(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、光源から位置検出用光束を前記対物レンズ系を介して前記対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を前記対物レンズ系を介して受取るための位置検出光学系と、該対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光するための受光センサと、前記位置検出用光束の、前記対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させるための光束分布変化手段と、対物レンズ系の瞳面内における光束分布の変化に応じて生じる前記受光センサの信号変化に基づき、前記対象面の所定位置に対する位置を検出するための信号処理部とを有し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳を小さく構成されており、前記光束分布変化手段は、前記位置検出用光束の向きを変える第１の回動ミラーと、該第１の回動ミラーで変更する位置検出用光束の向きと直交する向きに該光束の向きを変更するための第２の回動ミラーを備え、この第２の回動ミラーからの位置検出用光束をｆ・θレンズを介して第１の回動ミラー上に導く様に構成されている対象面の位置検出装置。
【請求項２】
対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、光源から位置検出用光束を前記対物レンズ系を介して前記対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を前記対物レンズ系を介して受取るための位置検出光学系と、該対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光するための受光センサと、前記位置検出用光束の、前記対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させるための光束分布変化手段と、対物レンズ系の瞳面内における光束分布の変化に応じて生じる前記受光センサの信号変化に基づき、前記対象面の所定位置に対する位置を検出するための信号処理部とを有し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳を小さく構成されており、前記所定位置と前記光源とを共役関係に配置し、かつ前記光束分布変化手段は、前記対物レンズ系の瞳と共役となる位置に配置されて、前記対物レンズ系の瞳を通過する前記位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行うためのフィルターから構成されている対象面の位置検出装置。
【請求項３】
対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、光源から位置検出用光束を前記対物レンズ系を介して前記対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を前記対物レンズ系を介して受取るための位置検出光学系と、該対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光するための受光センサと、前記位置検出用光束の、前記対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させるための光束分布変化手段と、対物レンズ系の瞳面内における光束分布の変化に応じて生じる前記受光センサの信号変化に基づき、前記対象面の所定位置に対する位置を検出するための信号処理部とを有し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳を小さく構成されており、前記所定位置と前記光源とを共役関係に配置し、かつ、前記光束分布変化手段は、前記対物レンズ系の瞳と共役となる位置に配置されて、前記対物レンズ系の瞳を通過する前記位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行うためのアパーチャーから構成されている対象面の位置検出装置。
【請求項４】
前記光束分布変化手段は、前記対象面の所定位置と共役となる位置に配置されており、前記位置検出用光束の向きを変える第１の回動ミラーとから構成されている請求項１記載の対象面の位置検出装置。
【請求項５】
上記受光センサは、受光位置が２つの差信号として出力される素子で形成され、そして上記信号処理回路は、上記受光センサの出力信号に基づく信号Ａ’ Ｂ’ の差の信号 Ａ’  Ｂ’  と和の信号 Ａ’  Ｂ’  との比の信号（Ａ’ −Ｂ’ ）／（Ａ’ ＋Ｂ’ ）の位相に基づき基準位置からのずれ方向を、振幅に基づき基 準位置からのずれ量を求める様に構成されている請求項１〜４の何れか１項記載の対象面の位置検出装置。
【請求項６】
