专利名称：位移检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过使用从光源发出的光的非接触式传感器检测待测表面的位移的位移检测装置。
背景技术：
传统上，位移检测装置被广泛地用作测量待测表面的位移和形状的装置。在传统的位移检测装置中，从光源发出的光被物镜朝向待测表面会聚，由待测表面反射的反射光被像散光学元件(astigmatic optical element)会聚并且入射到光接收元件上，以通过像散方法产生焦点误差信号(focus error signal) 0另外，通过使用焦点误差信号，伺服机构被驱动以使物镜移位，使得物镜的焦点位置位于待测表面上。此时，读取经由连接构件一体地安装到物镜的线性标尺的刻度，由此检测待测表面的位移(例如，见日本特开平 05-89480 号公报)。在日本特开平05-89480号公报所公开的位移检测装置中，为了提高位移检测的精度，物镜的NA(数值孔径)被设置得大，以减小会聚于待测表面的光束直径。例如，当形成于待测表面的光束直径为大约2 μ m时，线性标尺的检测精度将在数nm至数百nm之间的范围内。
发明内容
然而，尽管日本特开平05-89480号公报所公开的位移检测装置适于进行微细凹凸的位移测量，但是，由于在待测表面上形成像的光归因于待测表面的表面粗糙度而被散射，因此，可能会在待测表面的位移测量中产生误差。另外，存在如下的情况检测到附着于待测表面的微细灰尘等，使得不能精确地获得所需要的如待测表面的位移和形状等位移信息。而且，由于朝向待测表面会聚的光在待测表面上形成像，因此，待测表面的温度将升高，这将影响测量并且使待测表面劣化。考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种位移检测装置，该装置能够减小由表面粗糙度和/或如污物、微细灰尘等附着的异物引起的待测表面的位移测量出现误差的可能性。为了实现上述目的，根据本发明的方面的位移检测装置包括光源、物镜、分离光学系统、聚光器、像散产生器、光接收部和位置信息生成器。所述物镜适于将从所述光源发出的出射光朝向待测表面会聚，所述分离光学系统适于使来自所述待测表面的反射光的光路与来自所述光源的出射光的光路分离，所述聚光器适于会聚借助所述分离光学系统与所述出射光的光路分离的所述反射光，所述像散产生器适于对由所述聚光器会聚的所述反射光产生像散。所述光接收部适于检测已经由所述像散产生器产生像散的所述反射光的量，所述位置信息生成器适于利用基于所述光接收部所检测到的所述反射光的量获得的焦点误差信号生成所述待测表面的位置信息。此外，当由所述物镜会聚的所述出射光的焦点位于所
3述待测表面的前侧或者后侧时，所述聚光器、所述像散产生器或所述光接收部在光轴上的位置被设定成使得所述焦点误差信号的值等于“0”。在具有上述构造的位移检测装置中，在由物镜会聚的出射光的焦点在待测表面的前侧或者后侧形成像时，焦点误差信号变为“0”，并且在出射光的焦点从待测表面偏离的状态下判定物镜位于基准位置。由此，可以将待测表面上的出射光的直径(光束直径)设定为预定值，使得待测表面的表面粗糙度和/或如污物、微细灰尘等附着的异物不易被检测为待测表面的位移。结果，可以减小由表面粗糙度和/或如污物、微细灰尘等附着的异物引起的待测表面的位移测量出现误差的可能性。另外，由于出射光被待测表面反射，而不是在待测表面的一个点处形成像，所以能够防止或抑制待测表面的温度升高，并且能够防止或者抑制待测表面的劣化。
图1是示出根据本发明的第一实施方式的位移检测装置的框图；图2A至图2C均是示出形成于根据本发明的第一实施方式的位移检测装置的光接收部的照射像的示例的图；图3是示出基于由根据本发明的第一实施方式的位移检测装置的光接收部检测到的光量所获得的焦点误差信号的特性的图；图4是示出根据本发明的第一实施方式的待测表面上的光束直径与发散光(会聚光)的角度之间的关系的图；图5是示出根据本发明的第二实施方式的位移检测装置的框图；图6是示出根据本发明的第三实施方式的位移检测装置的框图。
