KR20110139674A - 변위 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변위 검출 장치에 관한 것으로, 본 변위 검출 장치는 광원, 광원으로부터 출사된 광을 제1 빔 및 제2 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터, 제1 빔을 반사하는 반사 부재, 피측정면 상에 제2 빔을 집광하는 대물 랜즈, 반사된 제1 빔과 반사된 제2 빔의 간섭광을 수광하는 제1 수광부, 피측정면의 높이 방향의 상대 위치 정보를 출력하는 상대 위치 정보 출력부, 반사된 제2 빔의 일부를 추출하는 제2 빔 스플리터, 추출된 제2 빔에 비점수차를 발생시키는 비점수차 발생 수단, 비점수차가 발생한 제2 빔을 수광하는 제2 수광부, 및 피측정면의 높이 방향의 절대 위치 정보를 발생시키는 절대 위치 정보 출력부를 포함한다.

Description

변위 검출 장치{DISPLACEMENT DETECTING DEVICE}

본 발명은 광을 사용한 비접촉 센서에 의하여 고정밀도로 피측정면의 변위를 검출하기 위한 변위 검출 장치에 관한 것이다.

본 발명은 2010년 6월 23일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2010-142291에 대한 내용을 포함하며, 그 내용 전부는 본 명세서에서 참조로서 원용되고 있다.

종래에는, 변위 검출 장치가 피측정면의 변위 및 형상을 측정하기 위해 널리 이용되고 있다.

이들 변위 검출 장치 중에서, 광을 사용함으로써 비접촉 방식으로 피측정면의 변위를 검출하는 변위 검출 장치가 있다. 이러한 변위 검출 장치에서는, 예를 들면, 광원으로부터 출사된 광이 대물 렌즈에 의해 피측정면에 집광된다. 그리고, 피측정면에 의해 반사된 광은 비점수차가 발생하도록 비점수차 광학 소자에 의해 집광되어, 비점수차가 발생한 광은 수광 소자에 입사된다.

수광 소자에 의해 수광된 광의 강도에 따라, 포커스 에러 신호가 비점수차법에 의해 생성되고, 집광되는 광의 초점 위치가 피측정면에 위치되도록 서보가 대물 렌즈를 변위시킨다.

또한, 대물 렌즈에는 연결 부재를 통하여 리니어 스케일이 일체로 장착되어 있어서, 리니어 스케일도 대물 렌즈의 변위에 연동하여 이동한다. 이 이동하는 리니어 스케일의 눈금은 정점에 고정된 검출 헤드에 의해 판독되어, 피측정면의 높이 방향의 변위가 검출된다.

그러나, 이러한 변위 검출 장치에서는, 포커스 에러 신호 자체의 직선성이 나쁘기 때문에, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 없다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에서는, 보정 테이블을 사용하여 비접촉 센서의 포커스 에러 신호를 보정하는 방법이 제안되어 있다.

일본공개특허 제1993-89480호에 개시된 변위 검출 장치에서는, 변위 검출의 고정밀도화를 도모하기 위해, 대물 렌즈의 개구수(NA: Numerical Aperture)를 크게 하여, 피측정면에 집광되는 광빔의 직경을 작게 하고 있다. 예를 들면, 피측정면에 형성되는 광빔 직경이 약 2㎛일 때, 리니어 스케일의 검출 정밀도는 수 ㎚ 내지 수백 ㎚ 정도가 될 것이다.

그러나, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 변위 검출 장치에서는, 피측정면에 결상된 광의 빔 직경을 작게 함으로써, 고분해능화가 얻어진다. 그러므로, 피측정면으로부터의 반사광은 면거칠기의 영향을 받기 쉬워, 피측정면에 결상된 광이 산란됨으로써 측정 오차가 생긴다.

또한, 빔 직경을 작게 함으로써 고분해능화가 얻어지기 때문에, 피측정면에 부착된 미세한 이물질 등이 검출되는 경우가 있으므로, 피측정면의 변위나 형상 등의 변위 정보가 항상 정확하게 얻어질 수 있는 것은 아니다.

또한, 틸트 기구를 가진 초정밀 위치 결정 스테이지가 최근의 반도체 제조 장치나 검사 장치 등에 사용되고 있다. 이러한 초고정밀 위치 결정 스테이지에서는, 센서 자체의 발열을 억제하면서, 고속으로 높이 방향의 계측을 행하는 것이 요구된다.

그러나, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 변위 검출 장치와 같은 종래의 변위 검출 장치에서는, 빔의 결상이 항상 피측정면에 위치되도록 제어를 행하는 것이 필요하다.

그러므로, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 기술에서는, 예를 들면 자석과 코일을 사용한 액츄에이터와 같은 구동 기구에 의해 대물 렌즈가 그 광축 방향으로 상하 운동하지만, 액츄에이터의 구조 및 질량으로 인해, 대물 렌즈의 상하 운동의 기계적 응답 주파수가 제한된다.

또한, 코일 등이 구동되기 때문에, 대물 렌즈는 열을 받게 되어, 측정 위치가 드래프트될 것이다.

전술한 이유로 인해, 종래의 방법에 있어서, 그 사용 조건이 제한된다.

전술한 문제점을 고려하여, 본 발명의 목적은 넓은 사용 조건을 가지며 고정밀도로 높이 방향의 위치를 검출할 수 있는 변위 검출 장치를 제공하는데 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따른 변위 검출 장치는 광원, 광원으로부터 출사되는 광을 제1 빔 및 제2 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터, 및 제1 빔 스플리터에 의해 분할된 제1 빔을 반사하는 반사 부재를 포함한다.

또한, 상기 변위 검출 장치는 제1 빔 스플리터에 의해 분할된 제2 빔을 피측정면에 집광하는 대물 렌즈, 및 반사 부재에 의해 반사된 제1 빔과 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 간섭광을 수광하는 제1 수광부를 더 포함한다.

또한, 상기 변위 검출 장치는 제1 수광부에 의해 수광된 간섭광의 강도에 따라 피측정면의 높이 방향의 상대 위치 정보를 출력하는 상대 위치 정보 출력부를 더 포함한다.

또한, 상기 변위 검출 장치는 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 일부를 추출하는 제2 빔 스플리터, 및 제2 빔 스플리터에 의해 추출된 제2 빔에 비점수차를 발생시키는 비점수차 발생 수단을 더 포함한다.

그리고, 상기 변위 검출 장치는 비점수차 발생 수단에 의해 비점수차가 발생한 제2 빔을 수광하는 제2 수광부, 및 제2 수광부에 의해 검출된 수광 강도에 따라 피측정면의 높이 방향의 절대 위치 정보를 생성하여, 생성된 절대 위치 정보를 출력하는 절대 위치 정보 출력부를 더 포함한다.

본 발명에 따른 변위 검출 장치에 의하면, 상대 위치 정보는 피측정면으로부터의 반사광과 반사 부재로부터의 반사광의 간섭광에 의해 구해진다. 다시 말해, 피측정면의 높이에 따라 주기적으로 변화하는 간섭광의 강도는 스케일로 사용된다.

또한, 본 발명에 따른 변위 검출 장치에 의하면, 절대 위치 정보는 피측정면으로부터의 반사광에 의해 출력된다. 이로써, 간섭광에 의해 형성된 전술한 스케일의 기준점 및 기준 위치는 절대 위치 정보에 의해 결정되어, 피측정면의 변위가 정확하게 검출될 수 있다.

본 발명에 따른 변위 검출 장치에 의하면, 상대 위치 정보는 피측정면으로부터의 반사광과 반사 부재로부터의 반사광의 간섭광에 의해 구해지며, 절대 위치 정보는 피측정면으로부터의 반사광에 의해 구해진다.

따라서, 종래의 미세가공된 스케일을 이용하지 않고도 변위가 검출될 수 있다. 또한, 종래 기술에서와 같이 스케일을 대물 렌즈와 연동하여 구동시킬 필요도 없다.

종래의 구동 기구가 필요 없기 때문에, 사용 중에 발생되는 열은 감소될 수 있다. 또한, 구동 기구가 필요 없기 때문에, 응답 주파수에 대한 문제가 없어, 사용 조건을 넓게 하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 상대 위치 정보 출력부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 각각 제2 수광부에 의해 수광된 광의 스폿을 나타낸 도면이다.
도 4는 포커스 에러 신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변위 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 변위 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하에서는, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변위 검출 장치가 설명되지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

또한, 아래에 설명되는 각종 렌즈는 단일 렌즈이거나 렌즈군이어도 된다.

