된 후에 상을 형성한다. 따라서, 피측정면(101) 상의 출사광은 소정의 직경(빔 직경)을 갖게 된다.
피측정면(101)에 의해 반사된 반사광은 대물 렌즈(3)를 통과하여 평행광에 가까워질 수 있지만, 여전히 발산광으로 된다. 그러한 발산광은 미러(5)에 의해 반사되어, 위상 판(16)으로 안내된다. 위상 판(16)을 통과한 반사광은 위상 판(16)을 통과하기 전의 출사광과 직교하는 직선 편광이 되어, 편광 빔 스플리터(15)를 투과한다. 그 후, 반사광은 콜리메이터 렌즈(7)에 의해 집광되고, 비점수차 발생 수단(8)에 의해 비점수차가 발생한 상태로 수광부(9)에 조사된다.
도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 수광부(9)는 반사광의 광축과 직교하는 평면 상에 배열된 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)로 구성되어 있다. 이들 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)는 반사광의 광축 주위에 소정의 간격으로 서로 이격되어 배치되어 있다. 수광 소자(21) 및 수광 소자(23)는 반사광의 광축을 사이에 두고 대향하고 있다. 그리고, 수광 소자(22) 및 수광 소자(24)는 반사광의 광축을 사이에 두고 대향하고 있다.
비점수차가 발생한 반사광이 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 조사되는 영역(즉, 조사 스폿)은 대물 렌즈(3)와 피측정면(101) 사이의 거리에 따라 변화한다. 본 실시예에서는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)가 피측정면(101)의 뒷쪽에 피측정면(101)으로부터 소정 거리(d1)만큼 이격되어 위치될 때, 조사 스폿은 원형이 된다(도 2의 (b)참조). 따라서, 조사 스폿이 원형으로 되는 경우에는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광된 출사광이 피측정면(101)에 의해 반사된 후에 상을 형성한다.
여기서, 조사 스폿이 원형으로 될 때의 대물 렌즈(3)의 위치를 기준 위치로 한다. 본 실시예에서는, 대물 렌즈(3)가 기준 위치보다 피측정면(101)으로부터 멀어질 때, 조사 스폿은 수광 소자(21, 23) 측으로 연장된 타원형으로 되는 반면(도 2의 (a)참조), 대물 렌즈(3)가 기준 위치보다 피측정면(101)에 가까워지면, 조사 스폿은 수고아 소자(22, 24) 측으로 연장된 타원형으로 된다(도 2의 (c)참조).
각각의 수광 소자(21, 22, 23, 24)는 검출된 광을 전기 에너지로 변환(즉, 광전 변환)해 출력 신호를 생성하고, 위치 정보 생성부(10)의 포커스 에러 신호 생성부에 그 출력 신호를 출력한다. 포커스 에러 신호 생성부는 각각의 수광 소자(21, 22, 23, 24)가 출력한 출력 신호로부터 포커스 에러 신호(SFE)를 생성한다. 포커스 에러 신호(SFE)는 대물 렌즈(3)의 기준 위치에 대한 광축 방향에 대한 어긋남을 나타낸다.
각각의 수광 소자(21, 22, 23, 24)의 출력 신호를 출력 신호(A, B, C, D)라 하면, 포커스 에러 신호(SFE)는 다음의 식에 의해 계산될 수 있다.
[식 1]
SFE = (A + C) - (B + D)
식 1에 의해 계산된 포커스 에러 신호(SFE)의 특성은 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 특성 그래프에서, 원점(0)은 대물 렌즈(3)의 기준 위치를 나타내고, 피측정면(101) 상의 출사광의 소정의 직경(빔 직경)이 확실히 얻어질 수 있다. 따라서, 빔 직경보다 작은 면거칠기 및/또는 오물, 미세 먼지 등의 이물질의 부착이 있어도, 포커스 에러 신호(SFE)의 값이 "0"이 되어, 피측정면(101)의 변위량의 측정에 어떠한 영향도 주지 않는다.
