(57)【要約】【課題】本発明は、従来法では計測が困難であった裏面反射が生じる計測対象についても高い精度で位置判定が可能な位置判定装置を得ることを課題とするものである。【解決手段】計測対象物表面に対向する対物レンズと、該対物レンズを通して照明光を前記所定位置に集光する照明装置と、該対物レンズ光軸と光学的に等価な軸上に設置され計測対象物によって反射しさらに対物レンズを照明光とは逆方向に透過したビームを集光する集光レンズと、該集光レンズの後焦点面上において光軸上もしくは光軸直近を通る直線を境界として後焦平面の半分を遮蔽する遮光板と、該遮光板の光進行方向に置かれかつ到達した光の強度の分布から強度中心位置を算出する光検出器とを備えた位置判定装置において、前記対物レンズと前記遮光板の中間の光軸上の少なくとも1箇所に光軸を略対称軸とする領域を通り前記光検出器に至るビームの中央部を遮蔽する中間遮光板を配置する。【選択図】  図１３
2008209119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物の位置が所定の位置範囲内か否かを判定する装置であって、計測対象物表面に対してその光軸が略垂直に保持された対物レンズと、該対物レンズを通して照明光を前記所定位置に集光する照明装置と、該対物レンズ光軸と光学的に等価な軸上に設置され計測対象物によって反射しさらに対物レンズを照明光とは逆方向に透過したビームを集光する集光レンズと、該集光レンズの後焦点面上において光軸上もしくは光軸直近を通る直線を境界として後焦平面の半分を遮蔽する遮光板と、該遮光板の光進行方向に置かれかつ到達した光の強度の分布から強度中心位置を算出する光検出器とを備えた位置判定装置において、前記対物レンズと前記遮光板の中間の光軸上の少なくとも1箇所に光軸を略対称軸とする領域を通り前記光検出器に至るビームの中央部を遮蔽する中間遮光板を有することを特徴とする位置判定装置。
【請求項２】
中間遮光板の少なくとも1枚が、光軸がその対称軸とほぼ一致し、ビームの直径よりも小径の円形であることを特徴とする請求項１に記載の位置判定装置。
【請求項３】
中間遮光板の少なくとも1枚が、その長手方向が前記遮光板の遮蔽境界と略平行となるように置かれかつ光軸がその対称軸とほぼ一致し、短辺がビームの直径よりも短い矩形であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の位置判定装置。
【請求項４】
中間遮光板の位置が、対物レンズから対物レンズ焦点距離の8倍以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置判定装置。
【請求項５】
中間遮光板の遮光板遮蔽境界と垂直な方向の最大幅が、対物レンズ有効径もしくは対物レンズ主面位置における照射ビーム径の1／20以上かつ1／4以下の範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置判定装置。
【請求項６】
対物レンズの計測対象物側に、光軸を略中心とする円形開口を有する絞りを設け、該絞りの開口部周辺が前記光検出器に至る波長域の光を遮蔽する素材であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の位置判定装置。
【請求項７】
対物レンズの計測対象物側に、光軸を略中心としかつ開口部長辺が前記遮光板の遮光境界と略平行であるような長方形の開口を有する絞りを設け、該絞りの開口部周辺が前記光検出器に至る波長域の光を遮蔽する素材であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の位置判定装置。
【請求項８】
位置判定装置の判定結果に応じて計測対象物との相対的な位置関係を変化させる駆動機構を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の位置判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス等の透明性基板上に加工、被膜成形等を施すための装置に用いられる透明性基板と装置の位置関係を判定する位置判定装置に関するものであって、この装置は主として自動焦点合わせ装置に組み込んで使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の位置判定装置の構成と計測の原理を、図１、図２および図３を用いて説明する。
図１において、装置に対して決められた距離にある所定位置１５がその物体側焦点となるように対物レンズ２１が保持されている。照射光源２５から出た光は、絞り２６と照射レンズ２７によって適当な広がり角に成形された後、実線矢印４０ａ、４０ｂで示したごとくビームスプリッタ２３で反射し、対物レンズ２１を通って所定位置１５上に焦点、すなわち照射ビームスポット４２を結ぶ。本図では、煩雑になることを避けるために光線の位置を少しずらして表現し、またビームスプリッタ２３を透過した光線は記載されていない。
