(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の構成を有する位置検出装置。
被測定物上に所定範囲でスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方の位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方の位置で受光する第２受光素子と、
被測定物とスポットの相対位置を停止することなく変位させる走査手段と、
所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との出力に基づき、スポットを停止することなく走査する所定の期間内での上記第１受光素子の出力及び上記第２受光素子の出力とが実質的に等しい場合に所定位置を決定する位置決定手段。
【請求項２】
次の構成を有する位置検出装置。
被測定物上に所定範囲でスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方の位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方の位置で受光する第２受光素子と、
被測定物とスポットの相対位置を停止することなく変位させる走査手段と、
所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との出力に基づき、スポットを異なる位置に走査したときの上記第１受光素子の出力及び上記第２受光素子の出力に基づいて、これらの出力の平均値同志が等しい場合に所定位置を求める位置決定手段。
【請求項３】
次の構成を有する位置検出装置。
被測定物上に所定範囲でスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方の位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方の位置で受光する第２受光素子と、
被測定物とスポットの相対位置を停止することなく変位させる走査手段と、
上記スポットを停止することなく走査する所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との蓄積された受光光量の出力に基づき、所定位置を求める位置決定手段。
【請求項４】
次の構成を有する位置検出装置。
被測定物上に所定範囲でスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方の位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方の位置で受光する第２受光素子と、
被測定物とスポットの相対位置を停止することなく変位させる走査手段と、
上記走査手段によりスポットを停止することなく走査する所定の測定期間における第１受光素子と第２受光素子との出力に基づき、所定の期間内、積分した後に、これらが実質的に等しい場合に所定位置を求める位置決定手段。
【請求項５】
上記走査手段は、上記投影光学手段により形成された光束の途中で回転する偏角プリズムである請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項６】
上記走査手段は、被測定物を上記投影光学手段に対して相対的に移動させる移動ステージである請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項７】
上記走査手段は、上記投影光学手段により形成された光束の途中で回転する偏角プリズムと、被測定物を上記投影光学手段に対して相対的に移動させる移動ステージとの組み合わせである請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項８】
上記走査手段は被測定物に対してスポットを実質的に等速で変位させる請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項９】
上記走査手段は被測定物に対してスポットを曲線のみからなる形状に沿って変位させる請求項８記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記所定位置が集光位置である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
上記第１受光素子と、第２受光素子とは、ビームスプリッターにより分割された光束を受光するように構成されていることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項１２】
次の構成を有する位置検出装置。
