JPS6370110A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分！ｌ！テ〕 本発明は距離測定装置に関し、特に被測定面に光束を投
射し被測定面からの反射光束を検出器で受け、検出器面
上での反射光束の状態を検知することにより被測定面の
位置又は被測定物までの距離を測定する距離測定装置に
関する。

（従来技術） 従来、この種の装置の一例として本出願人による特願昭
５９−２４２４９０号に開示された距離測定装置がある
。

第２図は、上述の距離測定装置の構成を示す概略図であ
る。同図において、１はレーザ光源、２はコリメータレ
ンズ、３は円錐凸面を有する第１の円錐形ミラー、４は
円錐凹面を有する第２の円錐形ミラー、６は（扁光ビー
ムスプリッタ、７は１／４波長板、８は集光レンズ、９
は被測定物、１０は合焦状態検知手段、１１は処理装置
である。レーザ光源１より出たレーザ光はコリメータレ
ンズ２を通り、円錐形ミラー３の頂点に入射して図面に
垂直でかつ図上水平な線を図面との交差線とする面上を
３６ｏ°方面に進み、環状の円錐ミラー４の内側の面で
下向きに反射されて、中心部分が暗い、いわゆるドーナ
ツ状の円形平行光束となる。この円形平行光束は、偏向
ビームスプリッタ６．１／４波長板７、集光レンズ８を
通り、被測定物９の上に投射される。

この投射されたレーザ光は、さらに、被測定物９の面上
で反射され、再び集光レンズ８．１／４波長板７、偏光
ビームスプリッタ６に入射する。

ここで、１／４波長板７は、先ずレーザ光源１から発せ
られ、偏向ビームスプリッタ６を透過した直線偏光光を
円偏光に変換し、さらに、被測定物９で反射されて戻っ
て来た円偏光を偏光方向が上記直線偏光と直交する直線
偏光に変換する。

これにより、被測定物９からの反射光は、偏向ビームス
プリッタ６で反射されて合焦検知手段１０に投射される
。

第３図は、合焦状態検知手段の受光面を表わした図で、
同心円帯Ｄ１およびＤｌの光検知素子よりなっている。

ＤｌおよびＤｌの直径は、被測定物体９の被測定面が集
光点（結像）位置にあるときに、被測定物面で反射され
た円形ビームがＤｌとＤｌの境界付近に投射され、Ｄｌ
とＤｌの出力差が平になるように設定されている。被測
定面が集光点位置からずれると、それに伴いＤｌとＤｌ
の出力差が発生する。たとえば、被測定面が、遠ざかる
方向（図の下側）にずれると、光検知素子上での円形光
束の直径が小さくなって、（Ｄｌの出力）＞（Ｄｉの出
力）となり、逆に近づく方向にずれると円形光束の直径
は大きくなり、（Ｄｌの出力）、＜（Ｄｉの出力）とな
る。

これら同心円状の受光部Ｄ１およびＤｌの出力は、第１
図の処理装置１１に送られ、処理装置１１においては、
Ｄｌの出力とＤｌの出力との差が被測定物９に対する円
形光束の合焦状態を示す合焦信号として求められる。

第４図は、第１図の被測定物９の位置と処理装置１１に
おいて得られる合焦信号との関係を示す図であり、図中
に記した測定範囲内において、位置と信号とは、良好な
線形関係となっており、この合焦信号より被測定物９の
位置を求めることができる。

しかしながら、この種の装置では被測定物からの反射光
束以外に装置を構成する各要素からの反射光や散乱行が
存在し、この反射光や散乱光等が所謂迷光となって合焦
検知手段１０に到達する為に測定精度が悪化するという
問題点を有していた。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、所謂迷光が
光検出器に達するのを防止することにより常時高精度の
測定が可能な距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る距離測定装置は
、所定の光束径を有する光束を被測定面近傍に集光する
為の第１光学手段と、前記被測定面からの反射光束を受
光面で受け該受光面上での前記反射光束の状態から前記
被測定面までの距離を得る為の光検出手段と、前記反射
光束を前記光検出手段に指向する為の第２光学手段とを
有する装置であって、前記第２光学手段の光路中に光軸
近傍の光束のみを通過せしめるマスク手段を有し、前記
反射光束を前記マスク手段を介して前記受光面で受ける
ことを特徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は下記の実施例に記載されてい
る。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す概
略構成図である。図中、１はレーザ光線、２はコリメー
タレンズ、３は円錐凸面を有する第１の円錐形ミラー、
４は円錐凹面を有する第２の円錐形ミラー、５は焦点距
離可変レンズ、６は偏光ビームスプリッタ、７は１／４
波長板、８は集光レンズ、９ａ、９ｂは被測定面、１０
は合焦状態検知手段、１１は処理装置、１２はマスクで
ある。レーザ光源１より出たレーザ光はコリメータレン
ズ２を通り、円錐形ミラー３の頂点に入射して図面に垂
直でかつ図上水平な線を図面との交叉線とする面上を３
６ｏ゛方向に進み、環状の円錐ミラー４の内側の面で下
向きに反射されて、中心部分が暗い、いわゆるドーナツ
状の円形平行光束（以下、リングビームと称す）となる
。