計測対象物表面１０ａが所定位置１５にある場合には、計測対象物表面１０ａによって反射した光線が破線矢印のごとく対物レンズ２１を通り、平行ビームとなってビームスプリッタ２３を透過し、集光レンズ２２によってその後側焦点位置に検出器側表面反射スポット５５を結び、ビーム重心位置検出型の光検出器２４に至る。ここでも、ビームスプリッタ２３で反射するビーム、およびビームスプリッタ２３を透過する際の屈折効果による光線のずれ等は、原理の説明に不要であるので描かれていない。集光レンズ２２の後側焦点面上には、光軸２０を通る直線を境界とする半平面、本図においては光軸２０から上半分を遮蔽する遮光板３０が置かれている。計測対象物表面１０ａからの反射光は、本条件下、すなわち計測対象物表面１０ａが所定位置１５にある場合には、 集光レンズ２２の後側焦点面において点状となり、遮光板３０で遮られることなく光検出器２４に至るため、光検出器２４で検出されるビーム重心位置は光軸２０に一致する。
【０００３】
次に図２を用いて、計測対象物表面１０ａが所定位置15より対物レンズ２１よりにある場合（以下Near側、対物レンズ２１から遠い側をFar側と略す）について説明する。計測対象物表面１０ａ上では、照射ビーム４０は焦点を結ぶ以前であるため光軸２０に近づく方向に反射し、破線で示したごとく対物レンズ２１寄りの位置に照射ビームスポット５２を結び、対物レンズ２１に入射する。レンズの結像原理に基づき、物体側焦点位置よりレンズに近いところから出た光線は対物レンズ２１を透過後発散光となってビームスプリッタ２３を透過し、集光レンズ２２に至る。このレンズにおいても、結像原理に基づき、有限距離からの光は像側焦点位置より遠方に結像されるため、検出器側表面反射スポット５５の位置は遮光板３０より光検出器２４寄りとなる。すなわち遮光板３０上ではビームの上半分が遮蔽される。従って、光検出器２４に至るビームは、図中網掛けで示した部分が削除され、光検出器２４で検出されるビーム重心位置は上側半円の重心位置となる。計測対象物表面１０ａが対物レンズ２１側から所定位置１５に近づいていくと。集光レンズ２２による焦点は光検出器２４側から遮光板３０に近づいていくので、検出されるビーム重心位置は光軸２０位置に少しずつ近づき、計測対象物表面１０ａが所定位置１５に達した瞬間にビーム重心位置が光軸２０位置に一致することになる。
【０００４】
図３を用いて、対物レンズ２１から見て計測対象物表面１０ａが所定位置１５より遠い場合、すなわちFar側にある場合について説明する。
この条件においては、照射ビーム４０は焦点４２を結んだのち光軸２０から離れつつある状態で計測対象物表面１０ａに至る。したがって、図中点線で示したように、対物レンズ２１から見て計測対象物表面１０ａより遠方の表面反射スポット５２から出てきたかのごとく反射する。この反射光５０は対物レンズ２１によって集束する光線となり、ビームスプリッタ２３を通って集光レンズ２２に至る。レンズの結像原理に基づき、集光レンズ２２の像側焦点位置より内側に検出器側表面反射スポット55を結ぶ。遮光板30は上側半分を遮蔽するため、光検出器24に至るビームは下半分となり、検出されるビーム重心位置は下半円の重心位置である。
【０００５】
計算シミュレーション例を図4に示す。計測結果は、使用するレンズの焦点距離および位置関係に依存する。
本例では、対物レンズ２１の焦点距離が９mm、集光レンズ２２の焦点距離が１４．５5mm、対物レンズ２１と集光レンズ２２間の距離が１２０mm、光検出器２４の直径は１２mmである。横軸は計測表面の所定位置１５からのずれ量をmm単位で示しており、マイナスは所定位置１５より対物レンズ２１側すなわちNear側を表している。また縦軸は光検出器24の出力で、検出されたビームの重心位置をmm単位で示している。
グラフの曲線は、所定位置１５を境にビーム重心位置が反転するので、たとえば光検出器24の出力がプラスであれば、計測対象物と対物レンズ２１の距離を離していき、光検出器24の出力が０を横切ってマイナスになる位置で停止させれば、自動焦点あわせが可能となる。この方式の位置判定方法を、ここではNear-Far方式を呼ぶことにする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上、表面からの反射のみを対象として説明したが、透明体の場合は表面からの反射と共に、透過した光が裏面から反射するのでノイズが発生する。例えば計測対象物がガラス板状のものである場合には、表面の反射率がおおよそ３％程度であるため、ビームの大半は表面を透過し、裏面において同様に３％程度の反射率でビームが反射する。この反射ビームはガラス内部から表面にいたり、そこでまた３％程度が反射する。したがって、入射ビームの０．９７×０．０３×０．９７程度のビームが裏面反射ビームとして、本来の表面反射ビーム５０に重畳する。
