(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定面の傾斜量を測定する傾斜センサにおいて、
前記測定面へ照明光を出射する光源と、
前記測定面からの反射光を複数の光に分けて干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受光し、干渉強度を測定するための受光素子と、を有し、
前記光学系は、前記反射光を、前記測定面の傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、それぞれ回折もしくは屈折させることで前記干渉光を生じさせることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項２】
前記光学系と前記測定面の間に回折格子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
【請求項３】
前記光学系は、光の波長の１倍以上１０倍以下の一対のスリット開口を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の傾斜センサ。
【請求項４】
前記光学系は、入射角と回折角が等しくなるように格子間隔が規則的に変化する一対の回折格子と、前記一対の回折格子を通過した平行光を前記受光素子に集光させる集光手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項５】
前記光学系は、透過した光が平行光になる非球面レンズと、前記非球面レンズを通過した平行光を前記受光素子に集光させる集光手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項６】
前記測定面と前記回折格子との間に、スリットを配置したことを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項７】
前記光学系は、前記回折格子を通過した光を平行光にする非球面ミラーと、前記非球面ミラーを反射した平行光を前記受光素子に集光させる集光手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項８】
前記回折格子は、格子間隔が等しい第１の２次元回折格子であり、
前記光学系は、入射角と回折角が等しくなるように格子間隔が規則的に変化する第２の２次元回折格子と、前記第２の２次元回折格子を通過した平行光を前記受光素子に集光させる集光手段と、を有し、２次元方向の測定面の傾斜量の測定が可能であることを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項９】
工具が搭載される工具ステージと、ワークが搭載されるワークステージとを備え、前記工具ステージ及び前記ワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動可能に構成され、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工する際に、前記ステージの姿勢変化量に基づいて、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正する加工装置であって、
前記ステージに設けられ、前記ベース面を測定面として、前記ベース面に対する前記ステージの姿勢変化量を測定する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の傾斜センサを備えたことを特徴とする加工装置。
【請求項１０】
工具が搭載される工具ステージと、ワークが搭載されるワークステージとを備え、前記工具ステージ及び前記ワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動可能に構成され、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工する際に、前記ステージの姿勢変化量に基づいて、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正する加工装置であって、
前記ベース面に設けられ、前記ステージを測定面として、前記ベース面に対する前記ステージの姿勢変化量を測定する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の傾斜センサを備えたことを特徴とする加工装置。
【請求項１１】
工具が搭載される工具ステージ及びワークが搭載されるワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動して、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工するワークの製造方法であって、
前記ステージから前記ベース面に向けて照明光を出射し、前記ベース面から反射した反射光を、前記ベース面に対する前記ステージの傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、前記複数の光を干渉させて前記ステージの姿勢変化量を測定し、前記姿勢変化量によって、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正することを特徴とするワークの製造方法。
【請求項１２】
工具が搭載される工具ステージ及びワークが搭載されるワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動して、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工するワークの製造方法であって、