前記光束分布変化手段は、第１の回動ミラーの回動により、対物レンズ系の瞳面内における前記位置検出用光束を、前記瞳面内の中心を含む範囲において移動する様に構成されている請求項１記載の対象面の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主光学系の焦点位置に対する対象面の位置を検出する対象面の位置検出装置に関するものである
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学装置には、対象物の表面（対象面）の位置を位置検出装置（位置検出光学系）で検出して、主光学系の対象面に対する位置を検出させる様にしたものがある。この光学装置としては、例えば、写真技術を用いてウエーハに電子回路を構築する際に使用するレチクル（対象物）を作製した後で、このレチクルの表面（対象面）の位置を位置検出装置により検出し、レチクルの表面を主光学系でスキャンしながら観察、測定する様にしたものがある。
【０００３】
この種の光学装置に用いられる位置検出装置としては、例えば図８に示す様な、主光学系の対物レンズを通して位置検出を行う、いわゆるＴＴＬ（スルー  ザレンズ）光てこタイプのものが考えられている。
【０００４】
「従来の、ＴＴＬ焦点位置検出装置の光学構成」
【０００５】
図１１に示したＴＴＬ焦点位置検出装置は、対物レンズ５１００と、ビームスプリッタ５２００と、その他の光学部材（図示せず）等とからなる主光学系５０００と、ＴＴＬ型光てこ方式の位置光学系検出系（位置検出装置）６０００とを有する。
【０００６】
この位置検出光学系６０００は、主光学系５０００と共通の光学部材、即ち、対物レンズ５１００と、ビームスプリッタ５２００とを有する。
【０００７】
この位置検出光学系６０００のビームエキスパンダ等の光学系６４００は、第１のレンズ６４００ａと、第２のレンズ６４００ｂとから構成されており、照明光源６１００からの点線又は実線で示す光束を、投影用補助レンズ６２００と、走査鏡６３００（走査手段）と、ビームエキスパンダ等の光学系６４００と、ビームスプリッタ５２００と、対物レンズ５１００とを介して、対象物７０００の対象面７０００ａ（被検面）に投影結像させて、対象面７０００ａに２次光源像を結像させる様になっている。このビームエキスパンダ等の光学系６４００は、走査鏡６３００を対物レンズ５１００の瞳位置６５００と共役にしている。
【０００８】
しかも、この２次光源像は、対物レンズ５１００と、ビームスプリッタ５２００と、ビームエキスパンダ等の光学系６４００と、走査鏡６３００と、受光系の受光用（結像用）の補助レンズ６６００を介して、受光センサとしてのＰＳＤ６７００に結像される様になっている。
【０００９】
そして、このＰＳＤ６７００からの出力信号を基に、２次光源の重心位置、或いは、光量分布を算出させる事により、対象面７０００ａの各部の位置を知る事ができる。
【００１０】
この様にＴＴＬ構成にすると、温度変化などによる位置検出光学系６０００と主光学系５０００の位置ズレや焦点距離の変化を無視できる様になる。
【００１１】
しかし、以上で示した例では、対象面７０００ａ上の２次光源の位置をスキャン（走査）する構成になっている。これは、以下の示す様な誤差をなるべく少なくするために行っている。即ち、被検面が、レチクル（通常、ガラスの表面にクロムでパターンが構成されている）のように反射率に差があるもので構成され、且つ、段差が存在する場合、２次光源が反射率の境界（以後単に反射率境界とする）に重なると、例えば以下の様な理由で、受光センサ上の光強度分布に変化が生じ、これを対象面７０００ａの移動と分離できないために、焦点位置検出結果に誤差を生じてしまう。
【００１２】
（１）２次光源内に光量分布が生じる
【００１３】
２次光源はある大きさを持つから、反射率の境界に重なると、光源の強度に分布が発生する。例えば１次光源に点光源、受光センサにＰＳＤの様な光の重心位置を検出するセンサを用いた場合、反射率が均一な場合には、２次光源の光の重心と幾何学的中心は一致するが、反射率が不均一な場合は、これらは一致しなくなる。即ち、２次光源の位置は動いていないのに、光の重心位置が動いてしまい、ＰＳＤの出力は変動してしまう。
【００１４】
（２）境界部分で乱反射や回折が起きる
【００１５】
ガラスとクロムの境目には必ず段差が存在する。この部分で発生する乱反射や回折は、段差の形状によりまちまちであり、その光の一部は受光素子へ入射し、検出結果に誤差を生じさせる。
【００１６】
（３）その他の誤差原因
【００１７】
レチクル作製段階では、フォトエッチング等を行うため、境界近傍のガラスに何らかの変化が生じている可能性が有るなど、境界部分にはほかの部分に比べ不利な要素がある。
【００１８】
この様に、ガラスとクロムの境目に２次光源の位置が重なると、光てこ法による位置検出装置では、誤差が生じることが避けられない。そこで、従来の装置では、２次光源を走査することで境界部分の（誤差を含む）計測結果を、境界以外の部分の（誤差を含まない）計測結果と平均する事で誤差の分散をはかり、誤差の絶対値を小さくすることが図られていた。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の位置検出装置では、スキャンによる平均化により、反射率境界における位置検出誤差の減少を図っているが、皆無にする事はできないという問題点があった。