具体实施例方式下面将参考图1至图6说明实施本发明的位移检测装置的优选实施方式。注意， 在附图中，相同的部件用相同的附图标记表示。<1.根据第一实施方式的位移检测装置〉首先，下面将参考图1说明根据本发明的第一实施方式的位移检测装置。图1是示出根据本发明的第一实施方式的位移检测装置的框图。如图1所示，位移检测装置1包括光源2、物镜3、分离光学系统4、镜5、两个准直透镜(collimator lens)6 和 7、像散产生器(astigmatism generator)8、光接收部 9、位置信息生成器10和壳体11。光源2、物镜3、分离光学系统4、镜5、两个准直透镜6和7、像散产生器8、光接收部9和位置信息生成器10布置在壳体11中。光源2由例如半导体激光二极管、超辐射发光二极管等构成。光源2以可拆卸的方式安装到壳体11。由于光源2以可拆卸的方式安装到壳体11，因此，当光源2劣化时，无需将壳体11从其安装位置移除就能够用新的光源更换劣化的光源2。由此，每次更换光源 2时，都不用担心壳体11的安装位置可能会错位，这在位移检测装置1被用在要求高可靠性的测量装置或者制造装置的情况中是有利的。物镜3将来自光源2的出射光朝向待测表面101会聚。物镜3固定到透镜保持件 (未示出)，可以由致动器(未示出)使透镜保持件沿着物镜3的光轴方向移动。用于使透镜保持件移动的致动器可以由例如可动线圈和永磁体构成。另外，线性标尺(未示出)固定到透镜保持件。线性标尺的刻度被配置成与物镜3 的光轴同轴。例如，上面标注有作为刻度的光学干涉条纹的光学标尺(全息标尺(hologram scale))、磁性标尺等可以用作线性标尺。顺便提及，线性标尺可以具有大体上形成在该标尺的中央位置处的原点(基准点)。分离光学系统4由偏振光束分光器15和相位板16构成，并且适于使来自待测表面101的反射光的光路与来自光源2的出射光的光路分离。偏振光束分光器15反射来自光源2的出射光并且透过由待测表面101反射的反射光。相位板16被配置在偏振光束分光器15与镜5之间，并且适于改变由偏振光束分光器15反射的出射光和由待测表面101 反射的反射光的偏振状态。镜5适于改变由偏振光束分光器15反射的出射光和由待测表面101反射的反射光的光轴方向。具体地讲，镜5使由偏振光束分光器15反射的出射光的光轴朝向物镜3延伸且使由待测表面101反射的反射光的光轴朝向相位板16(即，朝向偏振光束分光器15) 延伸。镜5在其表面形成有金属膜。由此，可以抑制由于湿度的变化导致的波长特性和偏振特性的变化，从而可以稳定地进行位置检测，其中，湿度的变化是由通常的介电多层膜引起的。准直透镜6配置在光源2和偏振光束分光器15之间，并且适于将从光源2发出的出射光转换成为平行光。准直透镜7配置在偏振光束分光器15与像散产生器8之间。准直透镜7是聚光器的具体示例，并且适于使透过偏振光束分光器15的反射光会聚并且将会聚的光引导至光接收部9。顺便提及，物镜3和准直透镜6、7可以进行消色差(色象差校正)，使得由光源2 的波长变化引起的焦距变化所施加的影响变小。利用这样的配置，不需要监控光源2的波长和温度，并且不需要校正通过测量待测表面101的位移获得的测量值。另外，在本实施方式中，准直透镜6被配置在从光源2发出的出射光的光路中，并且准直透镜7被配置在由待测表面101反射的反射光的光路中。利用这样的配置，可以任意设定出射光的光路长度和反射光的光路长度。结果，可以提高设计自由度并实现优化的部件布局。另外，由于设置了准直透镜6，可以提高耦合效率；由于设置了准直透镜7，可以改变焦点误差信号(将在下面说明)的特性，以例如增加用于使物镜3移位的伺服机构的驱动范围(伺服牵引范围)。像散产生器8配置在准直透镜7和光接收部9之间，并且适于对由待测表面101 反射并且由准直透镜7会聚的反射光产生像散。像散产生器8由配置在准直透镜7和光接收部9之间的反射光的光路中的光学部件构成，所述光学部件具有柱状面。典型地， 柱状透镜用作像散产生器；但是，在本实施方式中，通过组合球面和柱状面获得的多透镜 (multi-lens)用作像散产生器。