このリングビームは偏光ビームスプリッタ６゜１／４波
長板７を通過し、集光レンズ８を介して被測定面９ａ（
もしくは９ｂ）近傍に集光される。被測定面が被測定面
９８えある場合、即ちリングビームの集光する位置に被
測定面が存在する場合は、被測定面９ａで反射されたリ
ングビームは集光レンズ８により例えば平行光束となっ
て偏光ビームスプリッタ６へと向うが、その後マスク１
２により遮光されて合焦状態検知手段１０へは入射しな
い。一方、被測定面が被測定面９ｂである場合、即ちリ
ングビームの集光位置から所定の距離だけ離れた位置に
被測定面が存在する場合は、被測定面９ｂで反射された
リングビームは集光レンズ８により収れんされ、偏光ビ
ームスプリッタ６へ指向される。そしてマスク１２のピ
ンホールを通過して合焦状態検知手段１０の受光面に入
射する。又、第２図〜第４図を用いて説明した原理から
被測定面９ｂの位置が測定出来る。

従って、本実施例に於ける距離測定装置によれば、集光
位置から離れた位置（被測定面９ｂ）からの反射リング
ビームがマスク１２のピンホールを通過する際、被測定
面９ｂや装置を構成する光学素子等で生じる散乱光や反
射光などの大部分がマスク１２の周辺部で遮断され、こ
の種の迷光が合焦状態検知手段１０に入射するのを防い
でいる。

即ち、被測定面９ｂで反射されたリングビームのみを合
焦状態検知手段１０で受光することになり、常時精度の
良い測定を行ない得る。又、被測定面９ａを測定したい
場合は、処理装置１１を介して焦点距離可変レンズ５の
パワーを変化させ、リングビームを被ｔｌｌｌｌ定面９
ａから離れた位置に集光させて測定を行なえば良い。こ
の際マスク１２近傍でのリングビームの集光位置及び被
測定面９ａで反射された反射リングビームのマスク１２
のピンホールの通過位置が変化するが、装置の仕様に併
せてマスク１２のピンホールの大きさを適宜設定してや
ることにより、焦点正流可変レンズ５による集光位置の
シフト及び第４図に示す如き各集光位置での測定範囲内
に位置する被測定面からの反射リングビームの通過位置
の変化に対しても十分対応出来、マスク１２で測定用の
リングビームの通過を防げることはない。

更に、マスク１２に光軸方向に移動可能となる機能を付
加すれば、焦点距離可変レンズ５のパワーの変化に伴な
うリングビームの集光位置の変化にマスク１２を追従さ
せることが出来、常にマスク１２を所望の位置に位置付
けることが可能となる。

尚、焦点距離可変レンズ５としては、移動可能なレンズ
群を有するレンズ系や、電気光学結晶又は液晶の異方性
を利用した屈折率を電気的に制御することが可能なレン
ズ、透明弾性体の表面を変形させることにより曲面の曲
率を変化させパワーを制御することが可能なレンズ等各
種レンズを使用することが出来る。

さて、ここで第１図に於いてマスク１２が無い場合の反
射リングビームの挙動を考察する。

つ巾着１１中席小ｌ力得ス（つ由翅ｆ１中需０う：浮沈
は九又４０Δ被測定面９ａの位置から一定の範囲内に於
いては、被測定面９ａからのずれ量に従い第４図に示す
如く金魚信号の大きさが変化する。しかしながら、被測
定面が被測定面９ｂ近傍の位置９ｃまでずれると、反射
リングビームは第１図の破線で示す様な光路で合焦状態
検知手段１０に入射する。即ち、被測定面９ａで反射さ
れた反射リングビームの合焦状態検知手段１０への入射
位置と同一位置へ被測定面９ｃからの反射リングビーム
が反射することになり、異なる位置で反射されたにもか
かわらす合焦状態検知手段から同一出力信号が得られる
ことになる。従って、事実正正しい被測定面の位置情報
（距離）を得られなくなる。