또한, 본 발명에서는, 실시예에 상관없이, 광원으로서 단일 모드의 반도체 레이저가 사용되면, 고간섭성의 광빔이 출사되기 때문에, 계측 범위가 넓어질 수 있다. 이 경우에는, 광원의 온도를 제어하여, 출사되는 광의 파장을 안정시키는 것이 바람직하다.

또한, 광원으로서 다중 모드의 반도체 레이저가 사용되면, 다중 모드의 반도체 레이저로부터 출사된 광의 간섭성이 단일 모드의 반도체 레이저로부터 출사된 광의 간섭성보다 낮기 때문에, 수광 소자의 수광면 상의 스페클(speckle)은 억제될 것이다. 그러나, 이 경우에는, 계측 범위는 가간섭 거리가 된다.

또한, 광원은 변위 검출 장치의 본체에 탈착가능하게 장착되는 것이 바람직하다. 이로써, 광원의 수명이 다하거나, 광원의 파장 변화가 요구될 때, 광원을 교환하는 것이 용이해진다.

또한, 광원은 광섬유 등을 통해 광을 공급하는 외부 광원이어도 된다. 이러한 경우에, 열원이 되는 광원은 외부로 옮겨질 수 있다. 또한, 광원을 광섬유에 탈착가능하게 장착함으로써, 광원은 변위 검출 장치로부터 이격된 장소에서 유지 보수가 가능하므로, 작업성이 향상될 수 있다.

또한, 광원으로부터의 광은 기체, 액체, 진공 등의 공간을 통하여 외부로부터 공급될 수도 있다. 이 경우에는, 열원이 장치 본체로부터 분리될 수 있을 뿐만 아니라, 광 섬유 등의 장치 본체에 연결된 부재도 제거될 수 있어서, 장치의 본체에 어떠한 진동도 전달되지 않는다.

또한, 온도 변화에 의한 광원의 파장 변동의 영향을 감소시키기 위해, 예를 들면 대물 렌즈로서 색지움 렌즈를 사용하여 색수차 보정을 행하는 것이 바람직하다.

1. 제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 검출 장치(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 변위 검출 장치(100)는 광원(1), 광원(1)으로부터 출사되는 광을 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터(3), 및 제1 빔 스플리터(3)에 의해 분할된 제1 빔을 반사시키는 반사 부재(8)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(100)는 제1 빔 스플리터(3)에 의해 분할된 제2 빔을 피측정물(9)의 피측정면 상에 집광시키는 대물 렌즈(5), 및 반사 부재(8)에 의해 반사된 제1 빔과 피측정물의 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 간섭광을 수광하는 제1 수광부(30)를 더 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(100)는 제1 수광부(30)에 의해 반사된 간섭광의 강도에 따라 피측정물(9)의 피측정면의 높이 방향의 변위를 출력하는 상대 위치 정보 출력부(60)를 더 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(100)는 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 일부를 추출하는 제2 빔 스플리터(20), 및 제2 빔 스플리터(20)에 의해 추출된 제2 빔에 비점수차를 발생시키는 비점수차 발생 수단(10)을 더 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(100)는 비점수차 발생 수단(10)에 의해 비점수차가 발생한 제2 빔을 수광하는 제2 수광부(40), 및 제2 수광부(40)에 의해 검출된 수광 강도에 따라 피측정면의 높이 방향의 절대 위치 정보를 생성하여, 생성된 절대 위치 정보를 출력하는 절대 위치 정보 출력부(50)를 더 포함한다.

광원(1)은, 예를 들면 반도체 레이저 다이오드, 고휘도 발광 다이오드, 발광 다이오드 등으로 구성될 수 있다. 그리고, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는, 광원으로부터의 광의 간섭광을 사용하여 계측을 행하기 때문에, 광원으로부터의 광의 간섭 거리가 길수록, 계측 범위는 넓어진다.

광원(1)으로부터 출사된 광은 콜리메이터 렌즈 등의 렌즈(2)에 의해, 예를 들면 평행광으로 시준(collimated)된다. 또한, 렌즈(2)에 의해 시준된 광은, 예를 들면 편광 빔 스플리터 등의 제1 빔 스플리터(3)에 의해 2개의 빔으로 분할된다.

예를 들면, 광원(1)으로부터의 광 중, s-편광은 제1 빔 스플리터(3)에 의해 반사되고, p-편광은 제1 빔 스플리터(3)를 투과한다.

s-편광으로 구성되어, 제1 빔 스플리터(3)에 의해 반사되는 제1 빔은 집광 렌즈(7)에 의해, 예를 들면 미러 등의 반사 부재(8)에 집광된다. 반사 부재(8)의 광 반사막은 금 등의 금속으로 구성되어 있다. 그러므로, 일반의 유전체 다층으로 이루어진 반사막에 비하여, 습도의 변화에 의한 편광의 파장 및 특성의 변화가 억제될 수 있으므로, 안정된 위치 검출을 행하는 것이 가능하다.

반사 부재(8)에 의해 반사된 제1 빔은 다시 집광 렌즈(7)를 통해 제1 빔 스플리터(3)에 입사된다. 그리고, 제1 빔 스플리터(3)와 반사 부재(8) 사이의 광로 상에는, 예를 들면 1/4 파장판 등의 위상 판(6)이 배치되어 있다. 따라서, 제1 빔은 반사 부재(8) 쪽으로 가다가 반사 부재(8)로부터 되돌아오는 동안, 위상 판(6)을 2회 투과함에 따라, 그 편광 방향이 90°로 회전되어, 제1 빔은 p-편광으로 전환된다.

그리고, p-편광으로 전환된 제1 빔은 제1 빔 스플리터(3)를 투과하여, 집광 렌즈(11)에 입사된다.

한편, p-편광으로 구성되어, 제1 빔 스플리터(3)를 투과하는 제2 빔은, 예를 들면 1/4 파장판 등의 위상 판(4)을 투과함으로써, 원편광이 되고, 이 원편광은 대물 렌즈(5)에 의해 피측정물의 피측정면에 집광된다. 대물 렌즈(5)의 NA 값이 클수록, 해상도가 높아지며, 대물 렌즈(5)의 NA 값이 작을 수록, 피측정면의 측정 범위가 넓어진다.

그리고, 대물 렌즈에 의해 집광된 제2 빔은 피측정면 상에 반드시 상을 형성할 필요는 없다.

피측정면 상의 스폿 직경을 크게 하기 위해 측정면으로부터 상 위치를 이동시킴으로써, 피측정면의 면거칠기나 피측정면 상에 부착된 이물질 등에 의한 측정 오차의 영향은 감소될 수 있다. 또한, 일본공개특허 제1993-89480호 공보에 개시된 기술에서는, 광이 피측정면 상에 상을 형성하기 위해, 대물 렌즈가 피측정면을 따라 상하 방향으로 움직이게 된다. 이와 반대로, 본 실시예에서의 대물 렌즈(5)는 변위 검출 장치(100) 내에 고정된다.

따라서, 제2 빔의 상이 대물 렌즈(5)에 의해 형성될 수 있는 위치는 피측정면의 절대 변위를 구하기 위한 기준점으로 할 수 있다.

피측정면에 입사한 제2 빔은 반사되어, 다시 대물 렌즈(5)를 통해 1/4 파장판 등의 위상 판(4)에 입사된다. 제2 빔은 위상 판(4)에 의해 원편광에서 s-편광으로 전환되어, 제1 빔 스플리터(3)에 의해 반사된다.

그리고, 제1 빔 스플리터(3)에 의해 반사된 제2 빔은 집광 렌즈(11)에 입사된다.

그리고, 제1 빔 스플리터(3)와 반사 부재(8) 사이의 광로 길이와 제1 빔 스플리터(3)와 대물 렌즈(5)에 의해 집광된 제2 빔의 초점 위치 사이의 광로 길이(즉, 제1 빔 스플리터(3)와 절대 변위를 계측하기 위한 기준점 사이의 광로 길이)는 동등하게 하는 것이 바람직하다.

이로써, 압력, 습도 및 온도의 변화에 의한 광원의 파장 변동이 있더라도, 제1 빔이 받는 영향과 제2 빔이 받는 영향을 동등하게 하는 것이 가능하다. 따라서, 후술하는 제1 수광부에 의해 수광되는 제1 빔과 제2 빔의 간섭광의 강도를 주위 환경에 상관없이 안정시킬 수 있어서, 보다 정확한 계측이 가능하다.

집광 렌즈(11)를 투과하는 제1 빔 및 제2 빔은 각각 제2 빔 스플리터(20)에 의해 2개의 빔으로 분할된다.

본 실시예에서, 제2 빔 스플리터(20)는, 예를 들면 빔 스플리터(12)와 편광판(21)으로 구성된다.