【００２０】
更に、精度の高い対象面の位置検出装置を構成しようとする場合には、位置検出誤差の悪化を許容できないことがあるという問題点があった。。
【００２１】
従って、反射率境界面での誤差を軽減することのできる対象面の位置検出装置の出現が強く望まれていた。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、光源から位置検出用光束を前記対物レンズ系を介して前記対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を前記対物レンズ系を介して受取るための位置検出光学系と、該対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光するための受光センサと、前記位置検出用光束の、前記対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させるための光束分布変化手段と、対物レンズ系の瞳面内における光束分布の変化に応じて生じる前記受光センサの信号変化に基づき、前記対象面の所定位置に対する位置を検出するための信号処理部とを有し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳を小さく構成されており、前記光束分布変化手段は、前記位置検出用光束の向きを変える第１の回動ミラーと、該第１の回動ミラーで変更する位置検出用光束の向きと直交する向きに該光束の向きを変更するための第２の回動ミラーを備え、この第２の回動ミラーからの位置検出用光束をｆ・θレンズを介して第１の回動ミラー上に導く様に構成されていることを特徴としている。
【００２３】
また本発明の光束分布変化手段は、前記対象面の所定位置と共役となる位置に配置されており、前記位置検出用光束の向きを変える第１の回動ミラーとから構成することもできる。
【００２４】
そして本発明は位置検出用光束を投影するための前記位置検出用光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出用光学系の瞳を小さく構成することもできる。
【００２６】
また本発明は、前記所定位置と前記光源とを共役関係に配置し、かつ前記光束分布変化手段は、前記対物レンズ系の瞳と共役となる位置に配置されて、前記対物レンズ系の瞳を通過する前記位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行うためのフィルターから構成することもできる。
【００２７】
そして本発明は、前記所定位置と前記光源とを共役関係に配置し、かつ、前記光束分布変化手段は、前記対物レンズ系の瞳と共役となる位置に配置されて、前記対物レンズ系の瞳を通過する前記位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行うためのアパーチャーから構成することもできる。
【００２８】
更に本発明は、上記受光センサは、受光位置が２つの差信号として出力される素子で形成され、そして上記信号処理回路は、上記受光センサの出力信号に基づく信号Ａ' Ｂ'の差の信号(Ａ'-Ｂ')と和の信号(Ａ'+Ｂ')との比の信号（Ａ'−Ｂ'）／（Ａ'＋Ｂ'）の位相に基づき基準位置からのずれ方向を、振幅に基づき基準位置からのずれ量を求める様に構成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、主光学系が、対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行い、位置検出光学系が、光源から位置検出用光束を対物レンズ系を介して対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を対物レンズ系を介して受取り、受光センサが、対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光し、光束分布変化手段が、位置検出用光束の、対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させ、信号処理部が、位置検出用光束を投影するための位置検出光学系の瞳と、対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、対物レンズ系の瞳に対し、位置検出用光束を投影する位置検出光学系の瞳を小さく構成し、光束分布変化手段は、第１の回動ミラーが、位置検出用光束の向きを変え、第２の回動ミラーが、第１の回動ミラーで変更する位置検出用光束の向きと直交する向きに該光束の向きを変更させ、第２の回動ミラーからの位置検出用光束をｆ・θレンズを介して第１の回動ミラー上に導く様になっている。
【００３０】