위치 정보 생성부(10)의 포커스 에러 신호 생성부는 생성한 포커스 에러 신호(SFE)를 아날로그 디지털 변환하여, 서보 제어 회로에 출력한다. 서보 제어 회로는 포커스 에러 신호(SFE)의 값이 "0"이 되게 하는 구동 신호를 액츄에이터에 출력하여, 액츄에이터의 구동을 제어한다. 이로써, 렌즈 지지부에 고정된 리니어 스케일이 대물 렌즈(3)의 광축 방향으로 이동한다. 또한, 검출 헤드가 리니어 스케일의 눈금을 판독하여, 피측정면(101)의 변위량이 측정된다.
다음으로, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 광축 방향의 위치 설정 절차에 대하여 설명하기로 한다.
본 실시예에서는, 조사 스폿이 원형으로 되어 있는 상태의 수광부(9)(수광 소자(21, 22, 23, 24))가 비점수차 발생 수단(8)에 더 가까워지도록 광축을 따라 이동되면, 조사 스폿은 수광 소자(21, 23) 측으로 연장된 타원형으로 될 것이다(도 2의 (a)참조).
대물 렌즈(3)의 기준 위치를 피측정면(101)에 접근해, 초점 위치(f)를 피측정면(101)의 뒷쪽으로 설정하는 경우에는, 예를 들면, 수광부(9)(수광 소자(21, 22, 23, 24))의 설치 위치는 비점수차 발생 수단(8)으로부터 멀어진다. 그 결과, 설정 전의 수광부(9)의 위치에서 원형이었던 조사 스폿은 수광 소자(21, 23) 측으로 연장된 타원형으로 된다.
서보 제어 회로는 설정 후 수광부(9)의 위치에서의 조사 스폿이 원형으로 되도록(즉, 포커스 에러 신호(SFE)의 값이 "0"이 되도록) 액츄에이터의 구동을 제어한다. 본 실시예에서는, 조사 스폿이 수광 소자(21, 23) 측으로 연장된 타원형으로 되면, 대물 렌즈(3)가 기준 위치보다 피측정면(101)으로부터 더 멀리 위치되는 것으로 판단하기 때문에, 액츄에이터는 대물 렌즈(3)를 피측정면(101)에 접근하도록 구동 제어된다. 그 결과, 대물 렌즈(3)와 피측정면(101) 사이의 상대 거리는 변화될 수 있고, 초점 위치(f)는 피측정면(101)의 뒷쪽에 설정될 수 있다.
상술한 예에서, 수광부(9)(수광 소자(21, 22, 23, 24))의 광축 상의 위치가 조정되어, 초점 위치(f)가 피측정면의 뒷쪽에 설정될 수도 있다. 그러나, 본 발명의 변위 측정 장치로서, 비점수차 발생 수단 또는 집광 장치(콜리메이터 렌즈(7))의 광축 상의 위치를 조정하여, 초점 위치(f)를 피측정면의 뒷쪽에 설정할 수도 있다.
그리고, 비점수차 발생 수단으로서 원통면을 포함한 광학 부품(예를 들면, 원통형 렌즈)이 사용되는 경우에는, 비점수차 발생 수단의 광축 상의 위치가 조정되면, 수광부(9)의 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 조사되는 반사광의 조사 스폿은 변화할 것이다. 따라서, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)를 변위시킬 수 있다.
그러나, 비점수차 발생 수단으로서 기판이 사용되는 경우에는, 비점수차 발생 수단의 광축 상의 위치를 조정하더라도, 수광부(9)의 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 조사되는 반사광의 조사 스폿은 변화하지 않는다. 따라서, 비점수차 발생 수단으로서 기판이 사용되는 경우에는, 수광부나 집광 장치의 광축 상의 위치를 조정하여, 초점 위치(f)가 변위된다.
본 실시예에서, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)는 피측정면(101)의 뒷쪽에 설정된다. 따라서, 피측정면(101)에 의해 반사되어 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광은 발산광이 된다.
도 4는 피측정면 상의 빔 직경과 발산광(수렴광)의 각도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 빔 직경과 발산광의 각도는 비례한다. 그리고, 도 4에 나타낸 빔 직경과 발산광의 각도 사이의 관계(즉, 비례 상수)는 단지 일 예일 뿐이며, 그러한 관계는 초점 거리, 대물 렌즈의 개구수(NA: Numerical aperture) 등에 따라 변화한다.