由此，可以产生像散并且调整输出信号的波形，使得能够减少部件的数量。顺便提及，本实施方式的像散产生器8还可以由倾斜地配置在准直透镜7和光接收部9之间的反射光的光路中的透明基板构成。光接收部9适于检测已经由像散产生器8产生像散的反射光。光接收部9由配置在与反射光的光轴垂直的平面中的四个光接收元件21至24构成(见图2A至图2C)。由于在反射光中产生像散，因此，入射到四个光接收元件21至24的反射光的照射像将根据物镜 3与待测表面101之间的距离而变化。照射像(照射点)的形状将在下面说明。位置信息生成器10利用光接收部9所获得的焦点误差信号生成待测表面101的位置信息。位置信息生成器10由焦点误差信号生成器(未示出)、伺服控制电路(未示出)、 前述的致动器、前述的线性标尺、和适于读取线性标尺的刻度的检测头(未示出)构成。当焦点误差信号的值等于“0”时，物镜3所会聚的出射光的焦点位置由准直透镜 7、像散产生器8和光接收部9在光轴方向上的位置确定。在本实施方式中，准直透镜7、像散产生器8或者光接收部9在光轴方向上的位置被设定成使得当物镜3所会聚的出射光的焦点位置位于待测表面101的后侧时，焦点误差信号的值变为“0”。接着，下面将参考图1至图3说明由位移检测装置1执行的待测表面101的位移测量。图2A至图2C均是示出形成于位移检测装置1的光接收部的照射像的示例。图3 是示出基于由光接收部检测到的光量所获得的焦点误差信号的特性的图。如图1所示，从光源2发出的出射光由准直透镜6转换成为平行光并由偏振光束分光器15反射。从光源2发出并由偏振光束分光器15反射的出射光通过相位板16，在相位板16处，所述光被转换成为圆偏振光，并且圆偏振光被镜5反射以被引导至物镜3。之后，出射光由物镜3朝向待测表面101会聚，以在被待测表面101反射后形成像。由此，待测表面101上的出射光具有预定的直径(光束直径)。由待测表面101反射的反射光通过物镜3，在物镜3处，所述光变成近似平行光，但仍然是发散光。这样的发散光由镜5反射以被引导至相位板16。已经通过相位板16的反射光变成与通过相位板16之前的出射光垂直的线性偏振光，并且透过偏振光束分光器15。 之后，反射光由准直透镜7会聚并且由像散产生器8在反射光中产生像散，在该状态下，反射光被照射到光接收部9上。如图2A至图2C所示，光接收部9由配置在与反射光的光轴垂直的平面中的四个光接收元件21至24构成。四个光接收元件21至24绕反射光的光轴彼此隔开预定距离地配置。光接收元件21和光接收元件23以反射光的光轴介于其间的方式彼此相面对。另外， 光接收元件22和光接收元件24以反射光的光轴介于其间的方式彼此相面对。在四个光接收元件21至24上，由已经产生像散的反射光照射的区域(即，照射点)根据物镜3与待测表面101之间的距离而变化。在本实施方式中，在由物镜3会聚的出射光的焦点位置f位于待测表面101的后侧的与待测表面101间隔开预定距离dl的位置时，照射点变为圆形(见图2B)。由此，在照射点变为圆形的情况中，由物镜3会聚的出射光在由待测表面101反射后形成像。这里，在照射点变为圆形时的物镜3的位置被定义为基准位置。在本实施方式中， 当物镜3从基准位置远离待测表面101移动时，照射点将变成朝向光接收元件21、23侧延伸的椭圆形(见图2A)，而当物镜3从基准位置朝向待测表面101移动时，照射点将变成朝向光接收元件22、24侧延伸的椭圆形(见图2C)。光接收元件21至24中的每一方均将检测到的光转换成为电能(即，光电转换) 以产生输出信号，并将该输出信号输出至位置信息生成器10的焦点误差信号生成器。焦点误差信号生成器基于由光接收元件21至24中的每一方输出的输出信号生成焦点误差信号 Sfeo焦点误差信号Sfe表示物镜3在光轴方向上从基准位置的偏移。假设光接收元件21、22、23、24的输出信号分别是输出信号A、B、C、D，则可以通过下式计算出焦点误差信号Sfe [式1]SFE = (A+C) - (B+D)在图3中示出通过式1计算出的焦点误差信号Sfe的特性。