빔 스플리터(12)에 의해 반사된 제1 빔 및 제2 빔은 이들 빔이 수광되는 수광부(20)에 입사된다.

또한, 빔 스플리터(12)를 투과하는 제1 빔 및 제2 빔은 편광판(21)을 투과함으로써, 피측정물(9)로부터의 반사광인 제2 빔만이 수광부(40)에 의해 수광된다.

제1 수광부(30)는 빔 스플리터(12)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔을 2개의 빔으로 분할하는 하프 미러(half mirror)(31) 및 하프 미러(31)에 의해 분할된 2개의 빔 중 하나의 빔을 또 2개의 빔으로 분할하는 편광 빔 스플리터(32)를 포함한다. 또한, 제1 수광부(30)는 편광 빔 스플리터(32)에 의해 분할된 2개의 빔을 각각 수광하는 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)를 더 포함한다.

또한, 제1 수광부(30)는 하프 미러(31)에 의해 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔의 광로 상에 배치된 1/4 파장판 등의 위상 판(35), 및 위상 판(35)을 투과한 빔을 2개의 빔으로 분할하는 편광 빔 스플리터(36)를 더 포함한다. 또한, 제1 수광부(30)는 편광 빔 스플리터(36)에 의해 분할된 2개의 빔을 각각 수광하는 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)를 더 포함한다.

하프 미러(31)에 입사된 제1 빔 및 제2 빔은 각각 분할된다.

하프 미러(31)를 투과한 제1 빔 및 제2 빔은 편광 빔 스플리터(32)에 입사된다. 편광 빔 스플리터(32)는 90°로 서로 상이한 제1 빔의 편광 방향과 제2 빔의 편광 방향이 편광 빔 스플리터(32)의 입사면에 대해 45°의 각도로 경사지도록 비스듬하게 배치된다.

이로써, 제1 빔과 제2 빔 모두는 편광 빔 스플리터(32)에 대하여 p-편광 성분과 s-편광 성분을 갖는다. 따라서, 편광 빔 스플리터(32)를 투과한 제1 빔 및 제2 빔은, 예를 들면 편광 방향이 동일한 p-편광이 되므로, 제1 빔과 제2 빔은 서로 간섭할 수 있다.

마찬가지로, 편광 빔 스플리터(32)에 의해 반사된 제1 빔 및 제2 빔은 편광 빔 스플리터(32)에 대하여 편광 방향이 동일한 s-편광이 되므로, 제1 빔과 제2 빔은 서로 간섭할 수 있다.

편광 빔 스플리터(32)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔의 간섭광은 제1 수광 소자(33)에 의해 수광된다. 또한, 편광 빔 스플리터(32)를 투과한 제1 빔과 제2 빔의 간섭광은 제2 수광 소자(34)에 의해 수광된다.

또한, 제1 수광 소자(33)와 제2 수광 소자(34)에 의해 광전 변환되는 신호의 위상은 180°로 서로 상이하다.

제1 수광 소자(33)와 제2 수광 소자(34)에서는, "Acos(Kx+δ)"의 간섭 신호가 얻어진다. "A"는 간섭 신호의 진폭이고, "K"는 "2π/Λ"로 나타내어지는 파수이며, "Λ"은 광원(1)의 파장이다.

또한, "x"는 피측정물(9)의 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 광로 길이의 변화량을 나타내며, 제2 빔의 광로 길이는 피측정면의 형상에 따라 변화한다.

반사 부재(8)가 고정되어 있으므로, 제1 빔의 광로 길이는 변화하지 않는다. 따라서, 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)에서는, 피측정면의 형상에 따라 제2 빔의 광로 길이가 Λ/2만큼 변화할 때마다, 1 주기의 광의 명암이 생기는 간섭광이 수광된다.

한편, 하프 미러(31)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔은, 1/4 파장판 등의 위상판(35)에 입사한다. 서로 편광 방향이 90°로 상이한 직선 편광인 제1 빔과 제2 빔은 위상판(35)을 투과함으로써, 서로 역회전 방향의 2개의 원편광으로 된다.

또한, 이 서로 역회전 방향의 2개의 원편광은 동일 광로 상에 위치되어 중첩되므로, 직선 편광이 되고, 이 직선 편광은 편광 빔 스플리터(36)에 입사한다.

이 직선 편광의 s-편광 성분은 편광 빔 스플리터(36)에 의해 반사되어, 제3 수광 소자(37)에 의해 수광된다. 또한, p-편광 성분은, 편광 빔 스플리터(36)를 투과하고, 제4 수광 소자(38)에 의해 수광된다.

편광 빔 스플리터(36)에 입사하는 직선 편광은 서로 역회전 방향의 2개의 원편광을 중첩시킴으로써 생긴다. 따라서, 제2 빔의 광로 길이가 변화되어, 제1 빔과 제2 빔의 위상이 서로 어긋나면, 중첩된 직선 편광의 편광 방향은 회전할 것이다.

제2 빔의 광로 길이가 Λ/2만큼 변화하면, 직선 편광은 정확히 180°로 회전한다. 따라서, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)에서는, 제2 빔의 광로 길이가 Λ/2로 변화할 때마다, 1 주기의 광의 명암이 생기는 간섭광이 수광되고, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)에 의해 광전 변환되는 신호는 "Acos(Kx＋δ')"로 표현된다. 여기서, "δ'"은 초기 위상이다.

또한, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)에 의해 광전 변환되는 신호의 위상은 서로 180°로 상이하다.

그리고, 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)에 의해 수광되는 빔을 분할하는 편광 빔 스플리터(36)는 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)에 의해 수광되는 빔을 분할하는 편광 빔 스플리터(32)에 대하여 45°경사지게 배치되어 있다.

그러므로, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)에 의해 얻어지는 신호의 위상은 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)에 의해 얻어지는 신호의 위상에 대하여, 90°만큼 어긋나 있다.

따라서, 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)에 의해 얻어지는 신호를 sin 신호로, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)를 cos 신호로 사용함으로써 리서쥬 신호(Lissajous signal)를 얻을 수 있다.

이들의 수광 소자에 의해 얻어지는 신호는 상대 위치 정보 출력부(60)에 의해 계산되어, 피측정면의 변위량이 카운트된다.

예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상대 위치 정보 출력부(60)에서는, 제1 수광 소자(33) 및 제2 수광 소자(34)에 의해 얻어진 위상이 서로 180°로 상이한 신호는 차동 증폭기(61a)에 의해 차동 증폭되어, 간섭 신호의 직류 성분이 캔슬된다.

그리고, 이 신호는 A/D 변환기(62a)에 의해 A/D 변환되고, 파형 보정 처리부(63)에 의해 신호 증폭, 오프셋 및 위상이 보정된다. 이 신호는, 예를 들면 A-상의 증분 신호로서 증분 신호 발생기(64)에서 연산된다.

마찬가지로, 제3 수광 소자(37) 및 제4 수광 소자(38)로 언어진 신호는 차동 증폭기(61b)에 의해 차동 증폭되어, A/D 변환기(62b)에 의해 A/D 변환된다. 그리고, 파형 보정 처리부(63)에 의해 신호의 신호 증폭, 오프셋 및 위상이 보정되고, 이 위상은 위상이 A-상의 증분 신호의 위상과 상이한 B-상의 증분 신호로서 증분 신호 발생기(64)로부터 출력된다.

이와 같이하여 얻어진 2상의 증분 신호는 펄스 식별 회로(pulse discrimination circuit) 등(도시되지 않음)에 의해 정역의 판별이 행해지고, 이로써, 피측정면의 높이 방향의 변위량이 양의 방향인지 음의 방향인지를 검출할 수 있다.

또한, 카운터(도시되지 않음)에 의해 증분 신호의 단위 시간당 위상 변화를 카운트함으로써, 제1 빔과 제2 빔의 간섭광 강도가 전술한 주기의 무슨 주기분 변화된 것인지를 계측할 수 있다. 따라서, 이로써 피측정면의 높이 방향의 변위량이 검출될 수 있다.

그리고, 본 실시예의 상대 위치 정보 출력부(60)에 의해 출력된 상대 위치 정보는 전술한 2상의 증분 신호이어도 되고, 2상의 증분 신호에 따라 산출된 변위량, 변위 방향을 포함하는 신호이어도 된다.

다음에, 제2 빔 스플리터(20)에 의해 분할되는 두 빔 중 다른 한쪽의 빔, 즉 빔 스플리터(12)를 투과한 빔에 대하여 설명한다.