光源、コリメータレンズ、ピンホール、ハーフミラー及び対物レンズを有し、それらにより光束を形成して被測定物上に前記光束によりスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物から反射された光束を、集光位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方となる第１位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物から反射された光束を、前記集光位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方となる第２位置で受光する第２受光素子と、
被測定物に対してその所定範囲でスポットを相対的に停止させることなく変位させる走査手段と、
さらに、位置決定手段とを有し、その位置決定手段が、
スポットを停止することなく走査する所定の期間内での上記第１受光素子の出力及び上記第２受光素子の出力とが実質的に等しい場合に所定位置を決定する位置決定手段、
所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との出力に基づき、スポットを異なる位置に走査したときの上記第１受光素子の出力及び上記第２受光素子の出力とに基づいて、これらの出力の平均値同志が等しい場合に所定位置を求める位置決定手段、
上記スポットを停止することなく走査する所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との蓄積された受光光量の出力に基づき、所定位置を求める位置決定手段、及び
上記走査手段によりスポットを停止することなく走査する所定の測定期間における第1受光素子と第２受光素子との出力に基づき、所定の期間内、積分した後に、これらが実質的に等しい場合に所定位置を求める位置決定手段の少なくとも何れか一つであること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、オートフォーカス機構などに使用する位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オートフォーカス機構には正確で迅速な位置検出が不可欠である。従来、合焦動作に利用するための様々な位置検出装置が提案されているが、代表的なものに光スポットを利用する装置と画像コントラストを利用する装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者の光スポットを利用する装置では、ワーク表面の凸凹や段差によって光が散乱されるため、ワークの表面状態が悪い場合には高精度の位置検出が困難であった。
【０００４】
後者の画像コントラストを利用する装置は、縞パターンをワーク表面に投影してその像のコントラストをフォトダイオードアレイやＣＣＤカメラで検出する装置である。この装置は、例えば顕微鏡ユニットとワークの距離を変化させつつ投影された縞パターンに関する信号を取り込みこれを処理することによって位置検出並びに合焦動作を行う構成になっている。このため、最終的に合焦が成されるまで多くの時間を用する欠点があった。
【０００５】
本発明の目的は、被測定物の所定位置からの偏差量及び偏差方向を迅速かつ正確に求めることができる位置検出装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明は、次のとおりである。すなわち、次の構成を有する位置検出装置。
【０００７】
被測定物上に所定範囲でスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方の位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物からの反射光束を所定位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方の位置で受光する第２受光素子と、
被測定物とスポットの相対位置を停止することなく変位させる走査手段と、
所定の測定期間における上記第1受光素子と上記第２受光素子との出力に基づき、被測定物の位置を求める位置決定手段。
【０００８】
本願の第２発明は、次のとおりである。すなわち、次の構成を有する位置検出装置。
【０００９】
光源、コリメータレンズ、ピンホール、ハーフミラー及び対物レンズを有し、それらにより光束を形成して被測定物上に前記光束によりスポットを投影する投影光学手段と、
スポットが投影された被測定物から反射された光束を、集光位置に対して光軸方向に所定距離だけ前方となる第１位置で受光する第１受光素子と、
スポットが投影された被測定物から反射された光束を、前記集光位置に対して光軸方向に所定距離だけ後方となる第２位置で受光する第２受光素子と、
被測定物に対してその所定範囲でスポットを相対的に停止させることなく変位させる走査手段と、