前記ベース面から前記ステージに向けて照明光を出射し、前記ステージから反射した反射光を、前記ベース面に対する前記ステージの傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、前記複数の光を干渉させて前記ステージの姿勢変化量を測定し、前記姿勢変化量によって、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正することを特徴とするワークの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査ステージ等の傾斜量を高精度に測定するための傾斜センサ、それを備えた加工装置、及びワークの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学金型加工に代表される超精密化加工の分野において、加工機の走査ステージの姿勢変化によるステージ傾斜量に伴う加工形状に及ぼす影響が問題になっている。加工点はステージ面上ではなく、１００〜２００ｍｍ離れた場所に存在するので、僅かな姿勢変化が大きな加工形状誤差となる。仮に加工点がステージ面より１５０ｍｍ上方に存在する場合、僅か１／１００″程度のロール及びピッチ方向のステージ傾斜量が意図せずに発生すると、加工点では約１０ｎｍ程度の位置決め誤差となり、切削加工ではそのまま形状誤差となる。従って、形状精度が数ナノメートルから数１０ナノメートルの超精密加工を行う場合には上記傾斜量を測定し、補正することが求められている。
【０００３】
従来の測定面の傾斜を測定する傾斜センサとしては、大きく分けて２種類ある。１つは複数の変位センサを用いるものである。例えば、２個の変位センサを既知の間隔だけ離して配置し、測定面との変位出力差を取ることにより、傾斜量を求めることができる。この方法では、センサの間隔を広げるほど、傾斜量に対して変位出力差が大きくなるので、測定感度が高くなる。
【０００４】
２つ目はオートコリメータに代表される傾斜測定器により傾斜量を直接測定する方法である。このオートコリメーション法では、図１１に示すように、光源１０１より照射された光１２０が所定の傾斜量を持つ測定面１０２で反射され、コリメータレンズ１１６に測定面１０２の傾斜量と同じ入射角で入射する。コリメータレンズ１１６は光１２０に対し、入射角に応じて受光素子１０４上での集光位置を変化させる。この集光位置の変化量を求めることで測定面１０２の傾斜量を求めることができる。
【０００５】
また、オートコリメーション法を応用し、光学ユニットを用いて干渉縞を生成する傾斜測定法がある（特許文献１参照）。この方法では、受光素子面上の干渉縞の位置が傾斜量に応じて変化すると、受光強度が変化するので、干渉縞の位置変化に伴う光強度変化を測定することで傾斜量を求める。
【０００６】
回折格子を通過した回折光のスポット位置の変化を測定する方法もある（特許文献２参照）。これは、傾斜量に応じて±１次光のスポット位置が変化すると受光素子の受光強度が変化することで傾斜量を測定する。±１次光の強度変化をそれぞれ測定することで、フラッグ角内での傾斜測定範囲おいて線形性のよい出力信号を得ることができる。
【０００７】
さらに、測定面上に２枚のスリットを重ねて配置することで傾斜量を測定する方法がある（特許文献３参照）。この方法では、外部より光を照射した場合に、測定面の傾斜量に応じて光軸方向に対するスリットの重なりが変化することを利用して、ステージ面で反射した戻り光の光量変化を受光素子を用いて測定し、ステージの傾斜量を計算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１７８２８１号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６６２７号公報
【特許文献３】特開平９−６１１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、複数の変位センサを用いた従来の傾斜測定では、高感度測定において以下の問題が存在する。測定感度がセンサ間隔に依存しているため、高感度測定では測定装置が大型になり、温度等の環境変化に対する誤差が大きくなる。さらに、測定面上での測定箇所が複数存在するため、測定面の平面度が測定誤差として存在する。これらの理由により、微小な姿勢変化を測定する際に十分な感度はあるが測定不確かさが大きく、測定精度が不足するという問題がある。
【００１０】
オートコリメーション法のように傾斜量を直接測定する従来例においては、受光素子面上の集光スポットのサイズと受光素子の感度や構成の関係により十分な測定感度が得られない問題がある。
【００１１】
また、複数のスリットの重なりを用いた傾斜測定においては、測定感度を向上させるにはスリット幅を狭くし傾斜変化量に対する光量の変化量を大きくする必要がある。しかし、光の波長に最小スリット幅は制約されており、一定以上スリット幅を狭くすると光が回折してしまい測定できなくなるので、変位センサを用いた測定と同様に十分な測定感度が得られない。
【００１２】