빔 스플리터(12)를 투과한 제1 빔과 제2 빔의 광로 상에는, 제2 빔만을 투과시키는 편광판(21)이 배치되어 있다. 이로써, 피측정물(9)의 측정면으로부터의 반사광인 제2 빔만이 추출되어, 오프셋 광량이 제거된다.

또한, 이 편광판(21) 상에 크롬막 또는 유전체 다층막 등을 형성함으로써, 편광판은 빔 스플리터로서의 기능도 할 수 있다.

이 경우에는, 빔 스플리터(12) 및 편광판(21)의 기능이 1개의 부품에 의해 이루어지기 때문에, 부품수가 감소될 수 있다.

그리고, 편광판(21)을 투과한 제2 빔은 제2 수광부(40)에 입사한다.

또한, 제2 수광부(40)에 입사하는 제2 빔에는, 비점수차 발생 수단(10)에 의해 비점수차가 발생된다.

본 실시예에서는, 집광 렌즈(11)에 의해 집광되는 제1 빔 및 제2 빔의 광로 상에 빔의 광축에 대하여 경사진 빔 스플리터(12)를 배치함으로써, 빔 스플리터(12)를 투과한 빔에 비점수차가 발생되고 있다.

원통형 렌즈를 배치함으로써 비점수차를 발생시켜도 되지만, 본 실시예에서는, 빔 스플리터(12)는 빔을 두 방향으로 분할하는 동시에 비점수차도 발생시키고 있어 부품수를 감소시킬 수 있으므로, 바람직하게 사용될 수 있다.

제2 수광부(40)는, 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 제5 수광 소자(41), 제6 수광 소자(42), 제7 수광 소자(43) 및 제8 수광 소자(44)를 포함한다. 제2 수광부 상에 형성되는 제2 빔의 스폿의 형상은 피측정면의 높이 방향의 위치에 따라 변화한다.

예를 들면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제2 수광부(40) 상에 조사되는 제2 빔의 초점이 피측정면보다 위쪽에 위치되는 경우에는, 제2 수광부(40) 상의 제2 빔의 스폿(A1)은 타원형이 된다.

또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 피측정면 상에 조사되는 제2 빔의 초점이 피측정면 상에 위치되는 경우에는, 제2 수광부(40) 상의 제2 빔의 스폿(A2)은 원형이 된다.

또한, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 피측정면 상에 조사되는 제2 빔의 초점이 피측정면보다 아래쪽에 위치되는 경우에는, 제2 수광부(40) 상의 제2 빔의 스폿(A3)은, 타원형 스폿(A1)과 비교하여 장축 방향이 90°회전된 타원형이 된다.

수광 소자(41), 수광 소자(42), 수광 소자(43) 및 수광 소자(44)의 출력 신호를 각각 A, B, C 및 D로 하면, 피측정면 상에 조사되는 제2 빔의 초점 위치로부터의 어긋남을 나타낸 포커스 에러 신호(S_FE)는 하기 식(1)으로 표현된다.

S_FE = (A + C) - (B + D) (1)

도 4는 식(1)에 의해 얻어진 포커스 에러 신호의 특성을 나타낸다. 도 4에서, 가로축은 피측정면의 높이 방향의 위치이며, 세로축은 포커스 에러 신호이다.

점B에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 피측정면 상에 조사되는 제2 빔의 초점이 피측정면 상에 위치될 때, 포커스 에러 신호는 0이 된다.

본 실시예에서는, 대물 렌즈(5)는 고정되어 있기 때문에, 피측정면 상에 조사되는 제2 빔의 초점 위치는 일정하게 유지된다. 따라서, 포커스 에러 신호가 0이 될 때 피측정면의 높이는 항상 같으므로, 포커스 에러 신호가 0이 되는 위치는 변위 검출에서의 기준점으로서 사용될 수 있다.

이 포커스 에러 신호를 얻기 위한 연산부는 제2 수광부(40)에 내장되어 있어도 되고, 절대 위치 정보 출력부(50) 내에 설치해도 된다. 또한, 절대 위치 정보 출력부(50)는 포커스 에러 신호를 A/D 변환하고, 그 변환된 값을 출력한다.

그리고, 빔 스플리터(12)와 제2 수광부(40) 사이의 광로 상에, 예를 들면 젖빛 유리 등의 광 산란체가 배치될 수 있다. 이로서, 제2 수광부(40)에 입사하는 제2 빔의 광축 방향에 수직인 단면에 있어서 균일한 광강도 분포를 얻을 수 있다. 따라서, 피측정면의 미세한 상처나 이물질 등이 검출될 가능성은 감소될 수 있어, 면거칠기의 영향이 저감되므로, 피측정면의 평균 높이를 계측할 수 있다.

또한, 이러한 광 산란체를, 예를 들면 1 KHz의 주파수로 진동시켜, 산란 방향을 여러 가지로 변화시키며, 수광 소자(41, 42, 43, 44) 상에서의 스페클이 평균화되어, 스페클 콘트라스트가 저감될 것이다.

또한, 대물 렌즈(5)와 제2 수광부(40) 사이의 제2 빔의 광로 상에 소정의 개구 형상을 가지는 애퍼처를 배치하여, 특정한 입사 각도 및 입사 위치에서 대물 렌즈(5)에 재입사하는 피측정면으로부터의 반사광을 차단한다. 이로써, 피측정면의 이물질이나 요철에 의한 회절광이 미광으로서 제2 수광부(40)에 의해 수광되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1 수광부 및 제2 수광부의 수광 소자는 광섬유를 사용하여 간섭광이나 비점수차를 발생시킨 광을 수광시킬 수 있다. 광섬유를 사용함으로써, 이들 수광 소자는 변위 검출 장치(100)의 광학계로부터 이격된 개소에 배치될 수있다.

따라서, 수광 소자를 절대 위치 정보 출력부(50)나 상대 위치 정보 출력부(60)의 근방에 배치함으로써, 수광 소자로부터 절대 위치 정보 출력부(50) 및 상대 위치 정보 출력부(60)까지의 전기 통신 거리가 단축되어, 응답 속도의 향상이 도모된다.

상술한 바와 같이, 변위 검출 장치(100)에서는, 광원(1)으로부터 출사된 광을 2개의 빔으로 분할하고, 제1 빔을 반사 부재(8)에 입사시켜, 제2 빔을 피측정면에 입사시킨다.

그리고, 피측정면으로부터의 반사광을 사용하여 포커스 에러 신호를 구함으로써, 절대 위치 정보를 검출하고, 반사 부재(8)의 반사광과 피측정면으로부터의 반사광의 간섭광에 의해 상대 위치 정보를 구한다.

종래 기술에 있어서는, 포커스 에러 신호에 의해서만, 높이 방향의 위치가 검출된다. 그러므로, 포커스 에러 신호의 비선형성을 보충하기 위해서, 교정 테이블이 사용될 필요가 있다.

그러나, 본 실시예의 변위 검출 장치(100)에서는, 고정된 반사 부재(8)로부터의 반사광과 피측정면으로부터의 반사광의 간섭광이 계측된다. 간섭광의 강도는 피측정면의 변위량에 따라 주기적으로 변화한다. 즉, 간섭광의 강도 변화를 스케일로 사용함으로써, 신호의 선형성이 확보될 수 있다. 간섭광의 강도 변화의 주기는 광의 파장에 의해 정해지므로, 간섭광의 강도 변화는 정확하고 미세한 스케일로 사용될 수 있다.

또한, 간섭광의 강도 변화에 의해 얻어지는 스케일의 기준점은 피측정면으로부터의 반사광에 의해 얻어지는 포커스 에러 신호에 의해 취득될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 예를 들면 포커스 에러 신호가 0이 되는 위치를 기준으로 하고, 상대 위치 정보 출력 수단에 의해 생성되는 펄스, 즉 위상 정보를 카운트함으로써, 정확하게 변위를 검출할 수 있다.

또한, 포커스 에러 신호 등의 절대 위치 정보는 기준으로 하는 절대 위치를 결정하기 위해 취득되므로, 본 실시예에서는, 종래 기술과 같이 대물 렌즈(5)를 피측정면에 추종시켜 상하 운동시킬 필요가 없다.

따라서, 대물 렌즈(5)를 구동시키기 위한 구동 기구가 불필요해지므로, 열의 발생이 억제될 수 있다. 또한, 구동 기구의 응답 주파수에 의한 사용 조건의 제약도 없다.

또한, 포커스 에러 신호의 임의의 위치에 있어서, 상대 위치 정보 출력 수단에서의 간섭광의 카운트값을 임의의 값으로 변경할 수 있다.

이로써, 피측정면이 측정 범위로부터 벗어나 끝낸 경우에도, 다시 피측정면이 검출되고 차제, 바로 원위치 정보가 카운트될 수 있다.