所定の測定期間における前記第1受光素子と前記第２受光素子との出力に基づき、被測定物の位置を求める位置決定手段。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の位置検出装置によれば、被測定物の異なる部分からの反射光束の成分によって位置の検出を行うことができ、測定精度を向上させることができる。
【００１１】
【実施例】
この発明は、被測定物上に形成されるスポットが実質的に停止することなく運動をする位置検出装置である。
【００１２】
最善の例は、被測定物上でスポットが等角速度で円や楕円などのように曲線のみからなる形状に沿って運動する例である。
【００１３】
以下、図示例を説明する。
【００１４】
図１に示す第１の図示例において、光源１からの光は、一旦コリメータレンズ２を通って平行光束となり、ピンホール３を照明する。
【００１５】
ピンホール３から射出された光束は偏向プリズム４で偏向され、さらにハーフミラー６で反射される。しかる後に、光束は対物レンズ７を通り、被測定物Ｍ付近でスポットを形成する。
【００１６】
偏向プリズム４は、例えばモータ８により、そこの連結されたギヤ９と、そのギヤ９に咬み合うとともに偏光プリズム４の外周全体に配置された円環状のギヤ１０を介して光軸１１の回りに回転可能に構成されている。偏向プリズム４の回転によって、これを通過する光束の偏向方向が変わるので、被測定物Ｍ上に形成されるスポットＳの軌跡は図３に示すように円形形状となる。すなわち、偏向プリズム４が、モータ８によって一定速度で光軸１１を中心として回転させられており、被測定物Ｍ上に形成されるスポットＳは、一定角速度で円運動する。
【００１７】
この第１実施例では、回転する偏向プリズム４が『走査手段』に相当する。また、光源１、コリメータレンズ２、ピンホール３、ハーフミラー６及び対物レンズ７が『投影光学手段』に相当する。また、第１受光素子２１と第２受光素子２２が『受光手段』に相当する。
【００１８】
被測定物表面からの反射光は、それぞれ第１受光素子２１と第２受光素子２２によって受光される。これらの第１受光素子２１と第２受光素子２２の位置関係は次のように設定する。すなわち、被測定物Ｍが所定位置に配置された時に、被測定物Ｍの表面からの反射光束の集光位置Ｆを基準にして、そこから所定距離だけ前方で反射光束を受光するように第１受光素子２１を配置し、同距離だけ後方で反射光束を受光するように第２受光素子２２を配置するのである。
【００１９】
なお、第１受光素子２１は、被測定物Ｍからの反射光束をハーフミラー２３を介して受光する構成になっている。
【００２０】
被測定対象物Ｍは、ステージ３０に載置されている。ステージ３０は、モータ３２により基台３１と相対的に光軸方向（Ｚ方向）に移動可能になっている。
【００２１】
ステージ３０を光軸方向に移動するかわりに、対物レンズ等の光学手段全体が被測定物に対して移動する構成にしても良い。
【００２２】
次に、位置決定手段の一例を説明する。
【００２３】
まず、図２に示すブロック図を参照して、第１・２受光素子２１，２２で得た受光量の処理方法を説明する。
【００２４】
積分回路４０ａ，４０ｂは、抵抗Ｒ，Ｒ１、コンデンサＣ、アンプＡＰにより構成され、第１受光素子２１、第２受光素子２２の出力を積分処理する。積分回路４０ａ，４０ｂは減算回路５０に接続されている。
【００２５】
第１受光素子２１の出力と第２受光素子２２の出力は、光軸方向（Ｚ方向）位置を横軸とし、出力レベルを縦軸にとると、例えば図４に示すような波形となる。図４中の矢印は、所定位置を示している。
【００２６】
積分回路４０ａ，４０ｂの時定数τ（＝Ｃ＊Ｒ）は、好ましくは、偏向プリズムが一回転する周期Ｔよりも大きな値にする。時定数τをこのように定めることにより、検出精度を高めることができる。なぜなら、被測定物の比較的広い領域からの反射光束を位置の検出に利用できるからである。
【００２７】
なお、積分回路４０ａ，４０ｂの時定数τは、偏向プリズムの回転周期Ｔより小さな値に設定することも可能であるが、その際には、被測定物のある程度異なる部分からの信号成分の加え合わせによって十分な精度が得られる範囲内で時定数τを選定する必要がある。
【００２８】
積分回路４０ａ，４０ｂからの信号は減算回路５０に送られる。減算回路５０は、積分処理された第１受光素子２１の信号（１）から第２受光素子２２の信号（２）を減算し、その結果を制御演算部１００に送る。図５は、第１受光素子２１の信号（１）から第２受光素子２２の信号（２）を減算した信号を示している。なお、図５中の矢印は所定位置の一例を示しており、被測定対象物Ｍが所定位置にあるときに減算回路の出力はゼロとなる。
【００２９】
減算回路５０には制御演算部１００が接続されている。制御演算部１００は、減算回路５０の出力に基づいて次のような判定を行う。すなわち、減算回路の出力が正値の場合には被測定物Ｍが所定位置の前方に位置し、出力が負値の場合には被測定物Ｍが所定位置の後方に位置し、出力がゼロの場合には被測定物が所定位置にあると判定する。また、制御演算部１００は、減算回路の出力の絶対値が大きいほど所定位置からずれているものと判定する。絶対値の大きさと被測定物のズレ幅の関係については予め較正を行って、対応関係を求めておくと良い。