【０００７】
図５は、反射率３％、厚さ０．７mm、屈折率１．５のガラス基板における計算シミュレーションの例で、 光検出器24の出力(記号付き曲線）を左目盛りに、表裏面反射の集光レンズ２２によって形成されるスポットの遮光板３０からの位置（曲線のみ）を右目盛りにプロットしたもので、使用したレンズとその位置関係は図４の場合と同じである。
白丸で表した表面反射ビーム重心は所定位置（図３中符号１５）を境に急激にビーム重心位置が反転するのに対して、黒丸で表した裏面反射ビームは横軸の右３／４の領域で常に光軸２０に近いプラス側にビームの重心が位置している。黒い四角で表した両反射ビームを合わせた重心位置を見ると、所定位置１５の両側で同じ重心位置をとる条件が幅広く存在するため、所定位置１５より遠方か否かは広い範囲を走査してからでないと判断できない。また所定位置１５付近における変化の割合が小さいため、高精度な位置ずれ検出は期待できない。
【０００８】
この例からわかるように、従来のNear-Far方式の位置判定装置、あるいはそれを用いた自動焦点合わせ装置は、ガラスなどの透明で裏面からの反射が無視できない場合には有効に動作させることができなかった。本発明は、従来法では計測が困難であった裏面反射が生じる計測対象についても高い精度で位置判定が可能な位置判定装置を得ることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した従来のNear-Far方式の欠点を克服するためになされた。
裏面反射ビームの挙動を明確にするためには、反射ビームの光学的な挙動を知ることが必要である。
図５において、表面反射ビーム５０は、δｆ＝０を境にスポット位置が正から負に変わっている（δｆは所定位置１５と計測対象物表面１０aとの距離）。
ここではδｆもスポット位置もレンズから見てδｆ＝０の場合の位置よりも遠い方向を正としているので、δｆが負の側すなわちNear側にあるときには、本来焦点を結ぶ位置に至らない状態、すなわち集光レンズ２２によって形成されるスポット位置は正の方向であり、遮光板３０よりも光検出器２４側にある。
従って、検出されるビーム重心は光検出器２４の遮光板３０側、すなわち図３においては上半円の重心である。図５ではこれはビーム中心位置のプラス側に対応する。δｆが０を通ってFar側になると、本来焦点を結ぶ位置を通り越した状態であるので、 検出されるビーム重心は光検出器２４の遮光板３０と反対側、すなわち図３において下半円に移動する。一方裏面反射ビームは、δｆ＝−０．１３付近を境に右側で一貫して集光レンズ２２によるスポット位置が正である。光検出器２４と遮光板３０の間の距離は一般に少なくとも１０〜２０mm以上であるので、グラフの右３／４の領域ではスポット位置は遮光板３０と光検出器２４の間にある。
【００１０】
δｆ＝０．１付近における光路図を図６に示す。計測対象物表面１０ａはわずかにFar側にあるため、表面反射ビーム５０は対物レンズ２１によってわずかに収束され、集光レンズ２２で遮光板３０よりわずかに手前に光検出器側表面反射スポット５５を結ぶ。従って光検出器２４に至る表面反射ビーム５０は上半分が遮蔽され、検出されるビーム中心は下の半円の重心位置となる。
一方計測対象物裏面１０ｂによる裏面反射スポット６２は所定位置１５より遙かにFar側にあるため、裏面反射ビーム６０は対物レンズ２１によって集光レンズ２２より手前に一旦中間裏面反射スポット６４を結び、集光レンズ２２によって遮光板３０と光検出器２４の中間に光検出器側裏面反射スポット６５を結ぶ。すなわち光検出器２４に至る裏面反射ビームは下半分が遮蔽され、検出されるビーム中心は上の半円の重心位置となる。この重心位置は光軸２０に近いが、集光された状態であるためビーム強度が大きい。
【００１１】
光検出器２４で検出されるビーム重心位置は、上記表面反射ビーム及び裏面反射ビームそれぞれの重心位置とビーム強度の相関値として得られる。すなわち、
ビーム重心位置＝（表面反射ビーム重心位置×表面反射ビーム強度＋裏面反射ビーム重心位置×裏面反射ビーム強度）／（表面反射ビーム強度＋裏面反射ビーム強度）
であるので、表・裏面反射ビームを合わせたビーム中心は大きく上側にずれることになる。図５の中央から右側にかけて、表・裏面反射ビームを合わせたビーム重心が＋側にずれて山形になっているのはこのためである。
【００１２】
図７は、計測対象物１０に照射ビーム４０が入射するときの模式図である。
光軸２０上の点４２が照射ビーム４０が焦点を結ぶ位置で、ここが計測対象物表面１０ａが本来位置すべき所定位置１５と光軸２０の交点である。実際には照射ビームスポット４２に向かって照射ビーム４０が収束するが、図の簡略のため角度αiで入射する照射ビーム４１のみ図示する。