만일, 피측정면(101)의 빔 직경이 증가되면, 피측정면(101)의 면거칠기 및/또는 균열, 먼지 등의 영향을 감소시킬 수 있다하더라도, 피측정면(101)에 의해 반사되어 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광의 발산 각도는 커질 것이다. 만일, 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광의 발산 각도가 너무 커지게 되면, 그 반사광을 수광부(9)까지 안내하기 위한 편광 빔 스플리터(15), 콜리메이터 렌즈(7) 등과 같은 광학 부품이 대형화될 가능성이 있다. 그러므로, 피측정면(101)의 빔 직경은 편광 빔 스플리터(15), 콜리메이터 렌즈(7) 등과 같은 광학 부품의 크기를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
<2. 변위 검출 장치의 제2 실시예>
다음으로, 본 발명의 변위 검출 장치의 제2 실시예에 대해 도 5를 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 변위 검출 장치(31)의 제2 실시예를 나타낸 블록도이다.
제2 실시예의 변위 검출 장치(31)의 구성은, 대물 렌즈에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치를 제외하고는, 제1 실시예의 변위 검출 장치(1)(도1 참조)의 구성과 동일하다. 따라서, 제2 실시예에서는, 초점 위치에 대하여 설명하고, 변위 검출 장치(1)와 공통되는 구성 부품에는 동일한 참조 부호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
변위 검출 장치(31)에서는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치가 피측정면(101)의 앞쪽(즉, 대물 렌즈(3) 측)에 위치될 때 포커스 에러 신호의 값이 "0"이 되도록, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 광축 방향의 위치가 설정된다.
본 실시예에서는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)가 피측정면(101)의 앞쪽으로서 피측정면(101)으로부터 소정 거리(d2)만큼 이격되어 위치될 때, 조사 스폿은 원형이 된다(도 2의 (b) 참조). 따라서, 조사 스폿이 원형이 되는 경우에는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광이 피측정면(101)의 앞쪽에 상을 형성한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 광원(2)으로부터의 출사광은 콜리메이터 렌즈(6)에 의해 평행광으로 전환되고, 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사된다. 광원(2)으로부터 방출되어 편광 빔 스플리터(15)에 의해 반사되는 출사광은 위상 판(16)을 통과하여 원편광으로 전환되고, 이 원편광은 미러(5)에 의해 반사되어, 대물 렌즈(3)로 안내된다. 그 후, 출사광은 대물 렌즈(3)에 의해 피측정면(101)을 향해 집광되어, 피측정면(101)의 앞쪽에 상을 형성한다.
따라서, 피측정면(101) 상의 출사광은 소정의 직경(빔 직경)을 가지게 된다. 이로써, 피측정면(101)에 빔 직경보다 작은 면거칠기의 형성 및/또는 빔 직경보다 작은 오물, 미세 먼지 등의 이물질의 부착에도 불구하고, 포커스 에러 신호(SFE)의 값은 "0"이 되어, 피측정면(101)의 변위량 측정에 영향을 주지 않는다.
다음으로, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 광축 방향의 위치를 설정하는 절차에 대하여 이하에서 설명한다.
대물 렌즈(3)의 기준 위치가 피측정면(101)으로부터 더 멀리 이동해 초점 위치(f)를 피측정면(101)의 앞쪽에 설정하는 경우에는, 예를 들면 수광부(9)(수광 소자(21, 22, 23, 24))의 설치 위치가 비점수차 발생 수단(8)에 접근한다. 이로써, 설정 전의 수광부(9)의 위치에서 원형이었던 조사 스폿은 수광 소자(22, 24) 측으로 연장된 타원형이 된다.
서보 제어 회로는 설정 후 수광부(9)의 위치에서의 조사 스폿이 원형이 되도록(즉, 포커스 에러 신호(SFE)의 값이 "0"이 되도록), 액츄에이터의 구동을 제어한다. 본 실시예에서는, 조사 스폿이 수광 소자(22, 24) 측으로 연장된 타원형이 되면, 대물 렌즈(3)가 기준 위치보다 피측정면(101)에 접근하여 위치되는 것으로 판단하기 때문에, 액츄에이터는 대물 렌즈(3)를 피측정면(101)으로부터 멀어지게 구동하도록 제어된다. 그 결과, 대물 렌즈(3)와 피측정면(101) 사이의 상대 거리는 변화될 수 있고, 초점 위치(f)는 피측정면(101)의 앞쪽에 설정될 수 있다.