在图3所示的特性图中，原点0表示物镜3的基准位置，能够可靠地获得待测表面101上的出射光的预定直径 (光束直径)。由此，尽管表面粗糙度小于光束直径和/或附着的异物(比如污物、微细灰尘等)小于光束直径，焦点误差信号Sfe的值将为“0”，并且不会对待测表面101的位移测量施加影响。位置信息生成器10的焦点误差信号生成器对焦点误差信号Sfe进行模数转换，并将转换结果输出到伺服控制电路。伺服控制电路向致动器输出驱动信号以控制致动器的驱动，其中，驱动信号是使焦点误差信号Sfe的值变为“0”的信号。由此，固定到透镜保持件的线性标尺在物镜3的光轴方向上移动。另外，检测头读取线性标尺的刻度，由此测量待测表面101的位移。接着，下面将说明设定准直透镜7、像散产生器8或者光接收部9在光轴方向上的位置的步骤。在本实施方式中，如果在照射点为圆形的状态中光接收部9 (光接收元件21至24) 沿光轴移动使得光接收部9变得更接近像散产生器8，则照射点将变成朝向光接收元件21、 23侧延伸的椭圆形(见图2A)。在物镜3的基准位置接近待测表面101移动以将焦点位置f设定在待测表面101 的后侧的情况中，例如，光接收部9(光接收元件21至24)的安装位置被移动成距离像散产生器8较远。结果，设定前在光接收部9的位置为圆形的照射点变成朝向光接收元件21、23 侧延伸的椭圆形。伺服控制电路控制致动器的驱动，使得在设定之后，光接收部9的位置上的照射点成为圆形(即，焦点误差信号Sfe的值为“0”)。在本实施方式中，如果照射点变成朝向光接收元件21、23侧延伸的椭圆形，则判定物镜3位于距离待测表面101比基准位置距离待测表面101远的位置，因此，致动器被控制以驱动物镜3接近待测表面101。结果，物镜3与待测表面101之间的相对距离可以改变，并且焦点位置f可以被设定在待测表面101的后侧。在上述示例中，光接收部9 (光接收元件21至24)在光轴上的位置被调整以将焦点位置f设定在待测表面的后侧。但是，作为本发明的位移检测装置，还可以调整像散产生器或者聚光器(准直透镜7)在光轴上的位置以将焦点位置f设定在待测表面的后侧。顺便提及，在具有柱状面的光学部件(例如，柱状透镜)被用作像散产生器的情况中，当调整像散产生器在光轴上的位置时，照射在光接收部9的四个光接收元件21至24上的反射光的照射点将变化。由此，可以改变由物镜3会聚的出射光的焦点位置f。但是，在基板用作像散产生器的情况中，即使调整像散产生器在光轴上的位置，照射在光接收部9的四个光接收元件21至24上的反射光的照射点也不会发生变化。由此，在基板用作像散产生器的情况中，调整光接收部或者聚光器在光轴上的位置以改变焦点位置f。在本实施方式中，由物镜3会聚的出射光的焦点位置f被设定在待测表面101的后侧。由此，由待测表面101反射并且通过物镜3的反射光是发散光。图4是示出待测表面上的光束直径与发散光(会聚光)的角度之间的关系的图。如图4所示，光束直径与发散光的角度成比例。顺便提及，图4所示的光束直径与发散光的角度之间的关系(即，比例常数)仅是示例，该关系根据物镜的焦距、NA(数值孔径)等变化。如果待测表面101的光束直径增大，则尽管可以减小待测表面101的表面粗糙度和/或待测表面101上的缺陷、灰尘等的影响，但是，由待测表面101反射并通过物镜3的反射光的发散角度将增大。如果通过物镜3的反射光的发散角度过大，则存在如下可能性 用于将反射光引导至光接收部件9的如偏振光束分光器15、准直透镜7等光学部件可能必须被制造得大。由此，优选地，考虑如偏振光束分光器15、准直透镜7等光学部件的尺寸来确定待测表面101上的光束直径。<2.根据第二实施方式的位移检测装置〉接着，下面将参考图5说明根据本发明的第二实施方式的位移检测装置。图5是示出根据本发明的第二实施方式的位移检测装置31的框图。除了由物镜会聚的出射光的焦点位置之外，第二实施方式的位移检测装置31的构造与第一实施方式中的位移检测装置1的构造(见图1)相同。由此，在第二实施方式中，将对焦点位置进行说明，相同的部件用与位移检测装置1相同的附图标记表示，并将省略对它们的说明。