JPH07128014A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、被測定対象物の所定位置から
の偏差量及び偏差方向を迅速かつ性格に求める。 【構成】 位置検出装置が、光源、コリメータレンズ、
ピンホール、ハーフミラー、対物レンズを有し、それら
により被測定物上の所定範囲でスポット光束を投影す
る。さらに、被測定物に対してスポット光束を相対的に
停止することなく円又は楕円の形に変位させる偏光プリ
ズムと、スポットが投影された被測定物からの反射光束
を集光位置に対して前方及び後方の位置でそれぞれ受光
する第１受光素子及び第２受光素子を設ける。たとえ
ば、スポットが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であることを決定する。

Description

【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所定距離だけ前
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。

【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。

【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，Ｒ
１、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２
２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２
１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】

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を説明す
る。

【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

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【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
   置に対して所定距離だけ前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。
2. 【請求項２】 さらに、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
   置であることを決定する位置決定手段を有するクレーム
   １記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 さらに、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
   い場合に所定位置であることを決定する位置決定手段を
   有するクレーム１記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】 上記第１受光素子及び上記第２受光素子
   はスポットを停止することなく走査する所定の期間内に
   受光する光量を蓄積するクレーム１記載の位置検出装
   置。
5. 【請求項５】 上記位置決定手段は、上記第１受光素子
   及び上記第２受光素子の出力を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である
   ことを決定するクレーム１記載の位置検出装置。
6. 【請求項６】 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
   クレーム１記載の位置検出装置。
7. 【請求項７】 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
   クレーム１記載の位置検出装置。
8. 【請求項８】 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クレーム１記載の位
   置検出装置。
9. 【請求項９】 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クレーム１記載の位置検
   出装置。
10. 【請求項１０】 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クレー
    ム１０記載の位置検出装置。
11. 【請求項１１】 前記所定位置が集光位置であるクレー
    ム１に記載の位置検出装置。
12. 【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。