本発明は、測定面上の１点を測定することで高感度に測定面の傾斜量を求めることのできる非接触式の傾斜センサ、それを備えた加工装置、及びワークの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の傾斜センサは、測定面の傾斜量を測定する傾斜センサにおいて、前記測定面へ照明光を出射する光源と、前記測定面からの反射光を複数の光に分けて干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受光し、干渉強度を測定するための受光素子と、を有し、前記光学系は、前記反射光を、前記測定面の傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、それぞれ回折もしくは屈折させることで前記干渉光を生じさせることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の加工装置は、工具が搭載される工具ステージと、ワークが搭載されるワークステージとを備え、前記工具ステージ及び前記ワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動可能に構成され、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工する際に、前記ステージの姿勢変化量に基づいて、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正する加工装置であって、前記ステージに設けられ、前記ベース面を測定面として、前記ベース面に対する前記ステージの姿勢変化量を測定する上記傾斜センサを備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の加工装置は、工具が搭載される工具ステージと、ワークが搭載されるワークステージとを備え、前記工具ステージ及び前記ワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動可能に構成され、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工する際に、前記ステージの姿勢変化量に基づいて、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正する加工装置であって、前記ベース面に設けられ、前記ステージを測定面として、前記ベース面に対する前記ステージの姿勢変化量を測定する上記傾斜センサを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のワークの製造方法は、工具が搭載される工具ステージ及びワークが搭載されるワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動して、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工するワークの製造方法であって、前記ステージから前記ベース面に向けて照明光を出射し、前記ベース面から反射した反射光を、前記ベース面に対する前記ステージの傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、前記複数の光を干渉させて前記ステージの姿勢変化量を測定し、前記姿勢変化量によって、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のワークの製造方法は、工具が搭載される工具ステージ及びワークが搭載されるワークステージの少なくとも一方のステージが、ベース面上を少なくとも一軸方向に移動して、前記工具ステージに搭載された工具によって前記ワークステージに搭載されたワークを加工するワークの製造方法であって、前記ベース面から前記ステージに向けて照明光を出射し、前記ステージから反射した反射光を、前記ベース面に対する前記ステージの傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に分けて、前記複数の光を干渉させて前記ステージの姿勢変化量を測定し、前記姿勢変化量によって、前記工具ステージと前記ワークステージとの相対位置を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
測定面の傾斜による光路差を有する複数の光を干渉させて得られた干渉光の強度変化を検出することで、傾斜量を直接測定するものであるため、高感度に傾斜量を測定することができる。複数の変位計を用いた微小傾斜量の測定に比べて、より小型な測定システムになり、しかも測定面の１点における測定であるため、測定面の平面度の影響が小さい。その結果、小型で測定誤差の少ない傾斜センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大図、（ｃ）は測定面の傾斜量と干渉強度の関係を示すグラフである。
【図２】第二の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は測定面の傾斜量と干渉強度の関係を示すグラフである。
【図３】第三の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大図、（ｃ）は回折格子の格子間隔と回折角の関係を示すグラフである。
【図４】第三の実施形態の一変形例を示す模式図である。
【図５】第四の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は一変形例を示す模式図である。
【図６】第五の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大図である。
【図７】第六の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大図である。
【図８】第六の実施形態に係るもので、（ａ）は反射ミラーの形状を示す図、（ｂ）は第三の実施形態との光路差の比較図である。
【図９】第七の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサを示す模式図、（ｂ）は傾斜センサの主要部を拡大して示す部分拡大図である。
【図１０】第八の実施形態に係るもので、（ａ）は加工装置の斜視図、（ｂ）は加工装置の断面図、（ｃ）は加工装置の断面図である。