위에서 설명한 예에서는, 수광부(9)(수광 소자(21, 22, 23, 24))의 광축 상의 위치를 조정하여, 초점 위치(f)를 피측정면의 앞쪽에 설정한다. 그러나, 본 발명의 변위 측정 장치로서는, 비점수차 발생 수단 또는 집광 장치(콜리메이터 렌즈(7))의 광축 상의 위치를 조정하여, 초점 위치(f)를 피측정면의 앞쪽에 설정할 수도 있다. 또한, 비점수차 발생 수단으로서 기판이 사용되는 경우에는, 수광부 또는 집광 장치의 광축 상의 위치를 조정하여 초점 위치(f)를 변위시킨다.
본 실시예에서는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)가 피측정면(101)의 앞쪽에 설정되기 때문에, 피측정면(101)에 의해 반사되어 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광은 수렴광이 된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 빔 직경과 수렴광의 각도는 비례한다. 그리고, 도 4에 나타낸 빔 직경과 수렴광의 각도 사이의 관계(즉, 비례 상수)는 단지 일 예일 뿐이며, 그러한 관계는 대물 렌즈의 초점 거리, 대물 렌즈의 개구수(NA: Numerical aperture) 등에 의해 변화한다.
만일, 피측정면(101)의 빔 직경이 증가되면, 피측정면(101)에 의해 반사되어 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광의 수렴 각도는 증가할 것이다. 만일, 대물 렌즈(3)를 통과하는 반사광의 수렴 각도가 커지면, 그 반사광은 대물 렌즈(3)와 수광부(9) 사이에 상을 형성할 가능성이 있다. 그러한 경우에, 반사광이 상을 형성하는 부근에 광학 부품을 배치할 수 없게 된다. 이는, 광학 부품 상에 먼지가 부착되어 있으면, 수광부(9)로 안내되는 반사광에 커다란 영향을 줄 것이기 때문이다.
또한, 반사광의 수렴 각도가 커지면, 반사광을 수렴부(9)로 안내하기 위한 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 등의 렌즈 부품의 렌즈 곡률이 작아지므로, 렌즈가 어긋날 때의 빔 이동 등의 섭동 감도가 높아질 것이다. 그러므로, 피측정면(101) 상의 빔 직경은 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 등의 렌즈 부품의 렌즈 곡률을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
<3. 변위 검출 장치의 제3 실시예>
다음으로, 본 발명의 변위 검출 장치의 제3 실시예에 대하여 도 6을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 변위 검출 장치(41)의 제3 실시예를 나타낸 블록도이다.
제3 실시예의 변위 검출 장치(41)의 구성은, 변위 검출 장치(41)가 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9)를 각각 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구(42, 43, 44)를 더 구비하는 점을 제외하고는, 제1 실시예의 변위 검출 장치(1)(도 1 참조)의 구성과 동일하다. 따라서, 제3 실시예에서는, 슬라이드 기구(42, 43, 44)에 대하여 설명하고, 변위 검출 장치(1)와 공통되는 구성 부품에는 동일한 부호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 변위 검출 장치(41)는 콜리메이터 렌즈(7)를 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구(42), 비점수차 발생 수단(8)을 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구(43), 및 수광부(9)를 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구(44)를 포함한다. 이들 슬라이드 기구(42, 43, 44) 각각은, 예를 들면 콜리메이터 렌즈(7) 등의 광학 부품을 이동시키는 액츄에이터와, 콜리메이터 렌즈(7) 등의 광학 부품의 광축 방향에 대한 이동을 안내하는 가이드부로 구성되어 있다. 슬라이드 기구(42, 43, 44) 각각의 액츄에이터로서는, 예를 들면 가동 코일과 영구 자석, 리니어 모터, 압전 소자 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9)의 광축 상의 위치는 슬라이드 기구(42, 43, 44)에 의해 조정될 수 있다. 이로써, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 위치는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)가 피측정면(101)의 앞쪽이나 뒷쪽에 위치될 때 조사 스폿이 원형이 되도록(도 2의 (b)참조), 설정될 수 있다. 그 결과, 피측정면(101)에 빔 직경보다 작은 면거칠기의 형성 및/또는 빔 직경보다 작은 오물, 미세 먼지 등의 이물질의 부착에도 불구하고, 포커스 에러 신호(SFE)의 값은 "0"이 되어, 피측정면(101)의 변위량 측정에 어떠한 영향도 미치지 않는다.