また本発明の光束分布変化手段を、対象面の所定位置と共役となる位置に配置し、第１の回動ミラーが、位置検出用光束の向きを変える様にすることもできる。
【００３１】
そして本発明は位置検出用光束を投影するための位置検出用光学系の瞳と、対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、対物レンズ系の瞳に対し、位置検出用光束を投影するための位置検出用光学系の瞳を小さくすることもできる。
【００３３】
また本発明は、前記所定位置と前記光源とを共役関係に配置し、かつ光束分布変化手段を、対物レンズ系の瞳と共役となる位置に配置し、フィルターが、対物レンズ系の瞳を通過する位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行う様にすることもできる。
【００３４】
そして本発明は、アパーチャーが、対物レンズ系の瞳を通過する位置検出用光束の分布を変化させるために移動、振動、回動及び回転の少なくともいずれか一つの動作を行う様にすることもできる。
【００３５】
更に本発明は、上記受光センサは、受光位置が２つの差信号として出力される素子で形成し、信号処理回路は、受光センサの出力信号に基づく信号Ａ' Ｂ'の差の信号(Ａ'-Ｂ')と和の信号(Ａ'+Ｂ')との比の信号（Ａ'−Ｂ'）／（Ａ'＋Ｂ'）の位相に基づき基準位置からのずれ方向を、振幅に基づき基準位置からのずれ量を求めることもできる。
【００３６】
【実施例】
【００３７】
本発明の実施例を図１〜図５に基づいて説明する。
【００３８】
［第１実施例］
【００３９】
「光学系」
【００４０】
図１（ａ）は、第１実施例の対象面の位置検出装置１００００の光学系を説明した図であり、観察用の主光学系１０００と、ＴＴＬ位置検出光学系（位置検出装置）２０００としてのサブ光学系とを有する。
【００４１】
主光学系１０００は、対物レンズ１００と、ビームスプリッタ２００と、その他の光学部材（図示せず）を備えている。また、位置検出光学系２０００は、主光学系１０００と共通の光学部材、即ち、対物レンズ１００と、ビームスプリッタ２００とを有している。
【００４２】
位置検出光学系２０００は、位置検出用照明光源３００と、第１のレンズ４１０と、第２のレンズ４２０と、開口絞り４３０と、走査鏡５００と、第１の補助レンズ６１０と、偏光ビームスプリッタ７００と、１／４波長板８００と、ビームエキスパンダ９００と、第２の補助レンズ６２０とから構成されている。
【００４３】
位置検出光学系２０００では、位置検出用照明光源３００から射出された光が、第１のレンズ４１０と第２のレンズ４２０とからなるリレーレンズ４００により、走査鏡５００の回転中心に２次光源を形成する。この過程において、対物レンズ１００の瞳と共役な位置に置かれた開口絞り４３０により、対物レンズ１００の瞳における位置検出用照明光源３００の瞳が、対物レンズ１００の瞳より小さくなる様に制限されている。
【００４４】
走査鏡５００で反射された照明光は、第１の補助レンズ６１０を通過し、偏光ビームスプリッタ７００で反射されたのち、１／４波長板８００で円偏光に変換された後、ビームエキスパンダ９００を経て、ビームスプリッタ２００へ導入され、対物レンズ１００の焦点位置で２次光源を形成する様になっている。
【００４５】
ここで走査鏡５００（第１のミラーに相当する）は、光束分布変化手段に該当するものである。
【００４６】
なお、本実施例のビームエキスパンダ９００は、第１のビームエキスパンダ用レンズ９１０と、第２のビームエキスパンダ用レンズ９２０とから構成されている。
【００４７】
被検面３０００ａで反射された照明光は、対物レンズ１００と、ビームスプリッタ２００と、ビームエキスパンダ９００とを経て、１／４波長板８００で入射の際とは９０°回転された直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ７００を通過した後、第２の補助レンズ６２０を経て、受光センサ９５０上に結像する様になっている。
【００４８】
対物レンズ１００の焦点位置と走査鏡５００の回転中心、照明光源３００及び受光センサ９５０とは、互いに共役な位置に配置されている。また、対物レンズ１００の瞳１０１と、開口絞り４３０とは、互いに共役な位置に配置されている。この様に配置すると、走査鏡５００の傾きに依存せず、常に対物レンズ１００の焦点位置に照明光源３００の２次光源が形成され、照明光源３００の光路の瞳が走査鏡５００の走査により、対物レンズ１００の瞳内を移動させることができる。
【００４９】
即ち、走査鏡５００が中立な位置にある時は、照明光、反射光共に、対物１００の瞳１０１を説明する図１（ｂ）の中央ｂの部分を通り、また、走査鏡５００が、たとえば点線で示した様に傾いた時、照明光はｃを通り、更に、反射光はａを通る様になる。
【００５０】
なお、説明を簡単にするために、走査鏡５００が点線で示した様に傾いた時の光路は、その中心のみを点線で示してある。
【００５１】