在位移检测装置31中，准直透镜7、像散产生器8或者光接收部9在光轴方向上的位置被设定成使得在由物镜3会聚的出射光的焦点位置位于待测表面101的前侧(即，物镜3侧)时焦点误差信号的值为“0”。在本实施方式中，在由物镜3会聚的出射光的焦点位置f位于待测表面101的前侧的与待测表面101间隔开预定距离d2的位置时，照射点成为圆形(见图2B)。由此，在照射点成为圆形的情况中，由物镜3会聚的出射光在待测表面101的前侧形成像。如图5所示，从光源2发出的出射光被准直透镜6转换成为平行光并由偏振光束分光器15反射。从光源2发出并由偏振光束分光器15反射的出射光通过相位板16，在相位板16处，所述光被转换成为圆偏振光，并且该圆偏振光由镜5反射以被引导至物镜3。之后，出射光被物镜3朝向待测表面101会聚，以在待测表面101的前侧形成像。由此，待测表面101上的出射光具有预定的直径(光束直径)。由此，尽管表面粗糙度小于光束直径和/或附着的异物(比如污物、微细灰尘等)小于光束直径，焦点误差信号Sfe的值将为“0”，并且不会对待测表面101的位移测量施加影响。接着，下面将说明设定准直透镜7、像散产生器8或者光接收部9在光轴方向上的位置的步骤。在物镜3的基准位置远离待测表面101移动以将焦点位置f设定在待测表面101 的前侧的情况中，例如，光接收部9(光接收元件21至24)的安装位置被移动成较接近像散产生器8。由此，设定前在光接收部9的位置为圆形的照射点变成朝向光接收元件22、24侧延伸的椭圆形。伺服控制电路控制致动器的驱动，使得在设定之后，光接收部9的位置的照射点成为圆形(即，焦点误差信号Sfe的值为“0”)。在本实施方式中，如果照射点变成朝向光接收元件22、24侧延伸的椭圆形，则判定物镜3位于距离待测表面101比基准位置距离待测表面101近的位置，因此，致动器被控制以驱动物镜3远离待测表面101。结果，物镜3与待测表面101之间的相对距离可以改变，并且焦点位置f可以被设定在待测表面101的前侧。在上述示例中，光接收部9 (光接收元件21至24)在光轴上的位置被调整以将焦点位置f设定在待测表面的前侧。但是，作为本发明的位移检测装置，还可以调整像散产生器或者聚光器(准直透镜7)在光轴上的位置以将焦点位置f设定在待测表面的前侧。另外，在基板用作像散产生器的情况中，调整光接收部或者聚光器在光轴上的位置以改变焦点位置f。在本实施方式中，因为由物镜3会聚的出射光的焦点位置f被设定在待测表面101 的前侧，所以，由待测表面101反射并通过物镜3的反射光是会聚光。如图4所示，光束直径与会聚光的角度成比例。顺便提及，图4所示的光束直径与会聚光的角度之间的关系(即， 比例常数)仅是示例，该关系根据物镜的焦距、NA(数值孔径)等变化。如果待测表面101的光束直径增大，则由待测表面101反射并通过物镜3的反射光的会聚角度将增大。如果通过物镜3的反射光的会聚角度变大，则存在反射光可能在物镜3与光接收部9之间成像的可能性。在这样的情况中，在反射光成像的位置附近不应布置光学部件。这是因为，如果灰尘附着到光学部件，则将会对被引导至光接收部9的反射光施加大的影响。另外，如果反射光的会聚角度变大，则用于将反射光引导至光接收部9的如准直透镜7、像散产生器8等透镜部件的透镜曲率小，因此，将增加比如透镜错位时的光束移动等的摄动灵敏度。因此，优选地，考虑如准直透镜7、像散产生器8等透镜部件的透镜曲率来确定待测表面101上的光束直径。<3.根据第三实施方式的位移检测装置〉接着，下面将参考图6说明根据本发明的第三实施方式的位移检测装置。图6是示出根据本发明的第三实施方式的位移检测装置41的框图。除了位移检测装置41还设置有用于分别使准直透镜7、像散产生器8和光接收部 9在光轴方向上移动的滑动机构42、43、44之外，第三实施方式的位移检测装置41的构造与第一实施方式的位移检测装置1的构造(见图1)相同。由此，在第三实施方式中，将对滑动机构42、43、44进行说明，相同的部件用与位置检测装置1相同的附图标记表示，并且将省略对它们的说明。如图6所示，位移检测装置41具有用于使准直透镜7在光轴方向上移动的滑动机构42、用于使像散产生器8在光轴方向上移动的滑动机构43、和用于使光接收部9在光轴方向上移动的滑动机构44。滑动机构42至44中的每一方均由例如致动器和引导部构成， 其中，致动器适于使如准直透镜7等光学部件移动，引导部适于引导如准直透镜7等光学部件在光轴方向上的移动。例如，可动线圈和永磁体、线性马达、压电元件等可以用作滑动机构42至44中的每一方的致动器。在本实施方式中，准直透镜7、像散产生器8和光接收部9在光轴上的位置可以由