計測対象物の厚さをｔとし、その表面は所定位置１５より対物レンズ２１から見て遠方δｆにあるとする。照射ビームは照射ビームスポット４２でいったん焦点を結び、そこから発散光となって計測対象物表面１０ａで光軸２０との交点を中心とする円形領域を照射する。入射ビーム４１の計測対象物表面１０ａにおける位置は光軸２０からｈinの距離にある表面反射点５１で、約３％のビームは反射し反射ビーム５０のように進む。入射ビーム４１のうちの約９７％は計測対象物内部に進む。このとき計測対象物の屈折率をｎとすると、屈折角αrはSnellの法則により
【数１】
2008209119.tif 000003
と表される。
一方入射ビーム４１の表面入射位置ｈinは幾何学的に
【数２】
2008209119.tif 000004
と表される。
ここで、δfは所定位置１５からのずれで、対物レンズ２１から離れる方向すなわちFar側を正としている。表面反射点５１で計測対象物内部に進んだ光束は、裏面の裏面反射点６１で透過成分と反射成分に分かれるが、ここで問題にしている裏面反射ビームは裏面反射点６１で反射した後表面の表面射出点６３に至ってここで透過して、図７中裏面反射ビーム６０のごとく進む成分である。この光束は、図中に破線で示したように、光軸２０上の裏面反射スポット６２を光源をして発散するかのように進む。計測対象物表面１０ａから測った裏面反射スポット６２の位置δsは、光軸２０から測った表面射出点６３の位置houtを用いて
【数３】
2008209119.tif 000005
と表すことができる。表面反射点５１と表面射出点６３の間の距離は
【数４】
2008209119.tif 000006
であるから、δsは所定位置１５からのずれδf、屈折率ｎ、計測対象物の厚さtおよび入射角aiを用いて
【数５】
2008209119.tif 000007
と表される。
【００１３】
計測対象物を０．５mm、対物レンズ２１焦点距離を９mmとしたときの裏面反射スポット６２の位置δfと計測対象表面１０ａの所定位置１５からのずれδfの関係を図８のグラフに示した。これからわかるように、δfの絶対値が小さい領域では、裏面反射ビーム60の仮想光源である裏面反射スポット62の位置は対物レンズ21から見て本来の計測対象表面よりFar側にあり、また照射ビーム４０のうち入射角の大きい成分の裏面反射スポット６２の方が計測対象表面に近い。これは、入射角の大きい照射ビーム成分の方が表面反射ビームとの区別がしにくいということを示している。すなわち、入射角の大きい照射光成分が、図5において説明した高精度計測の阻害要因として大きな役割を果たしていることがわかる。
【００１４】
これらの結果から、
１．裏面反射ビーム６０は、対物レンズ２１によって本来の計測対象表面からの表面反射ビーム５０より大きく収束するので、対物レンズ２１の後方光軸２０上に中心付近の光を遮る中間遮光板を設けることにより、裏面反射ビーム６０の影響を軽減できる（請求項1〜5）
２．対物レンズ２１に入射する計測対象物１０からの反射光の角度の大きい成分を制限することにより、裏面反射ビーム６０の影響を軽減できる（請求項6，7）
という２点の知見を得ることができる。
【００１５】
この発明は、計測対象物の位置が所定の位置範囲内か否かを判定する装置であって、計測対象物表面に対してその光軸が略垂直に保持された対物レンズと、該対物レンズを通して前記所定位置に集光する照明光を照射する照明装置と、該対物レンズの光軸と光学的に等価な軸上に設置され計測対象物によって反射されて対物レンズを照明光とは逆方向に透過した光束を集光する集光レンズと、該集光レンズの後焦点面上において光軸上もしくは光軸直近を通る直線を境界として後焦平面の略半分を遮蔽する遮光板と、該遮光板の光進行方向に置かれかつ到達した光の分布から強度中心位置（ビーム重心位置）を算出する光検出器と、該光検出器の出力から所定の位置に対する計測対象物の位置の遠近を判定する位置判定装置と、前記対物レンズと前記遮光板との中間の光軸上の少なくとも1箇所に光軸を略対称軸とする領域を通り前記光検出器に至る光束の一部を遮蔽する中間遮光板を有するものとして構成する。
【００１６】
前記中間遮光板は、ビームの重心位置に基づいて計測対象物の位置と所定の位置のずれを判定する際にノイズとなるビームを遮蔽することを目的とするものである。したがって、この目的が達成しえる範囲において、その形状、大きさ、位置、数を適宜決定することができる。
例えば、中間遮光板をビームの直径よりも小さな直径の円板として、その中心を光軸にほぼ一致させて設置したり（請求項２）、中間遮蔽板をビームの直径よりも短い短辺の矩形として、その長手方向を前記遮光板の遮蔽境界と略平行となるように、かつ両長辺間の中心を光軸にほぼ一致させて設置する態様（請求項３）がある。
【００１７】
中間遮光板の位置は、対物レンズから、対物レンズ焦点距離の8倍以上離れた位置であることが好ましい（請求項４）。
前記中間遮光板の大きさは、遮光板による遮蔽境界と垂直な方向の最大幅が、対物レンズ有効径もしくは対物レンズ主面位置における照射ビーム径の1／20以上かつ1／4以下の範囲内であることが好ましい（請求項５）。