照明光源３００は十分な輝度を有し、その発光面の大きさが、受光センサ９５０上で、受光センサ９５０より十分小さい必要があり、また、受光素子の回路の直流的誤差を取り除くため、高周波で点滅可能とし、入射光束と射出光束を分離を容易とするために、直線偏光を発するものが望ましい。そのため、例えば本第１実施例では、半導体レーザを採用しており、駆動回路３０１で形成された高周波で点滅されている。なお、半導体レーザに代えて、その他の光源素子を使用することもできる。
【００５２】
偏光ビームスプリッタ７００と、１／４波長板８００とは、直線偏光の半導体レーザ光を、往きと帰りで分離するために用いられている。照明光源３００が半導体レーザで無い場合には、ビームスプリッタを使用することもできる。
【００５３】
ビームエキスパンダ９００は、第１の補助レンズ６１０と、第２のレンズ４２０と共に、対物レンズ１００の瞳１０１と、開口絞り４３０を共役にする働きをする。またビームエキスパンダ９００は、走査鏡５００の作用を拡大し、走査鏡５００の走査角を小さくし、更に、１／４波長板８００以降の光学系の径を小さくすることができる。
【００５４】
また、対物レンズ１００の瞳１０１と、開口絞り４３０を共役にする機能は必須であるが、ビームエキスパンダとしての機能は必須ではく、必要に応じて別の光学系であっても良い。
【００５５】
受光センサ９５０は、素子に入射する照明光源３００の２次光源の像の位置の変化を検出するため、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）、或いは、２分割素子を用いることもできる。
【００５６】
対象面３０００ａの移動の周波数に対する走査鏡５００の走査周波数、又、同走査周波数に対する照明光源３００の点滅周波数は、それぞれを簡単な電気的フィルタによって分離する都合上、おおむね１桁以上、更に可能なら２桁程度大きいことが望ましい。
【００５７】
「作用」
【００５８】
対物レンズ１００の焦点位置と走査鏡５００の回転中心、そして、照明光源３００とは、互いに共役な位置に配置されており、又、対物レンズ１００の瞳１０１と、開口絞り４３０とは、互いに共役な位置に配置されているので、走査鏡５００の傾きに依存せず、常に対物レンズ１００の焦点位置に照明光源３００の２次光源が形成され、照明光源３００の瞳位置が、走査鏡５００の走査により対物レンズ１００の瞳１０１内を移動する様になっている。
【００５９】
被検面３０００ａが、対物レンズ１００の焦点面と一致している場合には、受光センサ９５０上での２次光源像の位置は動かない。しかし、被検面が対物レンズ１００の前、或いは、後ろにある（焦点が外れた）状態では、図２に示す様に、走査鏡５００が中立の位置から外れている間、照明光が斜めから入射するので、受光センサ９５０上の２次光源の像の位置は、走査鏡５００の傾きに従って、移動する。この焦点の外れが、大きくなると移動量も増すことになる。また、焦点の外れの方向により、走査鏡５００の走査方向と受光センサ９５０上の２次光源の像の移動方向との関係は、反対となる。
【００６０】
従って、受光センサ９５０上の２次光源像の移動量と、走査鏡５００の走査との位相関係を調べれば、焦点の外れ量と、焦点の外れの方向とを検出することができる。
【００６１】
図３は、走査鏡５００の位置と、受光センサ９５０の２次光源像の位置との関係を示すものである。
【００６２】
曲線Ａは、走査鏡５００の角度θを表すものである。本実施例では、走査鏡５００は正弦波で駆動されている場合を例に説明されている。
【００６３】
曲線Ｄは、被検査面３０００ａが、対物レンズ１００の焦点面と一致している場合を示している。
【００６４】
曲線Ｂ、曲線Ｃ、曲線Ｅ、曲線Ｆは、それぞれ、対物レンズ１００と被検面３０００ａとが、例えば、最も近い場合が曲線Ｂとなり、最も遠い時が曲線Ｆとなることを示している。即ち、曲線Ｂから曲線Ｆに従って、対物レンズ１００と被検面３０００ａとが離れていくことを示している。
【００６５】
「信号処理回路」
【００６６】
図１に示す本第１実施例の電気回路を説明する。
【００６７】
本第１実施例の電気回路は、照明光源３００を高周波で駆動するためのＬＤ駆動回路３０１と、基準信号発生器５０１と、ガルバノ駆動回路５０２と、ガルバノ５０３と、ＰＳＤ信号処理回路９５１と、同期検波回路９５２と、遅延回路９５３とから構成されている。
【００６８】
ＬＤ駆動回路３０１は、照明光源３００であるＬＤを、高周波で点滅させるためのものである。
【００６９】
基準信号発生器５０１は、走査鏡５００の駆動の基準となる信号を発生させるためのものである。基準信号発生器５０１で発生した基準信号は、ガルバノ駆動回路５０２へ入力され、ガルバノ５０３を駆動する様になっており、ガルバノ５０３に取り付けられた走査鏡５００は、基準信号に基づき駆動される様になっている。
【００７０】
受光センサ９５０であるＰＳＤからの受光信号は、ＰＳＤ信号処理回路９５１で位置信号に変換され、同期検波回路９５２に入力される。
【００７１】
また、同期検波回路９５２には、基準信号発生器５０１の基準信号が、遅延回路９５３を経て入力されている。遅延回路９５３は、ガルバノ５０３の動きが、基準信号発生器５０１の信号に対して遅れる分だけ、基準信号を遅延させ、同期検波回路９５２に入力される信号を走査鏡５００と同期した信号とする様になっている。