しかしながら、第１図に示す本距離測定装置によれば、
前述の如くマスク１２の機能により一方の反射リングビ
ームを遮断して上述の問題をも解消している。

又、第１図に於いて、被測定面９ａを所定の反射率（透
過率）を有する第１の而、間祥ｒ被測定面９ｂを所定の
反射率（透過率）を有する第２の面とする時、本距離測
定装置によればこの第１の面と第２の面との間隔（ギャ
ップ）も容易且つ高精度に測定することが可能である。

即ち、本距離測定装置ではリングビームを使用して被測
定面９ａ、９ｂまでの距離（又は位置）を測定する為に
夫々の面の近傍にリングビームを集光して当該面を測定
する際、測定対象の面以外の面からの反射ピングビーム
は常にマスク１２により遮光されて合焦状態検知手段１
０には入射しない。従って、第２図〜第４図を用いて説
明した方法により被測定面９ａ、９ｂまでの距離を夫々
測定し、両方の測定値の差をとれば被測定面９ａ、９ｂ
間の間隔量を正確に得ることが出来る。例えば通常の円
形ビームを用いる場合は測定対象の面以外の面からの反
射光の一部がマスク１２のピンホールを通過する為、上
述の如き間隔測定を行なうことは困難である。

尚、上述の実施例に於いて、マスク１２としてはその中
心（光軸近傍）にピンホールを有するマスクを使用して
いるが、マスク１２の中心のみを透光性の部材で構成す
る等、光軸近傍の光束のみを通過させ他の光束を遮断す
る機能を有する部材であれば如何なる部材を用いても購
わない。

又、間隔測定への応用は困難ではあるが、通常の円形ビ
ームを用いることによっても被測定面までの距離を測定
することは可能である。この場合も、第１図に示す合焦
状態検知手段１０に於ける被測定面からの反射光束の光
束径が被測定面の位置に依存することを利用して被測定
面の位置又は距離を測定することが出来る。従って、合
焦状態検知手段１０の受光面上での反射光束の径の変化
を検知できる手段であれば第３図に示す構成に限らず各
種検知手段を用い得る。例えばＣＣＤ等の撮像素子を利
用して検知するのも有効である。

（発明の効果） 以上、本発明に係る距離測定装置によれば、測定に使用
する光束以外の迷光を遮断することにより、常時高精度
の距離測定を可能にした。

更に、リング状の光束を使用すれば異なる２面間の間隔
６をも精度良く測定出来、例えばプロキシミテイー法に
よる半導体製造装置に於いてマスク′（レチクル）とウ
ェハの間隔を高速に測定する際などに好適な装置である
。

更に、異なる位置で反射されたにも係わらず、同一合焦
信号が得られるという様な従来の問題をも同時に解決し
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す概
略構成図。 第２図は従来の距離測定装置の一例を示す図。 第３図は合焦検知手段の受光面を示す図。 第４図は第３図に示す合焦検知手段からの出力信号と被
測定面の位置との関係を示す図。 １　−−−−−−−−−−−−レーザ光線２−−−−−
−−−−−−−コリメータレンズ３゜４　−−−−−−
−一円錐ミラー ５　−−−一−−−−−−−−焦点距■可変レンズ６　
−−−−−−−−−−−一偏光ビームスブリツク７　−
−−−−−−−−−−−１　／４波長板８　−−−−−
−−−−−ｍ−集光レンズ９ａ、９ｂ−−−−被測定面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の光束径を有する光束を被測定面近傍に集光する為
   の第１光学手段と、前記被測定面からの反射光束を受光
   面で受け該受光面上での前記反射光束の状態から前記被
   測定面までの距離を得る為の光検出手段と、前記反射光
   束を前記光検出手段に指向する為の第２光学手段とを有
   する装置であって、前記第２光学手段の光路中に光軸近
   傍の光束のみを通過せしめるマスク手段を配し、前記反
   射光束を前記マスク手段を介して前記受光面で受けるこ
   とを特徴とする距離測定装置。