【図１１】一従来例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、それぞれの実施形態の構成を示す図には、共通の構成には同一の符号を用いて説明する。
【００２１】
［第一の実施形態］
図１は第一の実施形態による傾斜センサに係るもので、この傾斜センサは、図１（ａ）に示すように、光源１、光学系を構成する光学ユニット３、受光素子４及び光学素子５を備えている。光源１は、測定面２へ照明光２０を出射するものである。光学素子５は、偏光ビームスプリッタと１／４波長板を組み合わせて構成され、アイソレーションに用いられる。この光学素子５は、光源１と測定面２との間に配置され、光源１から出射された照明光２０を透過させ、測定面２で反射した反射光を直角に反射させる。したがって、光源１から出射された照明光２０は、光学素子５を経て測定面２に照射され、測定面２にて反射して光学素子５に戻り、光学素子５で直角に反射する。光学ユニット３及び受光素子４は、光学素子５で反射した反射光の進行方向下流に配置されている。したがって、測定面２で反射した反射光は、光学ユニット３を経て受光素子４に入射する。光学ユニット３は、測定面２の傾斜に伴う光路差をもつ複数の光に反射光を分けて干渉光を生じさせる光学系を構成するもので、一対のスリット６を軸対称に備える。各スリット６は、光の波長の１倍以上１０倍以下であり、５〜５０μｍの微小なスリット開口である。
【００２２】
光源１から照射された照明光２０は光学素子５を通過し、測定面２の傾斜量に応じた反射角で反射される。その反射光は再び光学素子５を通過し光学ユニット３に入射し、各スリット６により回折され、２本の回折光２１に分かれる。反射光が回折される際、図１（ｂ）に示すように、反射光は光学ユニット３に対して一定の傾斜量を持って入射するので、２本の回折光２１には光路差が生じる。一対のスリット６の間隔をＤ、測定面２の傾斜量をθとした時の光路差Ｌは以下の式（１）によって表される。
【００２３】
【数１】
0005511556.tif 000002
【００２４】
受光素子４は各スリット６より等距離に位置するので、２つの回折光２１はそれぞれ光路差Ｌを保ったまま受光素子４上で干渉する。光路差Ｌが光の波長の半分の偶数倍、つまり光の波長の整数倍であるときは２つの回折光２１の位相が一致するため、受光素子４上の干渉光の強度は最大になる。逆に奇数倍である時には位相が１８０度反転しているので、干渉光の強度は最小になる。光の波長をλとした時の干渉光の強度が最大になる光路差Ｌｍａｘは以下の式（２）によって表される。また、最小になる光路差Ｌｍｉｎは以下の式（３）によって表される。
【００２５】
【数２】
0005511556.tif 000003
【００２６】
【数３】
0005511556.tif 000004
【００２７】
式（１）から式（３）より測定面２の傾斜量の変化に応じて干渉光の強度は周期的に変化するので、干渉強度を受光素子４により測定することで傾斜量を求めることができる。図１（ｃ）に傾斜量と干渉強度の関係を示す。本第一の実施形態では、傾斜量の変化により干渉の強弱が周期的に繰り返す出力が得られる。従って通常の干渉変位計と同様に、干渉の周期をカウントし、かつ１周期を電気分割することで傾斜量の変化を求める。本第一の実施形態では式（１）より、光学ユニット３におけるスリット６の間隔を広げることで分解能は向上し、数秒程度の微小傾斜量で干渉の明暗を繰り返す。従って、本第一の実施形態では照明光２０の光径を１０〜１００ｍｍ程度の範囲まで拡大することが望ましい。さらに電気分割を行うことで、測定分解能を数１００〜１０００倍程度まで向上させることができる。しかし、スリット６の間隔Ｄを広げると、受光素子の信号のＳ／Ｎ比が低くなり、ノイズの影響が大きくなってしまう。よって、測定仕様に応じて、光源を高出力光源にしたり、受光素子を高感度の受光素子（例えばＡＰＤやＰＭＴ）とするなどの工夫は必要である。このように、本第一の実施形態は、単一の測定箇所における傾斜量の測定において、従来の測定方法より高い分解能で測定を行うことが可能となる。
【００２８】
［第二の実施形態］
図２は第二の実施形態に係るもので、（ａ）は傾斜センサの構成を示す。本第二の実施形態では、傾斜センサは、第一の実施形態の構成に加えて測定面側の光学素子５と光学ユニット３の間に配置された回折格子８を有する。測定面２で反射された反射光は光学素子５を経て回折格子８に入射し、回折により±１次光の回折光２２及び０次光が生じる。
【００２９】
本第二の実施形態における光学ユニット３と回折格子８の位置関係について以下に説明する。回折光２２は０次光に対して、回折格子８の格子間隔及び光の波長より求まる所定の回折角を持つ。光の波長をλ、回折格子８の格子間隔をｐとした時の回折角φは以下の式（４）によって求められる。
【００３０】
【数４】
0005511556.tif 000005
【００３１】
傾斜量の測定レンジが正負両傾斜方向にそれぞれ均一になるように、測定面２の傾斜量０°における回折光２２がスリット６の中心に入射することが望ましい。従って、光学ユニット３と回折格子８間の距離ｒは、光学ユニット３のスリット間隔をＤ、回折角をφとした時、以下の式（５）によって表される。
【００３２】
【数５】
0005511556.tif 000006
【００３３】
回折光２２が各スリット６に入射する際、回折光２２は測定面２の傾斜量に応じて光学ユニット３に対する入射角がそれぞれ変化するために光路差が生じる。従って、第一の実施形態と同様に、受光素子４における光路差より生じる干渉光の強度変化を測定することで傾斜量が導出される。本第二の実施形態における傾斜量をθとした時の光路差Ｌは以下の式（６）によって表される。
【００３４】
【数６】
0005511556.tif 000007
【００３５】