【００７２】
ＰＳＤ信号処理回路９５１は、図４に示す様な構成となっている。受光センサ９５０であるＰＳＤは、Ａ、Ｂの２つの信号を出力する。
【００７３】
この信号Ａ、信号Ｂには、位置情報が、照明光源３００の点滅周波数で変調された交流信号として含まれている。
【００７４】
ＰＳＤ信号処理回路９５１は、信号Ａ用に、ヘッドアンプ９５１１ａと、
バンドパスフィルタ９５１２ａと、検波回路９５１３ａと、ローパスフィルタ９５１４ａとが用意され、同様に、信号Ｂ用に、ヘッドアンプ９５１１ｂと、バンドパスフィルタ９５１２ｂと、検波回路９５１３ｂと、ローパスフィルタ９５１４ｂとが用意されている。更に、ＰＳＤ信号処理回路９５１には、加算回路９５１５と、減算回路９５１６と、割算回路９５１７と、バッファアンプ９５１８とが設けられている。
【００７５】
ここで図５に基づいて、対象物が基準位置よりも近い位置にある場合の信号処理を説明する。
【００７６】
受光センサ９５０の出力である信号Ａは、図５の（ａ）となり、信号Ｂは、図５（ｂ）に示す様に、照明光源３００の点滅周波数で変調されると共に、走査鏡５００の往復回転に伴って生じる受光センサ９５０上の２次光源像の位置変化に応じた包絡線を有する信号となる。
【００７７】
信号Ａは、ヘッドアンプ９５１１ａで増幅され、バンドパスフィルタ９５１２ａで照明光源３００の点滅周波数成分のみが取り出され、図５（ｃ）に示す様な信号となる。
【００７８】
同様に信号Ｂは、ヘッドアンプ９５１１ｂで増幅され、バンドパスフィルタ９５１２ｂで照明光源３００の点滅周波数成分のみが取り出され、図５（ｄ）に示す様な信号となる。
【００７９】
更に信号Ａは、検波回路９５１３ａ、及び、ローパスフィルタ９５１４ａで、照明光源３００の点滅周波成分が取り除かれ、図５（ｅ）に示す信号位置情報成分Ａ’のみとなる。
【００８０】
同様に信号Ｂは、検波回路９５１３ｂ、及び、ローパスフィルタ９５１４ｂで、照明光源３００の点滅周波成分が取り除かれ、図５（ｆ）に示す信号位置情報成分Ｂ’のみとなる。
【００８１】
以上の様に、高周波変調を行うことで、ここまでの回路で発生する直流誤差を回避することが可能となる。
【００８２】
加算回路９５１５と減算回路９５１６、及び、割算回路９５１７により、（Ａ’−Ｂ’）／（Ａ’＋Ｂ’）を計算する。この操作で、受光センサに入射する光の強度に影響されることのない、図５（ｇ）に示す様な、受光センサ９５０（ＰＳＤ）への入射位置を示す信号となる。この信号は、バッファアンプ９５１８を経て、最終出力Ｃとして出力される。
【００８３】
一方図６に基づいて、対象物が基準位置にある場合における信号処理を説明する。
【００８４】
この場合、走査鏡５００が往復回転しても、受光センサ９５０上の２次光源像の位置は変化しないため、受光センサ９５０の出力である信号Ａは、図６（ａ）となり、信号Ｂは図６（ｂ）に示す様に、照明光源３００の点滅周波数で変調されるが、包絡線は一定の値となる信号となる。
【００８５】
信号Ａは、ヘッドアンプ９５１１ａで増幅され、バンドパスフィルタ９５１２ａで照明光源３００の点滅周波数成分のみが取り出され、図６（ｃ）に示す様な信号となる。
【００８６】
同様に信号Ｂは、ヘッドアンプ９５１１ｂで増幅され、バンドパスフィルタ９５１２ｂで照明光源３００の点滅周波数成分のみが取り出され、図６（ｄ）に示す様な信号となる。
【００８７】
更に信号Ａは、検波回路９５１３ａ、及び、ローパスフィルタ９５１４ａで、照明光源３００の点滅周波成分が取り除かれ、図６（ｅ）に示す信号位置情報成分Ａ’のみとなる。
【００８８】
同様に信号Ｂは、検波回路９５１３ｂ、及び、ローパスフィルタ９５１４ｂで、照明光源３００の点滅周波成分が取り除かれ、図６（ｆ）に示す信号位置情報成分Ｂ’のみとなる。
【００８９】
以上の様に、高周波変調を行うことで、ここまでの回路で発生する直流誤差を回避することが可能となる。
【００９０】
加算回路９５１５と減算回路９５１６、及び、割算回路９５１７により、（Ａ’−Ｂ’）／（Ａ’＋Ｂ’）を計算する。この操作で、受光センサに入射する光の強度に影響されることのない、図６（ｇ）に示す様な、受光センサ９５０（ＰＳＤ）への入射位置を示す信号となる。この信号は、バッファアンプ９５１８を経て、最終出力Ｃとして出力される。
【００９１】
同期検波回路９５２の動作を図７に基づいて説明する。即ち、基準信号発生器５０１の基準信号の極性と、入力信号とを”掛け合わせ”て、対象物が基準位置よりも近い場合には図７（ｂ）の出力信号を、また対象物が基準位置よりも遠い場合には、図７（ｃ）の出力信号を得る様になっている。即ち、図７（ａ）に示す基準信号が正の期間は、入力信号をそのまま出力し、基準信号が負の期間は、入力信号の極性を反転して出力する。
【００９２】
更に同期検波を行うことにより、信号の位相（極性）によって基準位置から近い方向か、遠い方向のどちら方向にずれているかを、また振幅により基準位置からのずれ量を知ることができる。
【００９３】