또한, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 또는 수광부(9)의 위치는, 대물 렌즈(3)에 의해 집광되는 출사광의 초점 위치(f)가 피측정면(101) 상에 위치될 때 조사 스폿이 원형이 되도록(도 2의 (b) 참조), 설정될 수도 있다. 그러한 경우에, 빔 직경을 감소시켜 피측정면(101)의 미세한 형상을 측정하는 것이 유리하다. 즉, 변위 검출 장치(41)는, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9)의 광축 상의 위치를 조정함으로써, 사용 상황에 따라 결정된 정밀도로 피측정면(101)의 변위량 측정을 수행할 수 있다.
본 실시예에서는, 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9)를 각각 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구(42, 43, 44)가 제공되어 있다. 그러나, 본 발명의 변위 검출 장치는 콜리메이터 렌즈(7), 비점수차 발생 수단(8) 및 수광부(9) 중 어느 하나를 광축 방향으로 이동시키기 위한 1개의 슬라이드 기구를 구비하고 있으면 된다.
또한, 비점수차 발생 수단으로서 기판이 사용되는 경우에는, 4개의 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 조사되는 반사광의 조사 스폿이 변하지 않기 때문에, 수광부 또는 집광 장치를 광축 방향으로 이동시키기 위한 슬라이드 기구가 제공된다.
본 발명은 첨부 도면에 나타낸 위에서 설명한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 전술한 실시예에서는 광원(2)으로부터의 출사광이 콜리메이터 렌즈(6)에 의해 평행광으로 전환된다고 하지만, 광원(2)으로부터 출사되어 콜리메이터 렌즈(6)를 통과하는 출사광은 발산광 또는 수렴광이어도 된다.
또한, 전술한 실시예에서는 대물 렌즈(3)가 피측정면(101)에 추종하여 광축 방향으로 이동된다고 하지만, 대물 렌즈(3)는 케이스(11)에 고정될 수 있어서, 포커스 에러 신호를 사용하여 절대 위치 정보가 생성될 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 광원(2)이 케이스(11)에 탈착가능하게 장착되어 있다. 그러나, 본 발명의 변위 검출 장치에서, 광원(2)은 케이스(11) 내부에 배치되는 대신에, 케이스(11)로부터 이격된 위치에 배치될 수도 있어서, 광이 광섬유를 통하여 케이스(11)에 공급될 수 있다.
이로써, 열원이 되는 광원(2)은 케이스(11)로부터 떨어져 배치되어, 케이스(11) 내의 온도의 상승이 방지될 수 있다. 또한, 광원(2)을 광섬유에 착탈가능하게 장착함으로써, 케이스(11)로부터 이격된 장소에서 광원(2)을 교환할 수 있어, 유지보수성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 변위 검출 장치에서, 광원(2)은 케이스(11)로부터 이격된 위치에 배치될 수도 있고, 광원(2)으로부터의 출사광은 기체, 액체 또는 진공의 공간을 통하여 케이스(11)에 공급될 수 있다.
이로써, 열원이 되는 광원(2)이 케이스(11)로부터 떨어져 배치될 수 있는 동시에, 광섬유 등의 케이스(11)에 연결된 부재가 제거되어, 케이스(11)에 어떠한 진동도 전달되지 않게 할 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서는, 수광부(9)가 비점수차 발생 수단(8)에 의해 비점수차가 발생한 반사광을 직접 검출한다. 그러나, 본 발명의 변위 검출 장치는 비점수차가 발생한 반사광을 광섬유를 통해 수광부(9)로 안내할 수 있다.
이로써, 수광부(9)의 설치 위치가 자유롭게 결정될 수 있으므로, 수광부(9)와 위치 정보 생성부(10)(포커스 에러 신호 생성부)는 서로 근접하여 배치될 수 있다. 그 결과, 전기 통신 거리의 단축을 도모하여, 응답 속도가 고속화될 수 있다.
또한, 본 발명의 변위 검출 장치에서는, 대물 렌즈(3)와 수광부(9) 사이의 광로 상에 조리개가 배치되어, 피측정면(101)으로부터의 특정한 반사광이 차단될 수 있다.