또한, 미리 피측정면을 상하 방향으로 움직여 계측을 행하고, 미리 절대 위치 정보와 상대 위치 정보를 취득하여 두는 것도 가능하다. 이 경우에는, 절대 위치 정보와 상대 위치 정보 사이의 차를 구하여, 절대 위치 정보와 상대 위치 정보 사이의 상관을 구함으로써, 포커스 에러 신호의 제로 크로스 부근의 파형으로 선형 보정을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 이와 같이, 절대 위치 정보와 상대 위치 정보의 상관을 구하고, 보정값으로서 그 상관을 사용함으로써, 피측정면이 신호로부터 손실되어 검출이 불가능해지더라도, 포커스 에러 신호에 의한 절대 위치 정보 출력부(50)의 위치 정보만으로 변위를 검출하는 것이 가능해진다.

또한, 이 변위 검출 장치(100)가 실제로 사용되는 환경에 있어서, 그 장소에서 얻어지는 정보에 의해 직접 교정되므로, 보다 높은 정밀도를 갖는 변위 검출이 가능해진다.

그리고, 환경에 따라 상이한 계측 방법을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 공기의 요동이 큰 환경에서는, 상대 위치 정보 출력부(60)로부터 출력되는 정보를 이용하지 않고, 절대 위치 정보 출력부(50)로부터 출력되는 정보를 이용하여 변위가 검출될 수 있다.

또한, 고속 응답을 필요로 하거나, 피측정면의 면거칠기가 큰 경우에는, 절대 위치 정보 출력부(50)로부터 출력되는 정보를 이용하지 않고, 상대 위치 정보 출력부(60)로부터 출력되는 정보를 이용하여 변위가 검출될 수 있다.

또한, 바람직하게, 피측정물(9)의 피측정면은 광원(1)으로부터 출사되는 광을 반사시키는 미러 처리의 영향을 받아, S/N 비가 보다 높은 신호를 얻는 것이 가능해진다.

또한, 피측정물은 특별히 한정하지 않고, 다양한 대상물일 수 있다. 예를 들면, 피측정물(9)로서, 광원(1)으로부터 출사되는 광과 동일한 파장의 광을 반사시킬 수 있는 회절 격자가 사용될 수 있다.

이 경우에는, 본 실시예에 의한 변위 검출 장치(100)와 2차원 면 내측 방향의 위치를 검출하는 이른바 리니어 스케일을 사용한 리니어 인코더에 의하여, 변위 검출 장치를 구성하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 회절 격자를 스테이지 상에 장착하고, 회절 격자면에 따른 방향의 변위는, 리니어 인코더에 의해 계측하고, 회절 격자면에 수직인 방향의 변위는, 본 실시예에 의한 변위 검출 장치(100)에 의해 계측한다.

이로써, 스테이지의 3차원 방향의 변위 검출이 가능해지고, 예를 들면 미세가공 등의 정밀한 3차원 위치 제어를 필요로 하는 기기에 있어서, 스테이지의 정확한 위치 결정을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 이 경우에는, 회절 격자 위의 표면에, 광원(1)으로부터의 광을 반사시키는 반사막을 평평하게 형성하여 두어도 된다. 변위 검출 장치(100)은 이 반사막으로부터의 반사광을 계측함으로써, 높이 방향의 변위 검출을 행한다.

따라서, 광원(1)으로부터 출사된 광에는, 회절 격자에 의한 회절광이 생기지 않으므로, 정확하게 변위 검출을 행할 수 있다. 또한, 리니어 스케일은, 이 반사막을 투과하는 광을 출사하는 광원을 사용함으로써, 회절광 등의 검출을 행한다.

또한, 이 반사막은, 회절 격자의 베이스부 측에 형성하고 있어도 된다. 이 경우에는, 광원(1)으로부터 출사되는 광이, 회절 격자를 형성하는 재료에 대하여 투과성을 가지도록, 광원(1)으로부터 출사시키는 광의 파장이나 회절 격자의 재료를 선택한다. 이로써, 광원(1)으로부터 입사된 광에 회절광이 생기는 것을 억제할 수 있다.

또한, 리니어 스케일이 출사하는 광을, 회절 격자에 대하여 경사로부터 입사시킴으로써 회절광의 생기는 방향을 제어하여, 이 회절광이 변위 검출 장치(100)에 의해 검출되지 않는다.

2. 제2 실시예

전술한 실시예에서는, 1개의 광원을 사용하는 것이었다. 제2 실시예에서는, 서로 파장이 상이한 2개의 광원을 사용하는 경우에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 관한 변위 검출 장치(200)의 구성을 나타낸 개략적인 구성 도면이다.

본 실시예에 따른 변위 검출 장치(200)는 제1 광원(101a) 및 제1 광원(101a)으로부터 출사된 광을 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터(103)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(200)는 제1 빔 스플리터(103)에 의해 분할된 제1 빔을 반사하는 반사 부재(108)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(200)는 제1 광원(101a)과는 상이한 파장의 광을 출사하는 제2 광원(101b) 및 제1 광원(101a)으로부터 출시되어, 제1 빔 스플리터(103)에 의해 분할되는 제2 빔과 제2 광원(101b)으로부터 출사된 제3 빔을 피측정물(109) 상에 집광하는 대물 렌즈(105)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(200)는 제2 빔 스플리터(112) 및 비점수차 발생 수단(110)을 포함하며, 제2 빔 스플리터(112)는 제1 빔, 제2 빔과 제3 빔으로부터, 제3 빔을 추출하고, 비점수차 발생 수단(110)은 추출된 제3 빔에 비점수차를 발생시킨다.

또한, 변위 검출 장치(200)는 반사 부재(108)에 의해 반사된 제1 빔과 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 간섭광을 수용하는 제1 수광부(130) 및 제2 빔 스플리터(112)에 의해 추출된 제3 빔을 수용하는 제2 수광부(140)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(200)는 제1 수광부(130)에 의해 얻어진 신호에 기초하여 상대 위치 정보를 출력하는 상대 위치 정보 출력부(160) 및 제2 수광부(140)에 의해 얻어진 신호에 기초하여 절대 위치 정보를 출력하는 절대 위치 정보 출력부(150)를 포함한다.

제1 실시예와 마찬가지로, 제1 광원(101a) 및 제2 광원(101b)은 반도체 레이저 다이오드, 고휘도 발광 다이오드, 발광 다이오드 등의 각종 광원 중 하나일 수 있다. 그러나, 제1 광원(101a)으로부터 출사된 광의 파장과 제2 광원(101b)으로부터 출사된 광의 파장은 서로 상이하다.

제1 광원(101a)으로부터 출사된 광에서, 편광 빔 스플리터 등의 제1 빔 스플리터(103)에 대하여, p-편광 성분과 s-편광 성분은 서로 같게 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 제2 광원(101b)으로부터 출사되는 광은 제1 빔 스플리터(103)에 대하여 p-편광이 된다. 따라서, 편광판(도시되지 않음) 등을 배치함으로써, 제2 광원(101b)으로부터 출사되는 광의 편광 방향은 정렬될 수 있다.

제1 광원(101a)으로부터 출사된 광은 파장 선택 필터 등의 빔 합성 수단(113)에 의해 반사되어, 콜리메이터 렌즈 등의 렌즈(102)에 입사한다.

예를 들면, 렌즈(102)에 의해 콜리메이트된 광은 편광 빔 스플리터 등의 빔 스플리터(103)에 입사하고, 광은 s-편광 성분으로 구성된 제1 빔과 p-편광 성분으로 구성된 제2 빔으로 분할된다.

빔 스플리터(103)에 의해 반사된 제1 빔은 1/4 파장판 등의 위상판(106)을 투과하여, 원편광이 되고, 이 원편광은 집광 렌즈(107)에 의해 반사 부재(108)에 입사된다.

그리고, 반사 부재(108)에 의해 반사된 제1 빔은 집광 렌즈(107)를 투과하고, 위상판(106)에 입사하여, p-편광이 된다.

p-편광된 제1 빔은 제1 빔 스플리터(103)를 투과하여, 집광 렌즈(111)에 입사한다.

한편, 빔 스플리터(103)를 투과한 제2 빔은, 1/4파장판 등의 위상 판(104)를 투과하면 대물 렌즈(105)에 의해 피측정물(109)의 피측정면 상에 집광된다.

피측정물에 의해 반사된 제2 빔은, 대물 렌즈(105)를 통해 다시 위상판(104)에 입사한다.

제2 빔은, 위상 판(104)를 2회 투과함으로써 s-편광이 되고, 이 s-편광은 제1 빔 스플리터(103)에 의해 반사되어 집광 렌즈(111)에 입사한다.