以上の様に構成された本第１実施例の対象面の位置検出装置１００００の光学系では、走査鏡５００の走査の両端における検出光束の光路に着目すると、図１（ｂ）において、走査の一方の端では、ａから照明、ｃから受光となり、反対の端では、ｃから照明、ａから受光となり、交互に切り替わることになる。これは、従来例の光学系の投光側と受光側を、順次入れ換えているのと等価である。即ち、対象面３０００ａの明暗が、受光センサ９５０に投影される向きは常に一定であって、従って、対象面３０００ａの反射率分布によって生じる２次光源像の重心移動は常に同じ方向に生じるが、対象面の遠近に対応する像の移動方向は走査鏡５００の走査の両側では逆になる。
【００９４】
そして本第１実施例では、同期検波により、この移動方向の逆転を一定方向に揃えて検出結果としているが、同期検波による切り換えは、２次光源像の重心移動の影響を走査の周期で反転させていることになり、平均すれば、誤差をキャンセルできるという効果がある。
【００９５】
この様な作用で誤差を取り除いているので、反射率境界に存在する他の誤差原因についても、同様の作用を期待できる。
【００９６】
［第２実施例］
【００９７】
次に図８に基づいて、本発明の第２の実施例を説明する。
【００９８】
本第２実施例の対象面の位置検出装置２００００は、対物レンズ１００の瞳１０１と共役な位置に、走査鏡５００に替えて、絞り５１０等が設けたものである。
【００９９】
絞り５１０は、絞り駆動装置１０４で駆動される。なお、絞り５１０に代えて、板又は部分的に濃度が変化しているＮＤフィルターを採用することもできる。
【０１００】
光源３００は、対物レンズ１００の焦点位置と共役な位置に配置され、対物１００の瞳１０１を、第１の補助レンズ６１０を介して照明する様になっている。
【０１０１】
絞り５１０は、照明光や、対物レンズ１００の瞳１０１内での光量分布を変化させ、この変化による被検面３０００ａからの戻り光の位置変化を、第１の実施例と同じく、受光素子９５０で検出することにより、対象面の位置を検出することができる。
【０１０２】
絞り５１０は、対物１００の瞳１０１と共役な面内で振動するか、或いは、円盤に取り付けられて回転する構成とすることもできる。
【０１０３】
信号処理回路等は、第１の実施例と同じであるので省略する。
【０１０４】
第１の実施例と比較して、走査鏡５００を位置検出用光学系の焦点位置に置かなくて良いので、調整等が楽になる反面、光源３００の出力を有効に使えないという傾向がある。従って、対象面３０００ａの反射率が高い場合に特に有効であると言える。
【０１０５】
作用については、例えば、第１の実施例の光束径と同じ程度の光路を開けた振動する絞り板を使用すれば、第１実施例と同様な作用をする事は明白である。
【０１０６】
又、回転円盤に取り付けた絞りを使用する場合、回転軸が対物レンズ１００の光軸と一致する場合は，対物レンズ１００の瞳１０１の中を、照明光の瞳が図９（ａ）に示す様に、円運動をする事となり、受光素子９５０に２次元位置検出素子を使用し、検出素子のそれぞれの軸に対し信号処理回路を設けることにより、被検面３０００ａの表面状態の影響に対して、より高性能な位置検出装置となる。
【０１０７】
なお、この様な円走査は、第１の実施例において、走査鏡５００の走査を２次元にする事でも可能である。
【０１０８】
回転軸が、対物レンズ１００の光軸と一致しない場合は、対物レンズ１００の瞳１０１の中を、照明光の瞳が、図９（ｂ）に示す様に、弧を描いて移動することになる。この場合、移動範囲が対物レンズ１００の光軸に対して、対象になる様な軸に受光素子の検出軸を合致させれば、第１実施例と同様な処理で位置を検出することができる。
【０１０９】
また、絞り５１０に代えて、光路の一部を遮る板を使用した場合は、板により光を遮られた部分の位置の変化を受光素子で検出すればよい。
【０１１０】
そして、本第２実施例の対象面の位置検出装置２００００のその他の構成、作用等は、第１の実施例と同様であるから説明を省略する。
【０１１１】
［第３実施例］
【０１１２】
次に図１０に基づいて、本発明の第３の実施例を説明する。
【０１１３】
本第３実施例の対象面の位置検出装置３００００は、従来例の光学系と組み合わせ、被検面３０００ａの上の線上の部分を走査しながら、位置検出を行うものである。
【０１１４】
上述の第１の実施例、及び、第２の実施例では、被検面３０００ａの一点で位置を検出しているが、本第３実施例の対象面の位置検出装置３００００は、被検面３０００ａの上の線上の部分を走査しながら、位置検出を行うものである。
【０１１５】
即ち、位置検出光学系２０００の瞳に配置され、その走査軸が第１の走査鏡５２０（第１のミラーに相当する）と直交する軸となる様に形成された第２の走査鏡５３０（第２のミラーに相当する）と、走査により円弧状になる結像点を直線になる様に補正するためのｆθレンズ５４０とが設けられ、第１の走査鏡５２０上に光源３００の２次光源を作り、第１の走査鏡５２０で、第１実施例で示した様な走査を行い、同様に位置を検出することができる。
【０１１５】