【００１８】
上記中間遮光板に加えて、対物レンズに入射する裏面反射光の入射角を制限することも有効である。その手法として、対物レンズの計測対象物側前面あるいは対物レンズ内部のレンズ有効径を決定しうる位置に、レンズ外縁部を通る入射光成分の少なくとも一部を遮蔽するための開口絞り（以下「対物レンズ絞り」という。）を設けることが考えられる。この対物レンズ絞りの具体的な態様としては、光軸を略中心とする円形開口を有する絞り（請求項６）、光軸を略中心としかつ開口部長辺が前記遮光板の遮光境界と略平行であるような長方形の開口を有する絞り（請求項７）などがある。
上記のようにして測定されたデータに基づき計測対象物の所定位置とのずれを検出し、公知の駆動機構と連動させて計測対象物の位置を変化させることができようにすることが好ましい（請求項８）。
【００１９】
図９は、半径０．５mmの円形の中間遮光板１枚を、対物レンズ２１主面から集光レンズ２２側に７０mm〜１２０mmの位置に、円の中心が光軸２０に一致するように装入した場合の光検出器24の出力を計算機シミュレーションした結果である。対物レンズの焦点距離は、図５，図８と同じ９mmである。また、遮光板を入れない状態は実線のみで表されている。
この図に示されるように、対物レンズ後方９０mmの位置に中間遮光板を装入すると、δf＝０の両側で光検出器の出力値の範囲を分離することができる。すなわち検出されるビーム重心（表面反射ビームと裏面反射ビームとの総合値）の位置が−０．９mmより＋側ならばNear側、−２mmより−側ならばFar側であると判定することができる。これは、図６における中間裏面反射スポット64の近傍に中間遮光板が置かれたため、表・裏面反射ビームのビーム径の違いによって、裏面反射ビームの強度が相対的に大きく減少し、光検出器24によって検出されるビーム重心に占める表面反射ビーム50の重心位置の割合が増加したためである。
中間遮光板が対物レンズ後方７０mmの位置の場合には、δf＝０付近の場合の裏面反射ビームを遮蔽しきれないため、Far-Nearの分離ができない。また、中間遮光板が対物レンズ後方１００mm以上の位置の場合には、よりNear側で中間遮光板が機能するため、Far側において十分な遮蔽効果が得られない。
【００２０】
中間遮光板の効果は、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数、計測対象物の厚さ、屈折率および中間遮光板の大きさなどの依存しており、その位置や大きさの範囲を一義的に決定することは困難である。図１０は図９と同条件で、対物レンズの焦点距離を１０mmにした場合の計算機シミュレーションの結果である。
図９において中間遮光板が有効に作用していた９０mmの位置では、δf＝０付近では効果がなく、計測対象物表面の位置δf＝０．０９mm以降で裏面反射ビームを遮っている。このグラフから、中間遮光板はどの位置であっても、計測対象物表面位置全域にわたって、裏面反射ビームを除去することはできないことがわかる。
一方、中間遮光板が110mmの位置にある場合には、δf＝０．１３mm以降では十分な裏面反射ビーム除去効果は得られないが、中間遮光板が９０mmの位置のときには除去できなかったδf=-０．０５〜＋０．１３の範囲で裏面反射ビームを除去することができる。これは、２枚またはそれ以上の中間遮光板を異なる位置に装入し、計測対処物表面の位置範囲に応じて裏面反射ビームの除去をそれぞれの中間遮光板に担わせればよいということを示している。
特に問題となるのは、Far側のビーム重心位置が裏面反射ビームの影響で＋側に引き上げられてしまうことであるので、Far側の曲線が引き下げられるべき領域において、これを引き上げる要因となる裏面反射ビームを２枚以上の中間遮光板に分担させて遮蔽すればよいことになる。
図１０の例では、グラフの右半分で曲線の持ち上がりが重なり合わない組み合わせ、すなわち半径０．５mmの中間遮光板を８０mmまたは９０mmの位置と１１０mmの位置に１枚ずつ、あるいは１００mmの位置と１２０mmの位置に1枚ずつ装入すれば、δf＝０の両側で光検出器の出力の値が分離される。この結果、光検出器によるビーム重心判定位置が−０．１８mm以上ならNear側、−０．２４mm以下ならFar側であると判定することが可能になる。
【００２１】
発明者らは、計算機シミュレーションによって、様々な条件について検討した結果、中間遮光板の位置については、対物レンズ後方の対物レンズ焦点距離の8倍以上の位置が適切であることを見いだした。この範囲は、中間遮光板が複数枚の場合にも、それぞれの中間遮光板について成り立つ。
また大きさについては、遮光板の遮光境界に直角な方向に大きいほど効果が高いが、本来計測の対象となる表面反射ビームを遮蔽する影響も大きくなるため、限界がある。
【００２２】