9滑动机构42至44调整。由此，准直透镜7、像散产生器8或光接收部9的位置可以被设定成使得在由物镜3会聚的出射光的焦点位置f位于待测表面101的前侧或后侧时照射点成为圆形(见图2B)。结果，尽管表面粗糙度小于光束直径和/或附着的异物(比如污物、微细灰尘等)小于光束直径，焦点误差信号Sfe的值将为“0”，并且不会对待测表面101的位移测量施加影响。另外，准直透镜7、像散产生器8或光接收部9的位置也可以被设定成使得在由物镜3会聚的出射光的焦点位置f位于待测表面101上时照射点成为圆形(见图2B)。在该情况中，通过减小光束直径来测量待测表面101的微细形状是有利的。具体地讲，在位移检测装置41中，通过调整准直透镜7、像散产生器8和光接收部9在光轴上的位置，可以以根据使用条件确定的精度进行待测表面101的位移测量。在本实施方式中，滑动机构42、43、44被设置用于分别使准直透镜7、像散产生器8 和光接收部9在光轴方向上移动。但是，根据本发明的位移检测装置也可以设置有一个用于使准直透镜7、像散产生器8和光接收部9中的任一方在光轴方向上移动的滑动机构。另外，在基板用作像散产生器的情况中，由于照射到四个光接收元件21至24上的反射光的照射点不变化，所以设置用于使光接收部或者聚光器在光轴方向上移动的滑动机构。应该理解，本发明不局限于上面说明的并且在附图中示出的实施方式，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变型。例如，在上述实施方式中，从光源2发出的出射光由准直透镜6转换成为平行光；但是，从光源2发出并通过准直透镜6的出射光还可以是发散光或者会聚光。另外，在前述实施方式中，物镜3跟随待测表面101而在光轴方向上移动；但是，物镜3还可以固定到壳体11，由此能够使用焦点误差信号生成绝对位置信息。另外，在前述实施方式中，光源2以可拆卸的方式安装到壳体11。但是，在根据本发明的位移检测装置中，光源2还可以配置在与壳体11分开的位置，而不是配置在壳体11 内，光可以经由光纤供给到壳体11。利用这样的配置，作为热源的光源2能够与壳体11分开地配置，因此，可以防止壳体11内的温度升高。另外，通过将光源2以可拆卸的方式安装至光纤，可以在与壳体11分开的位置更换光源2，从而能够改进维护性。另外，在根据本发明的位移检测装置中，光源2还可以配置在与壳体11分开的位置，并且来自光源2的出射光可以经由气体空间、液体空间或者真空空间供给到壳体11。利用这样的配置，不仅作为热源的光源2可以与壳体11分开地配置，而且连接到壳体11的比如光纤等构件可以被取消，从而不会有振动传递到壳体11。另外，在前述实施方式中，光接收部9直接检测已经由像散产生器8产生像散的反射光。但是，在根据本发明的位移检测装置中，已经产生像散的反射光也可以经由光纤被引导至光接收部9。利用该配置，光接收部9的安装位置能够自由地确定，使得光接收部9和位置信息生成器10(焦点误差信号生成器)能够彼此接近地配置。结果，可以减小电气通信距离，由此提高响应速度。另外，在根据本发明的位移检测装置中，光圈(aperture)可以配置在物镜3和光接收部9之间的光路中，使得来自待测表面101的特定的反射光被遮断。例如，可以防止由附着于待测表面101的异物和/或待测表面101的凹凸引起的衍射光(杂散光)入射到光接收部9。结果，可以精确地控制光接收元件21至24所接收的光量相对于物镜3的散焦量的和信号(sum signal)。