본 실시예에 있어서는, 집광 렌즈(111)에 입사한 제1 빔 및 제2 빔은 분할되지 않고 그대로 제1 수광부(130)에 의해 수광된다.

집광 렌즈(111)에 의해 집광되는 광의 광로 상에는, 파장 선택 필터 등의 제2 빔 스플리터(112)가 배치되어 있다. 제2 빔 스플리터(112)는, 제1 광원(101a)로부터 출사되는 광과 동일한 파장의 광을 반사하고, 제2 광원(101b)로부터 출사되는 광과 같은 파장의 광을 투과한다.

따라서, 제1 빔 및 제2 빔은 제2 빔 스플리터(112)에 의해 반사되어, 제1 수광부(130)에 입사한다.

제1 수광부(130)는, 제1 광원(101a)로부터 출사되고 반사 부재(108)에 의해 반사된 제1 빔과 제1 광원(101a)로부터 출사되고 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 간섭광을 수광한다.

제1 수광부(130)는 제1 실시예의 제1 수광부(30)와 구성이 동일하다.

제2 빔 스플리터(112)에 의해 반사된 제1 빔 및 제2 빔은, 하프 미러(131)에 입사하여, 각각 2개의 빔으로 분할된다.

하프 미러(131)을 투과한 제1 빔 및 제2 빔은, 편광 빔 스플리터(132)에 입사한다.

편광 빔 스플리터(132)는, 제1 빔과 제2 빔의 양쪽의 편광 방향에 대하여, 그 입사면이 45°경사지도록 배치되어 있다. 따라서, 제1 빔과 제2 빔의 양쪽의 빔에 있어서, 편광 빔 스플리터(132)에 대한 s-편광 성분 및 p-편광 성분이 생긴다. 이 s-편광 성분 및 p-편광 성분을 편광 빔 스플리터(132)에 의해 각각 분할하고 추출함으로써, 제1 빔과 제2 빔을 서로 간섭시킨다.

편광 빔 스플리터(132)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔의 s-편광 성분에 의한 간섭광은, 제1 수광 소자(133)에 의해 수광된다. 또한, 편광 빔 스플리터(132)를 투과한 제1 빔과 제2 빔의 p-편광 성분에 의한 간섭광은, 제2 수광 소자(134)에 의해 수광된다.

또한, 하프 미러(131)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔은, 1/4 파장판 등의 위상판(135)를 투과함으로써, 서로 역회전 방향의 원편광이 된다. 이 서로 역회전 방향의 2개의 원편광은 서로 중첩되어, 편광 방향이 회전하는 직선 편광이 된다.

이 직선 편광의 s-편광 성분은 편광 빔 스플리터(136)에 의해 반사되어, 제3 수광 소자(137)에 입사된다. 또한, p-편광 성분은 편광 빔 스플리터(136)를 투과하여, 제4 수광 소자(138)에 의해 수광된다.

이들 4개의 수광 소자(133, 134, 137, 138)에 의해 취득된 신호에 대하여, 상대 위치 정보 출력부(160)에서는, 제1 실시예에서 설명한 바와 같은 처리를 행함으로써(도 2 참조), 2상의 증분 신호 등의 상대 위치 정보가 출력된다.

한편, 제2 광원(101b)로부터 출사되는 제3 빔은, 빔 합성 수단(113)을 투과한다. 빔 합성 수단(113)을 투과한 제3 빔은, 예를 들면 렌즈(102)에 의해 콜리메이트되어, 편광 빔 스플리터 등의 제1 빔 스플리터(103)에 입사한다.

제3 빔은, 제1 빔 스플리터(103)에 대하여 p-편광이므로, 제1 빔 스플리터(103)을 투과하고, 대물 렌즈(105)에 의해 피측정물(109)의 피측정면 상에 집광된다.

본 실시예에 있어서, 대물 렌즈(105)는 고정되어 있고, 제3 빔의 초점 위치는 일정하게 유지된. 이 초점 위치는, 반드시 피측정면 상에 있을 필요는 없고, 피측정면 근방에 있어도 된다. 피측정면의 면거칠기나 이물질 등에 의한 측정 오차의 영향은 피측정면으로부터의 결상 위치를 이동시켜, 스폿 직경을 크게함으로써, 저감될 수 있다.

피측정면에 의해 반사된 제3 빔은, 다시 대물 렌즈(105)를 투과하여 제1 빔 스플리터(103)에 입사한다.

제1 빔 스플리터(103)와 피측정면 사이의 광로 상에는, 1/4 파장판 등의 위상판(104)가 배치되어 있다. 제3 빔은, 그 왕복로에 있어서 위상판(104)를 2회 투과함으로써 p-편광이 된다. 따라서, 제3 빔은 제1 빔 스플리터(103)에 의해 반사되어, 집광 렌즈(111)에 입사한다.

집광 렌즈(111)에 입사한 제3 빔은, 파장 선택 필터 등의 제2 빔 스플리터(112)를 투과하고, 제2 수광부(140)에 의해 수광된다.

본 실시예에 있어서, 비점수차 발생 수단(110)은, 집광 렌즈(111) 및 제2 빔 스플리터(112)에 의해 구성되어 있다. 제3 빔의 수렴광이, 그 광축에 대하여 경사지게 배치된 빔 합성 수단(113)을 투과함으로써, 비점수차가 발생한다.

이와 같이, 집광 렌즈(111) 및 제2 빔 스플리터(112)에 의해 비점수차 발생 수단(110)을 구성함으로써, 원통형 렌즈 등을 사용하지 않고도 비점수차를 발생시킬 수 있어, 부품수의 감소가 도모된다.

제1 실시예와 마찬가지로(도 3의 (a) 내지 (c) 참조), 제2 수광부(140)는 4개의 수광 소자를 포함하고, 절대 위치 정보 출력부(150)는, 이 수광 소자에 의해 취득되는 신호를 사용하여 포커스 에러 신호를 생성한다.

본 실시예에서는, 제1 광원(101a)로부터 출사된 광을 반사 부재(108) 및 피측정면에 입사시켜, 반사 부재(108)의 반사광과 피측정면의 반사광의 간섭광에 의해 상대 위치 정보를 생성한다.

또한, 제2 광원(101b)로부터 출사된 광을 피측정면에 입사시켜, 피측정면의 반사광에 의하여 절대 위치 정보를 생성한다.

따라서, 본 실시예에 있어서도, 예를 들면 포커스 에러 신호의 제로 크로스점이 검출되는 위치 등의 기준점을 결정하고, 그로부터의 변위를, 상대 위치 정보 출력부(160)에 의해 생성되는 상대 위치 정보에 의해 구할 수 있다.

또한, 대물 렌즈(105)를 구동하지 않고 높이 방향의 변위를 계측하는 것이 가능하므로, 구동 기구의 사용을 필요로 하지 않는다. 따라서, 구동 기구에 의해 발생하는 열이나, 응답 주파수의 제약을 받지 않는다. 그러므로, 사용 조건을 완화할 수 있어, 다양한 환경에서의 계측이 가능해진다.

또한, 본 실시예에서는, 상대 위치 정보 검출에 사용하는 광의 파장과 절대 위치 정보 검출에 사용하는 광의 파장은 서로 상이하며, 파장 선택 필터 등의 제2 빔 스플리터에 의해 이들의 광빔을 분할하고 있다. 2개의 광원의 출력을 최대한으로 이용할 수 있으므로, 보다 높은 S/N비에서의 변위 검출을 행할 수 있다.

또한, 제1 광원(101a)과 제2 광원(101b)를 교대로 발광시켜도 된다. 이 경우에는, 상대 위치 정보와 절대 위치 정보가 교대로 얻어지고, 이 정보에 동기화함으로써, 변위가 검출될 수 있다.

광원을 교대로 발광시킴으로써, 미광(즉, 제1 광원(101a)로부터의 광이 제2 수광부(140)에 입사하거나, 제2 광원(101b)로부터의 광이 제1 수광부(130)에 입사하는 경우에 발생되는 광)을 또한 저감할 수 있어서, 위치 검출이 고정밀도로 행해질 수 있다.

3. 제3 실시예

본 발명에서는, 피측정면으로부터의 반사광의 비점수차에 의해 변위의 절대 위치 정보를 취득하고, 피측정면으로부터의 반사광과 반사 부재 등의 특정한 고정된 기준면으로부터의 반사광의 간섭광에 의해 상대 위치 정보를 취득한다.