図１１は、中間遮光板の半径を０．２mmから１．２mmまで変えたときのビーム重心位置の変化を示したグラフで、対物レンズの焦点距離は９mm、開口数は０．５、対物レンズから中間遮光板までの距離は、図９で望ましい結果が得られた９０mmに固定した。また対物レンズ主面における照射ビーム半径は６mmとした。この結果から、半径が０．２mmでは、所定位置からのずれδｆが０から０．８の範囲でしか有効に働いていないが、中間遮光板の半径がそれ以外の場合は横軸全域にわたって中間遮光板の効果が認められる。
【００２３】
図１２は、中間遮光板の半径を変えたときに、表面反射ビームと裏面反射ビームの光検出器に到達する量を、計算機シミュレーションによって求めた結果である。対物レンズから中間遮光板までの距離は９０mm、照射ビーム半径を６mmとし、中間遮光板の半径を０．２５mmから１．５mmまで変えた。縦軸は光検出器に到達するビーム量で、中間遮光板が無いときのビーム量を１とした。横軸は所定位置１５からのずれδfである。各曲線は、曲線が下に行くほど中間遮光板によって遮られる量が多いことを表している。
中間遮光板半径が０．２５mmでは、δf＝０〜０．１２mmの範囲で、裏面反射ビームが大きく減少しており、図１１の結果と対応している。一方、中間遮光板半径が１．５mmのときの表面反射ビーム量を見ると、δf=−０．２〜−０．０３mmの範囲で０になっている。すなわち、本来の信号である表面反射ビームが、この範囲では中間遮光板によってすべて遮られてしまうことを意味している。中間遮光板半径１．２５mmのときでもδf＝−０．２mmにおいては表面反射ビームの９０％が遮られてしまっている。
これらの結果から、この光学的条件では、照射ビーム半径６mmに対して、中間遮光板半径は０．３mm程度以上、１．２mm程度以下でなければならないということがわかる。この数値は、光学条件によって変化するが、さまざまな条件でシミュレーションした結果、中間遮光板の半径を、対物レンズで取り込む反射ビームおよび裏面反射ビームの径の、1／20以上かつ1／4以下にすれば、裏面反射ビームの遮蔽効果が得られ、かつ検出に必要な表面反射ビーム量を確保できることがわかった。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、中間遮蔽板によって測定対象物の裏面で反射する光の少なくとも一部を遮蔽することができる。また、中間遮蔽板と、先に述べた対物レンズに入射する反射光の角度を制限する対物レンズ絞りを併用することにより、一層多くの裏面反射光を遮蔽することができる。その結果、遮光板を通過する光束のノイズが減少し、測定対象物がガラスのような透光性のものであっても、測定対象物の位置がNear側であるかFar側であるかを正確に検出することができる。
また、計測対象物表面の画像を同時に観察する応用例も考えられる。この場合には光検出器に至る光と、画像観察用撮像素子に至る光とは波長域（一般には可視光）を分ける必要がある。画像観察では、対物レンズに入射する角度を制限すると分解能が低下する。そこで、画像観察用の光は透過し、位置計測用の光は透過しない素材を用いれば、高精度な位置判定と高分解能画像観察が両立する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明の一実施例を図１３により説明する。
ここでは、対物レンズ２１と集光レンズ２２の中間（ビームスプリタ２３と集光レンズ２２の間）に、光軸20をほぼ中心とする円形の中間遮光板３１を装入した。本図では、計測物表面１０ａは所定位置１５よりややFar側にあるので、表面反射ビームは対物レンズ２１でわずかに収束されて集光レンズ２２に入射する。集光レンズ２２によって形成される検出器側表面反射スポット５５は、後側焦点位置である遮光板30の位置よりも集光レンズ２２側に位置する。従って、図の上側のビームが遮光板で遮られ、ビーム重心位置は下半円ビームの重心位置となる。
【００２７】
裏面反射スポット６２の位置は、表面反射スポット５２よりもFar側にあるため、対物レンズ２１によってより早く収束し、中間裏面反射スポット６４に向けてフォーカスする。中間遮光板３１は中間裏面反射スポット６４の手前に位置させてあり、この中間遮蔽板３１によって裏面反射ビーム６０の全部もしくは大部分がこれに遮られ、光検出器24には到達しない。このため、計測の傷害となる裏面反射ビームは有効に除去され、高精度な位置判定が可能である。
計測対象物１０と対物レンズ２１の距離は１例しか図示してないが、Near-Farの広い範囲で裏面反射ビーム６０を遮蔽できる。
【００２８】
図１４は、本構成によって得られた実際の実験データである。図１０結果と比較すると、中間遮光板の有無の傾向はきわめてよく一致しており、中間遮光板が有効に作用していることがわかる。
【実施例２】
【００２９】