そして、本第３実施例の対象面の位置検出装置３００００のその他の構成、作用等は、第１の実施例及び第２の実施例と同様であるから説明を省略する。
【０１１６】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、対象面に臨ませた対物レンズ系を介して、前記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、光源から位置検出用光束を前記対物レンズ系を介して前記対象面に投影し、且つ、この対象面からの反射光束を前記対物レンズ系を介して受取るための位置検出光学系と、該対象面からの反射光束を位置検出光学系を介して受光するための受光センサと、前記位置検出用光束の、前記対物レンズ系の瞳面内における光束分布を該瞳面内で、投光側と受光側が切り替わる様に変化させるための光束分布変化手段と、対物レンズ系の瞳面内における光束分布の変化に応じて生じる前記受光センサの信号変化に基づき、前記対象面の所定位置に対する位置を検出するための信号処理部とを有し、前記位置検出用光束を投影するための前記位置検出光学系の瞳と、前記対物レンズ系の瞳を略一致させ、且つ、前記対物レンズ系の瞳に対し、前記位置検出用光を投影するための前記位置検出光学系の瞳を小さく構成されており、前記光束分布変化手段は、前記位置検出用光束の向きを変える第１の回動ミラーと、該第１の回動ミラーで変更する位置検出用光束の向きと直交する向きに該光束の向きを変更するための第２の回動ミラーを備え、この第２の回動ミラーからの位置検出用光束をｆ・θレンズを介して第１の回動ミラー上に導く様に構成されているので、対象面の位置検出に用いた位置検出用光の２次光源の像のＰＳＤ上の位置そのものではなく、同像が受光センサ上で動くか否か、また動く場合は、その位相と移動する振幅により、対象面の位置を検出することができるという卓越した効果がある。
【０１１７】
従来例で被検面の反射率境界面に於ける誤差の原因となった、反射率の差によって生じる２次光源像の重心移動は、検出精度に関係なくなり、より精度の高い位置検出装置を提供できるという効果がある。
【０１１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象面の位置検出装置の第１実施例を示す光学系の説明図である。
【図２】第１実施例の別の状態における光路を示す説明する図である。
【図３】第１実施例におけるピント外れの場合の様子を示す説明する図である。
【図４】第１実施例に示した処理系の一部を解説したブロック図である。
【図５】対象物が基準位置からずれているときの図４のブロック図における信号波形図である。
【図６】対象物が基準位置にあるときの図４のブロック図における信号波形図である。
【図７】同期検波回路の動作を説明する説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施例の光学系を説明する図である。
【図９】図６の一部を説明した図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の光学系を説明する図である。
【図１１】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１００００  第１実施例の対象面の位置検出装置
２００００  第２実施例の対象面の位置検出装置
３００００  第３実施例の対象面の位置検出装置
１０００  主光学系
２０００  位置検出光学系
３０００ａ  被検面
１００  対物レンズ
１０１  瞳
２００  ビームスプリッタ
３００  位置検出用照明光源
３０１  ＬＤ駆動回路
４００  リレーレンズ
４１０  第１のレンズ
４２０  第２のレンズ
４３０  開口絞り
５００  走査鏡
５０１  基準信号発生器
５０２  ガルバノ駆動回路
５０３  ガルバノ
５１０  絞り
５２０  第１の走査鏡
５３０  第２の走査鏡
５４０  ｆθレンズ
６１０  第１の補助レンズ
６２０  第２の補助レンズ
７００  偏光ビームスプリッタ
８００  １／４波長板
９００  ビームエキスパンダ
９５０  受光センサ
９５１  ＰＳＤ信号処理回路
９５１１  ヘッドアンプ
９５１２  バンドパスフィルタ
９５１３  検波回路
９５１４  ローパスフィルタ
９５１５  加算回路
９５１６  減算回路
９５１７  割算回路
９５１８  バッファアンプ
９５２  同期検波回路
９５３  遅延回路
【図１】
0004103097.tif 000002
【図２】
0004103097.tif 000003
【図３】
0004103097.tif 000004
【図４】
0004103097.tif 000005
【図５】
0004103097.tif 000006
【図６】
0004103097.tif 000007
【図７】
0004103097.tif 000008
【図８】
0004103097.tif 000009
【図９】
0004103097.tif 000010
【図１０】
0004103097.tif 000011
【図１１】
0004103097.tif 000012