비점수차법에 의해 포커스 에러 신호를 취득하는 경우에는, 피측정면에 광을 어느 정도 집광시킬 필요가 있다. 그러나, 간섭광 강도의 변화의 주기를 계측하는 경우에는, 피측정면에 반드시 광을 집광시킬 필요는 없다.

본 실시예에서는, 2개의 광원을 사용하고, 각각의 광원으로부터 출사되는 광을, 비점수차의 계측용과 간섭광의 측정용으로 할당한다. 그리고, 각각의 광원으로부터 출사되는 광을, 광원마다 상이한 스폿 직경을 갖는 피측정면 상에 집광시킨다.

이로써, 포커스 에러 신호를 취득하기 위한 광을 피측정면 상에 어느 정도 집광시키면서, 간섭광을 계측하기 위한 광은 포커스 에러 신호를 취득하기 위한 광보다 큰 스폿 직경을 갖는 피측정면 상에 입사하는 것이 가능하다.

따라서, 높은 계측 정밀도를 유지한 채, 보다 넓은 범위에서 상대 위치 검출을 행할 수 있다.

도 6은 제3 실시예에 관한 변위 검출 장치(300)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 변위 검출 장치(300)는 제1 광원(201a) 및 제1 광원(201a)으로부터 출사된 광을 2개의 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터(203)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(300)는 제1 빔 스플리터(203)에 의해 분할된 제1 빔을 반사하는 반사 부재(208)을 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(300)는 제1 광원(201a)과 상이한 파장의 광을 출사하는 제2 광원(201b) 및 제1 광원(201a)로부터 출사되고, 제1 빔 스플리터(203)에 의해 분할된 제2 빔과 제2 광원(201b)로부터 출사된 제3 빔을 피측정물(209) 상에 집광하는 대물 렌즈(205)을 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(300)는 제2 빔 스플리터(212) 및 비점수차 발생 수단(210)을 포함하며, 제2 빔 스플리터(212)는 제1 빔, 제2 빔 및 제3 빔으로부터, 제3 빔을 추출하고, 비점수차 발생 수단(210)은 인출된 제3 빔에 비점수차를 발생시킨다.

또한, 변위 검출 장치(300)는 반사 부재(208)에 의해 반사된 제1 빔과 피측정면에 의해 반사된 제2 빔의 간섭광을 수광하는 제1 수광부(230)와 제2 빔 스플리터(212)에 의해 추출된 제3 빔을 수광하는 제2 수광부(240)를 포함한다.

또한, 변위 검출 장치(300)는 제1 수광부(230)에 의해 취득한 신호에 기초하여 상대 위치 정보를 출력하는 상대 위치 정보 출력부(260) 및 제2 수광부(240)에 의해 취득한 신호에 기초하여 절대 위치 정보를 출력하는 절대 위치 정보 출력부(250)를 포함한다.

제1 및 제2 실시예와 마찬가지로, 제1 광원(201a) 및 제2 광원(201b)은 반도체 레이저 다이오드, 고휘도 발광 다이오드, 발광 다이오드 등의 각종 광원 중 하나일 수 있다. 그러나, 제1 광원(201a)으로부터 출하되는 광의 파장과 제2 광원(201b)으로부터 출사되는 광의 파장은 서로 상이하다.

제1 광원(201a)으로부터 출사되는 광에서, p-편광 성분과 s-편광 성분은 편광 빔 스플리터 등의 제1 빔 스플리터(203)에 대하여, 서로 같도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 제2 광원(201b)의 출사되는 광은, 제1 빔 스플리터(203)에 대하여 p-편광이 된다. 또한, 편광판은 p-편광만을 추출하는데 사용될 수 있다.

제1 광원(201a)로부터 출사된 광은, 빔 합성 수단(213)에 의해 반사되어 편광 빔 스플리터 등의 제1 빔 스플리터(203)에 입사한다. 제2 빔 스플리터(213)는, 제1 광원(201a)로부터 출사되는 파장의 광을 반사하고, 제2 광원(201b)로부터 출사되는 파장의 광을 투과한다.

제1 빔 스플리터(203)에 입사한 제1 광원(201a)로부터의 광은, s-편광 성분에 의한 제1 빔과 p-편광 성분에 의한 제2 빔으로 분할된다.

빔 스플리터(203)에 의해 반사된 제1 빔은, 예를 들면 렌즈(207)에 의해 콜리메이트되어 평행광이 되어, 반사 부재(208)에 입사한다. 그리고, 광은 반사 부재(208)에 의해 반사되어 렌즈(207)을 투과함으로써 수렴광이 되고, 이 수렴광은 제1 빔 스플리터(203)에 재입사한다.

제1 빔 스플리터(203)와 반사 부재(208) 사이의 광로 상에는, 1/4 파장판 등의 위상판(206)이 배치되어 있고, 제1 빔 스플리터(203)에 재입사하는 제1 빔은 p-편광이 된다. 따라서, 제1 빔은 제1 빔 스플리터(203)를 투과하여, 렌즈(211)에 입사한다.

제1 빔 스플리터(203)를 투과한 제2 빔은, 대물 렌즈(205)에 의해 콜리메이트되어, 예를 들면 평행광이 되어 피측정물(209)의 피측정면에 입사한다. 피측정면에 의해 반사된 제2 빔은, 대물 렌즈(205)에 의해 수렴광이 되어, 제1 빔 스플리터(203)에 입사한다.

제1 빔 스플리터(203)와 피측정물(209) 사이의 광로 상에는, 1/4 파장판 등의 위상판(204)이 배치되어 있고, 제1 빔 스플리터(203)에 재입사하는 제2 빔은 s-편광이 된다. 따라서, 제2 빔은 제1 빔 스플리터(203)에 의해 반사되어, 렌즈(211)에 입사한다.

한편, 제2 광원(201b)로부터 출사되는 제3 빔은, 예를 들면 콜리메이터 렌즈(202)에 의해 콜리메이트되어, 평행광이 되고, 파장 선택 필터 등의 빔 합성 수단(213)을 투과하여, 제1 빔 스플리터(203)에 입사한다.

제3 빔은 제1 빔 스플리터(203)에 대하여 p-편광이므로, 제3 빔은 제1 빔 스플리터(203)를 투과하고, 대물 렌즈(205)에 의해 피측정면 상에 집광된다. 그리고 피측정면에 의해 반사된 제3 빔은, 대물 렌즈(205)를 투과하여 평행광이 되고, 제1 빔 스플리터(203)에 입사한다.

이 과정에서, 제3 빔은 1/4 파장판 등의 위상판(204)를 2회 투과함으로써 편광 방향이 90°회전하고 있으므로, 제3 빔은 제1 빔 스플리터(203)에 의해 반사된다. 그리고 반사된 제3 빔은 렌즈(211)에 입사한다.

본 실시예에서는, 제1 광원(201a)로부터 출사되는 광을 발산광으로서 대물 렌즈(205)나 렌즈(207)에 입사시켜, 이들의 렌즈를 제1 광원(201a)로부터 출사되는 광에 대한 예를 들면 콜리메이트용의 렌즈로서 사용하고 있다.

이로써, 제2 광원(201b)로부터 출사된 제3 빔에 의해 피측정면 상에 형성되는 스폿보다 큰 스폿 직경으로, 제1 빔 및 제2 빔을 피측정면이나 반사 부재(208)에 입사시키는 것이 가능하다.

그리고, 여기서 예시하는 광학계 뿐만 아니라, 공지된 다양한 광학계의 구성에 의하여, 제1 광원(201a)로부터의 광과 제2 광원(201b)로부터의 광을 상이한 스폿 직경을 갖는 피측정면 상에 입사시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 제2 실시예(도 5 참조)와 마찬가지로, 집광 렌즈(211)에 입사한 제1 빔 및 제2 빔은 분할되지 않고 그대로 제1 수광부에 의해 수광된다.

렌즈(211)에 입사한 제1 빔 및 제2 빔은 예를 들면 콜리메이트되어 파장 선택 필터 등의 제2 빔 스플리터(212)에 의해 반사된다.

제2 빔 스플리터(212)에 의해 반사된 제1 빔 및 제2 빔은, 렌즈(214)에 의해 제1 수광부(230)에 집광된다.

또한, 본 실시예에 있어서도, 제1 수광부(230)는, 제1 실시예의 제1 수광부(30)(도 1 참조)와 구성이 동일하다.

제1 수광부(230)는, 제1 빔과 제2 빔의 간섭광을 계측한다.

제2 빔 스플리터(212)에 의해 반사된 제1 빔 및 제2 빔은, 하프 미러(231)에 입사하고, 제1 빔 및 제2 빔은 각각 포함하는 2개의 빔으로 분할된다.