예를 들면, 조리개는 피측정면(101) 상의 이물질 및/또는 피측정면의 요철에 의한 회절광(미광)이 수광부(9)에 입사되는 것을 방지한다. 그 결과, 대물 렌즈(3)의 디포커스량에 대한 수광 소자(21, 22, 23, 24)에 의해 반사된 광량의 합신호를 정확히 제어할 수가 있다.
또한, 본 발명의 변위 검출 장치에서는, 편광 빔 스플리터(15)와 수광부(9) 사이의 광로 상에 광 산란체(예를 들면, 젖빛 유리 등)가 배치될 수 있다.
이로써, 수광부(9)에 입사하는 반사광의 광축 방향에 수직인 단면 내에 있어서 균일한 광강도 분포를 얻을 수 있으므로, 피측정면(101)의 면거칠기의 영향이 저감될 수 있다.
또한, 전술한 광 산란체를, 예를 들면 산란 방향을 다양하게 변화시키기 위해 1kHz의 주파수로 진동시키면, 수광 소자(21, 22, 23, 24) 상의 스페클(speckle)이 평균화되어, 스페클 컨트라스트(speckle contrast)가 감소될 수 있다.
또한, 피측정면(101)에, 광원(2)으로부터의 출사광을 반사시키기 위한 미러 처리가 행해질 수 있다. 그러한 처리를 수행함으로써, S/N비가 높은 신호로부터 위치 정보를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 피측정면을 가지는 피측정물에, 광원(2)으로부터의 출사광과 동일한 파장의 광을 반사시키는 회절 격자가 형성될 수 있다. 이러한 피측정면은 전술한 실시예의 변위 검출 장치와, 표면 방향의 위치를 검출하기 위해 회절광을 수광하는, 이른바 "리니어 스케일"을 조합하여 구성된 변위 검출 장치에 의해 측정되는 것이 바람직하다. 이로써, 3차원 방향의 변위 검출이 가능해진다.
또한, 피측정물에 회절 격자를 형성하는 경우에는, 광원(2)으로부터의 출사광을 반사시키기 위한 반사막이 회절 격자의 표면 상에 형성될 수 있어, 그 반사막은 피측정면으로서 역할을 한다. 전술한 실시예의 변위 검출 장치는 반사막에 의해 형성된 피측정면으로부터의 반사광을 검출함으로써, 높이 방향의 변위를 검출한다. 이 때, 광원(2)으로부터 출사된 출사광에는 회절 격자에 의한 회절광이 생기지 않으므로, 정확한 변위 검출이 가능하다. 그리고, 리니어 스케일은 반사막을 투과하는 광원을 사용함으로써 회절광 등을 검출한다.
또한, 반사막에 의해 형성된 피측정면은 회절 격자의 뒷쪽에 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 광원(2)으로부터 출사된 광이 회절 격자를 형성하는 재료를 투과하고, 리니어 스케일에 사용하는 광은 회절 격자에 의한 회절광이 된다.

Claims (2)

  1. 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 출사광을 피측정면을 향해 집광하는 대물 렌즈;
    상기 피측정면으로부터의 반사광의 광로를 상기 광원으로부터의 상기 출사광의 광로와 분리하는 분리 광학계;
    상기 분리 광학계에 의해 상기 출사광의 광로로부터 분리된 상기 반사광을 집광 장치;
    상기 집광 장치에 의해 집광되는 상기 반사광에 비점수차를 발생시키는 비점수차 발생 수단;
    상기 비점수차 발생 수단에 의해 상기 비점수차가 발생한 상기 반사광의 광량을 검출하는 수광부; 및
    상기 수광부에 의해 검출된 상기 반사광의 광량으로부터 얻어지는 포커스 에러 신호를 사용하여 상기 피측정면의 위치 정보를 생성하는 위치 정보 생성부
    를 포함하고,
    상기 집광 장치, 상기 비점수차 발생 수단 또는 상기 수광부의 광축 상의 위치는, 상기 대물 렌즈에 의해 집광된 상기 출사광의 초점이 상기 피측정면의 앞쪽이나 뒷쪽에 위치될 때 상기 포커스 에러 신호의 값이 "0"이 되도록, 설정되는,
    변위 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광 장치, 상기 비점수차 발생 수단 및 상기 수광부 중 어느 하나를 광축 방향으로 이동시키는 이동 기구를 더 포함하는 변위 검출 장치.
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