図１５は、本発明の第２の実施例で、対物レンズ２１の後方（ビームスプリタ２３と集光レンズ２２の間）に第１の中間遮光板３１ａと第２の中間遮光板３１ｂを設けたものである。表面反射ビーム５０ａおよび裏面反射ビーム６０ａはそれぞれFar側の表面反射ビーム、裏面反射ビームを、表面反射ビーム５０ｂおよび裏面反射ビーム６０ｂはそれぞれNear側の表面反射ビーム、裏面反射ビームを表しているが、計測対象物表面１０ａ、 計測対象物裏面１０ｂ、表面反射スポット４２、裏面反射スポット６２等、説明に直接影響しない部分は、煩雑になることを避けるためFar側しか図には記載されていない。
Far側における表面反射ビーム５０ａは、対物レンズ２１でわずかに収束されて集光レンズ２２に入射し、集光レンズ２２によって遮光板３０の手前に検出器側表面反射スポット５５ａが形成される。これに対して裏面反射スポット６２の位置は、表面反射スポット５２よりもFar側にあるため、対物レンズ２１によってより早く収束し、中間遮光板３１ａによって大部分がこれに遮られる。従って、光検出器２４に裏面反射ビーム６０ａの大部分は到達しない。しかし表面反射ビーム５０ａの中間遮光板３１ａの位置におけるビーム径は、中間遮光板３１ａの径より数倍大きいため、表面反射ビーム５０ａの強度の低下は少ない。従って、光検出器２４で検出されるビーム重心位置は下側となり、測定対象物はFar側であると判定することができる。
【００３０】
一方Near側における表面反射ビーム５０ｂは、対物レンズ２１でわずかに発散して集光レンズ２２に入射し、集光レンズ２２によって遮光板３０の奥に検出器側表面反射スポット５５ｂが形成される。これに対して裏面反射ビーム６０ｂは、対物レンズ２１によって表面反射ビーム５０ｂより早く収束する。しかし、Far側のときよりは収束の度合いが小さいので、中間遮光板３１ａの位置に於いてはまだ大きな径を有し、中間遮光板３１ａでは十分除去することができない。
そこで第2の中間遮光板３１ｂを中間遮光板３１ａより集光レンズ２２側に設けることにより、裏面反射ビーム６０ｂを除去する。ここでも表面反射ビーム５０ｂの中間遮光板３１ａおよび中間遮光板３１ｂの位置におけるビーム径は、中間遮光板３１ａおよび中間遮光板３１ｂの径より数倍大きいため、表面反射ビーム５０ｂの強度の低下は少ない。従って、光検出器２４で検出されるビーム重心位置は上側となり、測定対象物はNear側であると判定することができる（図１６参照）。
【実施例３】
【００３１】
図１７は、本発明の第３の実施例である。
これは、図１３における中間遮蔽板３１の別の形態の例である。対物レンズ21と集光レンズ２２の中間に装入する中間遮光板３１は円形ではなく、長手方向が遮光板３０の遮光境界と略平行で、その遮光境界と垂直方向の長さが対物レンズ２１の開口数で決まる径の１／２０以上かつ１／４以下であるような矩形を有していることが特徴である。全体構成は図１３と同じであるので、中間遮光板31を光の進行方向に見た図を示した。
図中ハッチングを施した矩形の部分が遮光板３０で，表面反射ビーム５０の外縁、裏面反射ビーム６０の外縁および矩形の中間遮光板31のみが描かれている。この図からわかるように、表面反射ビ−ム５０の遮られる領域の割合に対して、裏面反射ビーム６０が遮られる領域の割合の方が遙かに大きいため、裏面反射ビーム６０が有効に除去され、表面反射ビームの大部分は残存する。
円形の中間遮光板と比較すると、表面反射ビーム５０を遮る影響がやや大きいという短所があるが、製造が容易であること、光学系内への設置が容易である。また、円形の中間遮光板の場合は光検出器におけるビームの形状は中心部分の欠けた半円であるのに対して、矩形とした場合は円の中心を通る帯状の部分が欠けた形状の上又は下半分となる。そのために、矩形の中間遮光板では中心に近い幅の広い部分が欠ける。そのために矩形とした場合には半円形とした場合よりもビームの上・下の重心位置の分離がより明確になるというメリットを有している。
この形態の中間遮蔽板は図１３の構成に限ることなく使用することができる。
【実施例４】
【００３２】
図1８は、本発明の第４の実施例である。これは、対物レンズ２１1と集光レンズ２２の間に中間遮光板３１を設けた第１の実施例に加えて、対物レンズ２１の前面に計測対象物の表裏面から反射されたビームの対物レンズ２１に対する取り込み角を制限するために、円形開口絞り３２（対物レンズ絞り）を対物レンズ２１の前面に設けたことが特徴である。
図１０においては、１枚の中間遮光板３１ではδf＝０を境に、光検出器２４の出力範囲をNear側とFar側で分離することができなかった。このときの対物レンズ２１の開口数（N.A.）は０．５であったが、本実施例では対物レンズ絞り３２によって開口数を０．３程度に制限し、それ以外の条件は同一である。