【００３０】
制御演算部１００は、所定位置からの変位量及び変位方向を表示部６０に表示させる。制御演算部１００は、上述した判定の結果に基づき操作部７０に指示を与え、必要に応じて又は自動的に、ステージ移動部８０を駆動して被測定物Ｍを所定位置まで移動させる。また制御演算部１００は、偏向プリズム回転駆動部９０を制御して、偏向プリズム４を光軸回りに所定の周期Ｔで回転させる。
【００３１】
次に、図６を参照して本発明による第２の図示例を説明する。
【００３２】
図６は第２の図示例における光学手段を示していて、図１と同一の構成要素には同じ符号が付してある。以下では図１との相違点を中心に説明する。
【００３３】
第２の図示例では、第１の図示例の偏向プリズム４は設けられていない。その代わりに、ステージ部３０ａが、光軸方向のみならず、光軸と直交するＸＹ平面内でも移動可能になっており、それによってＸＹ平面内で被測定物Ｍをわずかに移動させることによって、第１の図示例の偏光プリズム４の回転と同様の作用を得るのである。
【００３４】
第２の図示例においては、ＸＹ平面内の移動は、走査用の第２モータ３３の駆動力で行われる。第２モータ３３によってベアリング３４に載せられたステージ３５がＸＹ平面内に移動する構成になっていて、これが『走査手段』を構成している。走査用の第２モータ３３によって、Ｘ方向とＹ方向に移動可能な構成において、Ｘ方向とＹ方向の移動の振幅と周期（周波数）を等しくし、互いに９０°位相の差を与える。その結果、光源１からの光による被測定物Ｍ上に形成されるスポットＳは、等角速度の円運動を行なう。
【００３５】
図７は、本発明の第３の図示例を示す。断面台形の柱の形状をした偏向プリズム４ａが、光源１からの光を図面と直交する方向に偏向するように、図面の上下方向の軸回りに回転させられるように構成されている。偏向プリズム４ａの回転により、光源１からの光は、紙面と直交する方向（Ｙ軸方向）に移動する。一方、ステージ３０は、Ｘ方向（偏向プリズム４ａによる光の動きと直交する方向）にモータ３２で移動させられる。上述した偏向プリズム４ａによるＹ方向の移動範囲と、ステージ３０によるＸ方向の移動範囲とが、等しい同じ周期（周波数）の移動になる様に設定し、かつ両者に９０°位相の差を与える。その結果、光源１からの光によって被測定物Ｍ上に形成されるスポットＳは、被測定物Ｍ上に対して等角速度の円運動を行なう。
【００３６】
次に、前述の図示例１〜３の応用例について簡単に述べる。
【００３７】
第１の図示例においては、第１受光素子２１と第２受光素子２２の出力を積分することにより、被測定物Ｍの異なる部分の信号成分の加え合わせにより十分な精度を得ていたが、第１受光素子２１と第２受光素子２２とをＣＣＤのような蓄積作用のある受光素子として構成すれば、被測定物Ｍの異なる部分の信号がえられる適当な蓄積時間にわたって第１受光素子２１と第２受光素子２２の出力を蓄積させることにより、積分回路を設けなくとも、本発明の所望の効果を得ることができる。
【００３８】
また、第１の図示例においては、第１受光素子２１と第２受光素子２２の出力を積分することにより、被測定物Ｍの異なる部分の信号成分の加え合わせにより十分な精度を得ていたが、被測定物Ｍの異なる位置での反射による第１受光素子２１と第２受光素子２２との信号による測定を複数回繰り返し、その平均値を求めて被測定物Ｍの位置を求めることにより十分な精度を得ることもできる。この場合にも、積分回路を用いずに本願発明による所望の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の図示例を示す概略図。
【図２】  第１の図示例の信号の流れを示すブロック図。
【図３】  図１における被測定物上のスポットの様子を示す平面図。
【図４】  図１と図２における第１受光素子と２受光素子の出力例を示すグラフ。
【図５】  図４の２つの出力の減算により得られたグラフ。
【図６】  本発明の第２の図示例を示す概略図。
【図７】  本発明の第３の図示例を示す概略図。
【符号の説明】
１    光源
２    コリメータレンズ
３    ピンホール
４    偏向プリズム
６    ハーフミラー
７    対物レンズ
３０    ステージ
３１    基台
３２    モータ
２１    第１受光素子
２２    第２受光素子
４０ａ，４０ｂ    積分回路
５０    減算回路
６０    表示部
７０    操作部
８０    ステージ駆動部
９０    偏向プリズム回転駆動部
１００    制御演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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