하프 미러(231)을 투과한 제1 빔 및 제2 빔은, 편광 빔 스플리터(232)에 입사한다.

편광 빔 스플리터(232)는, 제1 빔과 제2 빔의 양쪽의 편광 방향에 대하여, 그 입사면이(45)도 경사지도록 배치되어 있다. 따라서, 제1 빔과 제2 빔의 양쪽에 있어서, 편광 빔 스플리터(132)에 대한 s 편광 성분 및 p 편광 성분이 생기고, 제1 빔과 제2 빔의 간섭이 가능해진다.

편광 빔 스플리터(232)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔의 s 편광 성분에 의한 간섭광은, 제1 수광 소자(233)에 의해 수광된다. 또한, 편광 빔 스플리터(232)를 투과한 p 편광에 의한 제1 빔과 제2 빔의 간섭광은, 제2 수광 소자(234)에 의해 수광된다.

또한, 하프 미러(231)에 의해 반사된 제1 빔과 제2 빔은, (1)/(4) 파장판 등의 위상판(235)를 투과함으로써, 서로 역회전 방향의 원편광으로 된다. 그리고, 중첩되는 일로, 피측정면의 변위에 따라 편광 방향이 회전하는 직선 편광으로 된다.

이 직선 편광의 s 편광 성분은 편광 빔 스플리터(236)에 의해 반사되어 제3 수광 소자(237)에 입사된다. 또한, p 편광 성분은 편광 빔 스플리터(236)을 투과하여 제4 수광 소자(238)에 입사된다.

그리고, 상대 위치 정보 출력부(260)는, 제1 실시예(도 2 참조)와 마찬가지로, 이들의 수광 소자(233, 234, 237, 238)에 의해 취득된 신호에 의해 상대 위치 정보를 구하고, 출력한다.

한편, 렌즈(211)에 입사한 제3 빔은, 파장 선택 필터 등의 제2 빔 스플리터(212)를 투과하고, 제2 수광부(240)에 의해 수광된다.

본 실시예에 있어서도, 비점수차 발생 수단(210)은, 집광 렌즈(211)와 그 광축에 대하여 경사지게 배치된 제2 빔 스플리터(212)에 의해 구성되어 있다. 이로써, 원통형 렌즈 등을 배치하는 무사히 비점수차를 발생할 수 있어 부품수의 삭감이 도모된다.

제2 수광부(240)는, 제1 실시예와 마찬가지로(도 3 참조) 4개의 수광 소자를 포함하여 구성되어 있고, 절대 위치 정보 출력부(250)는, 이 수광 소자에 의해 취득되는 신호를 사용하여 포커스 에러 신호 등의 절대 위치 정보를 생성하고, 출력한다.

이와 같이, 본 실시예에 있어서도, 피측정면에 의해 반사된 광에 의해 절대 위치 정보를 취득하고, 피측정면에 의해 반사된 광과 고정된 반사 부재에 의해 반사된 광의 간섭광에 의해 상대 위치 정보를 취득한다.

따라서, 포커스 에러 신호 등의 절대 위치 정보를 기초로 기준 위치를 정해 이 기준 위치로부터의 변위량을 상대 위치 정보에 의해 구할 수 있다.

이 절대 위치 정보와 상대 위치 정보는, 대물 렌즈(205)를 상하 방향으로 구동시킬 필요없이 취득되므로 종래와 같은 구동 기구를 필요로 하지 않는다. 따라서, 열이나 응답 주파수 등에 의한 사용 조건의 제약이 저감된다.

또한, 본 실시예에서는, 상대 위치 정보를 취득하기 위해 피측정면에 입사시키는 광의 스폿 직경을, 예를 들면 절대값 정보 취득을 위한 광의 스폿 직경보다 크게 할 수 있다. 그러므로, 상대 위치 정보의 측정 범위를 넓게 할 수 있다.

그리고, 제2 실시예 및 제3 실시예에 있어서도, 포커스 에러 신호의 임의의 위치에 있어서, 상대 위치 정보 출력부에서의 간섭광의 카운트값을 임의의 값으로 변경할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이로써, 피측정면이 측정 범위로부터 벗어나 있는 경우에도, 다시 피측정면이 검출되고 차제, 바로 위치 정보를 카운트할 수 있다.

또한, 미리 피측정면을 상하 방향으로 움직여 계측을 행하고, 미리 절대 위치 정보와 상대 위치 정보를 취득하고, 보정값을 구할 수 있는 것은, 제1 실시예와 같다.

보정값에 의해 절대 위치 정보를 교정함으로써, 피측정면을 잃어 상대 위치 정보의 검출이 불가능하더라도, 포커스 에러 신호에 의한 절대 위치 정보에 의해 변위를 카운트할 수 있다.

또한, 피측정물의 피측정면은, 광원으로부터 출사되는 광을 반사시키는 미러 처리를 행하여 두면, 보다 S/N비의 높은 신호가 얻어지고 모아 두고 바람직하다.

또한, 측정 대상으로 하여는, 제2, 제3 실시예에 있어서도 특별히 한정하지 않고, 다양한 물건을 측정 대상으로 해도 된다. 따라서, 피측정물로서 회절 격자를 사용하고, 3차원 방향의 변위 검출을 행하는 것도 가능하다.

또한, 이 경우에는, 회절 격자 위의 표면에, 광원(1)으로부터의 광을 반사시키는 반사막을 평평하게 형성해도 되고, 회절 격자의 베이스부 측에 형성하고 있어도 된다.

또한, 반사 부재의 광 반사막은, 제1 실시예와 마찬가지로, 금 등의 금속 피막에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 이로써, 습도의 변화에 의한 편광이나 파장 특성의 변화를 억제하는 것이 가능하며, 안정된 위치 검출이 행해진다.

또한, 그 밖에도, 제2 빔 스플리터와 제2 수광 수단과의 사이의 광로 상에 예를 들면 젖빛유리 등의 광 산란체를 배치해도 된다.

또한, 대물 렌즈와 제2 수광 수단과의 사이의 제3 빔의 광로 상에, 소정의 개구 형상을 가지는 애퍼처를 배치하고, 특정한 입사 각도 및 입사 위치에서 대물 렌즈 내에 재입사하는 피측정면으로부터의 반사광을 차단하여도 된다.

또한, 제1 수광부나 제2 수광부에서의 수광 소자에는, 광섬유를 사용하여 간섭광이나, 비점수차를 발생시킨 광을 수광시키도록 해도 된다.

이상, 본 발명에 의한 변위 검출 장치의 실시예에 대하여 설명하였다. 본 발명은 상기 실시예에 국한되지 않으며, 특허 청구의 범위에 기재한 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양한 변형예를 생각해 볼 수 있다.

Claims (2)

1. 광원과,
   상기 광원으로부터 출사되는 광을 2개의 빔으로 분할하는 제1 빔 스플리터와,
   상기 제1 빔 스플리터에 의해 분할된 제1 빔을 반사하는 반사 부재와,
   상기 제1 빔 스플리터에 의해 분할된 제2 빔을 피측정면 상에 집광하는 대물 렌즈와,
   상기 반사 부재에 의해 반사된 상기 제1 빔과 상기 피측정면에 의해 반사된 상기 제2 빔의 간섭광을 수광하는 제1 수광부와,
   상기 제1 수광부에 의해 수광한 간섭광 강도에 따라 상기 피측정면의 높이 방향의 상대 위치 정보를 출력하는 상대 위치 정보 출력부와,
   상기 피측정면에 의해 반사된 상기 제2 빔의 일부를 추출하는 제2 빔 스플리터와,
   상기 제2 빔 스플리터에 의해 추출된 상기 제2 빔에 비점수차를 발생시키는 비점수차 발생 수단과,
   상기 비점수차 발생 수단에 의해 비점수차가 발생한 상기 제2 빔을 수광하는 제2 수광부와,
   상기 제2 수광부에 의해 검출된 수광 강도에 따라 상기 피측정면의 높이 방향의 절대 위치 정보를 생성하고, 출력하는 절대 위치 정보 출력부
   를 포함하는,
   변위 검출 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광원은, 서로 파장이 상이한 광을 출사하는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고,
   상기 제1 광원부로부터 출사된 빔은, 상기 제1 빔 스플리터에 의해 상기 제1 및 제2 빔으로 분할되고,
   상기 제2 광원부로부터 출사된 빔은, 상기 제1 빔 스플리터를 통하여, 상기 제2 빔으로서 상기 피측정면에 입사하고,
   상기 제2 빔 스플리터는, 상기 제2 빔 중, 상기 제2 광원부로부터 출사된 빔을 추출하는, 변위 검출 장치.

Images