結果は、中間遮光板３１の位置が８５mmから１０５mmの広い範囲で１枚の中間遮光板３１でNear−Farの分離が可能になった。開口数を制限したことによる効果の特徴は、δfの全域で光検出器24の出力が光軸に近い＋側に引き寄せられる影響が小さくなったことである。これは、図７において説明したとおり、 計測にとって最も大きな阻害要因は照射ビーム４０のうちの入射角の大きい成分が裏面反射したものであるが、これを円形開口絞りで除去したことによる（図１９参照）。
なお、対物レンズ絞りは、絞り量を可変とすることができることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上説明してきたように、本発明によれば、裏面反射がある透明性計測対象物において、計測の傷害となる裏面反射ビームを、対物レンズの後方に装入した1枚以上の中間遮光板もしくは対物レンズに計測対象物裏面から反射して入射するビ−ムの角度を制限する円形開口絞りもしくはその両者を用いることにより、裏面反射ビームの影響を有効に除去することが可能となり、計測表面との距離を高精度に判定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のNear-Far型位置判定装置の判定原理を説明するための模式図である。
【図２】従来のNear-Far型位置判定装置の判定原理を説明するための第2の模式図である。
【図３】従来のNear-Far型位置判定装置の判定原理を説明するための第3の模式図である。
【図４】従来のNear-Far型位置判定装置の測定結果の問題のない例を示すグラフである。
【図５】従来のNear-Far型位置判定装置では測定ができない例を示す図グラフである。
【図６】従来のNear-Far型位置判定装置における裏面反射ビームを含むビームの進路を示す図である。
【図７】透明性の測定対象物における表・裏面反射を詳細に説明する図である。
【図８】裏面反射による反射スポット位置が、照射ビームの入射角に依存し、入射角の大きい成分がより大きな悪影響を及ぼすことを示す図である。
【図９】中間遮光板を装入することによって裏面反射ビームを有効に除去でき、位置判定が可能になることを示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１０】複数の中間遮光板によって測定対象物との距離の範囲ごとに裏面反射ビームを有効に除去でき、位置の判定が可能になることを示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１１】中間遮光板の半径とビーム重心との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１２】中間遮蔽板の半径とビーム強度の関係を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１３】対物レンズ21と集光レンズ22の中間に、中間遮光板31を装入した位置判定装置の最も基本的な一実施例の模式図である。
【図１４】本発明の基本的な実施例によって得られた計測データのグラフである。
【図１５】対物レンズ21と集光レンズ22の中間に、第1および第2の中間遮光板31a,31bを装入した、本発明の第2の実施例の模式図である。
【図１６】中間遮光板を二枚組み合わせた場合のビーム重心位置を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１７】中間遮光板の形状を矩形にしたもので、本発明の第3の実施例である。
【図１８】対物レンズ21と集光レンズ22の中間に中間遮光板31を装入し、さらに対物レンズの物体側入射部に円形開口を有する絞りを設けた、本発明の第4の実施例の模式図
【図１９】第４の実施例におけるビーム重心の変化を示すシミュレーション結果のグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 計測対象物
１０ａ 計測対象物表面
１０ｂ 計測対象物裏面
１５ 所定位置
２０ 光軸
２１ 対物レンズ
２２ 集光レンズ
２３ ビームスプリッタ
２４ 光検出器
２５ 照射光源
２６ 絞り
２７ 照射レンズ
３０ 遮光板
３１ 中間遮光板
３１ａ 中間遮光板
３１ｂ 中間遮光板
３２ 対物レンズ絞り
４０ 照射ビーム
４０ａ 照射ビーム
４０ｂ 照射ビーム
４１ 照射ビーム
４２ 照射ビームスポット
５０ 表面反射ビーム
５０ａ 表面反射ビーム
５０ｂ 表面反射ビーム
５１ 表面反射点
５２ 表面反射スポット
５５ 検出器側表面反射スポット
５５ａ 検出器側表面反射スポット
５５ｂ 検出器側表面反射スポット
６０ 裏面反射ビーム
６０ａ 裏面反射ビーム
６０ｂ 裏面反射ビーム
６１ 裏面反射点
６２ 裏面反射スポット
６３ 表面射出点
６４ 中間裏面反射スポット
６５ 検出器側裏面反射スポット
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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