另外，在根据本发明的位移检测装置中，光散射体(例如，毛玻璃等)可以配置在偏振光束分光器15与光接收部9之间的光路中。利用这样的配置，可以在与入射到光接收部9的反射光的光轴方向垂直的截面中获得均一的光强度分布，因此能够减小待测表面101的表面粗糙度的影响。另外，如果前述的光散射体以例如IkHz的频率振动以多样地改变散射方向，则光接收元件21至24上的散斑(speckle)将被平均化，由此能够减小散斑对比度(speckle contrast)0另外，待测表面101可以经受镜面处理用于反射从光源2发出的出射光。通过进行这样的处理，可以由具有较高的S/N比的信号获得位置信息。另外，可以在具有待测表面的待测物体上形成衍射光栅，所述衍射光栅反射具有与从光源2发出的出射光相同的波长的光。优选地，这样的待测表面由通过组合前述实施方式的位移检测装置与用于接收衍射光以检测表面方向上的位置的所谓的“线性标尺”构成的位移检测装置来测量。利用这样的配置，可以检测三维位移。另外，在衍射光栅形成于待测物体的情况中，用于反射来自光源2的出射光的反射膜可以形成在衍射光栅的表面上，使得反射膜用作待测表面。前述实施方式的位移检测装置检测来自由反射膜形成的待测表面的反射光，由此检测高度方向上的位移。此时，由于在从光源2发出的出射光中没有因衍射光栅而引起的衍射光，因此，可以精确地检测位移。 顺便提及，线性标尺利用透过反射膜的光源来检测衍射光等。另外，由反射膜形成的待测表面也可以配置在衍射光栅的背侧。在这样的情况中， 从光源2发出的光透过形成衍射光栅的材料，并且线性标尺所使用的光变成由衍射光栅引起的衍射光。相关申请的交叉引用本发明包含与2010年6月17日在日本专利局提交的日本专利申请 JP2010-138732相关的主题，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。
权利要求
1.一种位移检测装置，其包括 光源；物镜，所述物镜适于将从所述光源发出的出射光朝向待测表面会聚； 分离光学系统，所述分离光学系统适于使来自所述待测表面的反射光的光路与来自所述光源的出射光的光路分离；聚光器，所述聚光器适于会聚借助所述分离光学系统与所述出射光的光路分离的所述反射光；像散产生器，所述像散产生器适于对由所述聚光器会聚的所述反射光产生像散； 光接收部，所述光接收部适于检测已经由所述像散产生器产生像散的所述反射光的量；禾口位置信息生成器，所述位置信息生成器适于利用基于所述光接收部所检测到的所述反射光的量获得的焦点误差信号生成所述待测表面的位置信息，其中，当由所述物镜会聚的所述出射光的焦点位于所述待测表面的前侧或者后侧时， 所述聚光器、所述像散产生器或所述光接收部在光轴上的位置被设定成使得所述焦点误差信号的值等于“0”。
2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于，所述位移检测装置还包括移动机构，所述移动机构适于使所述聚光器、所述像散产生器和所述光接收部中的任一方在光轴方向上移动。
全文摘要
一种位移检测装置(1)，其中，物镜(3)将来自光源(2)的出射光朝向待测表面(101)会聚。分离光学系统(4)使来自待测表面(101)的反射光的光路与来自光源(2)的出射光的光路分离。通过分离光学系统(4)的反射光被准直透镜(7)会聚，像散产生器(8)在所述反射光中产生像散，这种状态下的反射光被入射到光接收部(9)。位置信息生成器(10)利用基于光接收部(9)检测到的光量获得的焦点误差信号生成待测表面(101)的位置信息。另外，当由物镜(3)会聚的出射光的焦点位于待测表面(101)的前侧或后侧时，聚光器(7)、像散产生器(8)或光接收部(9)在光轴上的位置被设定成使得焦点误差信号的值等于“0”。
文档编号G01B11/30GK102313519SQ20111015495
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月17日
发明者小栗大介 申请人:株式会社森精机制作所