式（６）より、分母にあるｃｏｓφの値は１より小さい値を示すため、傾斜量に対する光路差が第一の実施形態よりも大きくなるので、より高分解能な構成であることがわかる。さらに、第一の実施形態では多くの光が光学ユニット３に遮られてしまっていたのに対して、本第二の実施形態では回折格子８により集光された回折光２２が各スリット６に入射するので、より多くの光が光学ユニット３を通過する。このことにより、受光素子４における光量が増加するため、低い感度の素子を選択できるだけでなく、外乱に対しての誤差を減少させることができる。しかし、傾斜量が大きくなると回折光２２の中心がスリット６の中心からずれてしまい、光学ユニット３を通過した回折光２１の光量が減少してしまう。図２（ｂ）は、本第二の実施形態における傾斜量と干渉光の関係を示す。光量が減少すると信号の振幅が小さくなるので、電気的に分解能が低下してしまう。従って、高精度測定を行う場合は、初期傾斜量を０°近傍に調整することが望ましい。
【００３６】
［第三の実施形態］
図３は第三の実施形態に係るもので、図３（ａ）は傾斜センサの構成を示す。本第三の実施形態では、傾斜センサは、光学ユニット３のスリット６の代わりに配置された一対の回折格子９を有し、さらに集光手段である集光光学素子１０を有する。集光光学素子１０は単一又は複数の凹凸レンズ、ミラーを組み合わせたものである。
【００３７】
第二の実施形態と同様に、測定面２で反射された光は回折格子８を透過して回折光２２を生じ光学ユニット３の各回折格子９に入射する。回折格子９の格子間隔は、光学ユニット３の中心より半径方向の外側へ向かうに従い、入射角と回折角が等しくなるように格子間隔が規則的に変化しているため、図３（ｂ）に示すように、回折光２２を回折させ平行な回折光２３を生じる作用を持つ。図３（ｃ）は格子間隔と回折角の関係を示すグラフである。回折格子９は回折光２２における＋１次光から生じた−１次光と−１次光より生じた＋１次光が平行光となる回折光２３を生じる。
【００３８】
第二の実施形態と同様に、回折格子８を通過した回折光２２は光学ユニット３に入射する際に測定面２の傾斜量に応じた光路差をもつ。従って、回折光２３を集光光学素子１０により屈折させて受光素子４上に集光し干渉させることで、干渉強度から測定面２の傾斜量が導出される。受光素子４に集光させる際にスリット７を通し、外乱要素を除くことが望ましい。
【００３９】
図４に示すように、回折光２３を受光素子４上に干渉させるには、ミラー１１とビームスプリッタ１２などの素子を組み合わせた反射光学系を用いて回折光２３を屈折させる集光手段でもよい。
【００４０】
本第三の実施形態では第二の実施形態と異なり、受光素子４上に集光する光量が光学ユニット３に対する回折光２２の入射角の影響を受けない。従って、傾斜量と干渉光の関係は第一の実施形態と同様に振幅は一定の傾向を示す。回折格子９を用いて平行光にした回折光２３を受光素子４上で干渉させることで、第一の実施形態、２ではスリット６を用いて回折光２１となり拡散していた光を集めることができる。これにより、受光素子４上での光量が増加するのでより安定した測定が可能になるだけでなく、電気的な分解能も向上する。
【００４１】
［第四の実施形態］
図５は第四の実施形態に係るもので、図５（ａ）に示すように、本第四の実施形態では、傾斜センサは、光学ユニット３の代わりに光学素子１３を備える。光学素子１３は、第三の実施形態における光学ユニット３と同様に、入射した回折光２２の入射角及び入射位置が測定面２の傾斜量に応じて変化しても、光学素子１３を透過した光２４は常にそれぞれ平行光となるように作用する非球面レンズである。第三の実施形態においては、回折格子９の最小格子間隔には限界があり、傾斜量の測定レンジに制約が存在していたが、非球面レンズは連続した曲面なので、本第四の実施形態ではより測定レンジを広げることが可能となる。図５（ｂ）は、一変形例を示すもので、図５（ａ）に示す光学素子１３の代わりに、分割された光学素子１３ａ、１３ｂを用いる。
【００４２】
［第五の実施形態］
図６は、第五の実施形態に係るもので、本第五の実施形態では、図６（ａ）に示すように、傾斜センサ５０は、測定面２と回折格子８との光路間に配置され、光２０の径より小さい開口を持つスリット１４を備えることを特徴とする。スリット１４によって生じる効果について図６（ｂ）を用いて説明する。測定面２以外の部品をパッケージングした傾斜センサ５０と測定面２の間隔であるワークディスタンスが変化した際、光２０の光軸は光学素子５と回折格子８の光路間においてＺ軸方向にオフセットを生じる。このスリット１４を備えることで、スリット１４通過後の光２５の光軸は変化せず一定となり、回折格子８と光学ユニット３における光軸は測定面２の傾斜量に対応して一定となる。従って、第三、第四の実施形態では、ワークディスタンスが変化すると分解能が変化するのに対し、本第五の実施形態ではワークディスタンスが変化しても常に一定の分解能で計測することが可能となる。
【００４３】
本第五の実施形態において、ワークディスタンス変化や測定面２の傾斜変化が多くなり、光２０がスリット１４の開口から外れた場合は測定が困難になる。従って、スリットの開口を小さくすることでワークディスタンスや測定レンジを広げることができる。しかし、回折による光の広がりや、光量の低下による分解能の低下を考慮すると、通常は１ｍｍ以上の開口のサイズが望ましい。
【００４４】
本第五の実施形態では、傾斜センサ５０は、光源１と測定面２の光路間に配置された光学素子１５及び光学素子１７を備えることで、光２０の径を調整し、ワークディスタンスや測定レンジを広げる例を示す。光学素子１５と光学素子１７は焦点距離が無限大のアフォーカル系の関係を有することで、入射する光２０の径を調整することが可能となる。図６においては凸レンズ２枚の構成となっているが、アフォーカル系の関係は凸レンズと凹レンズの組み合わせや、ミラーの組み合わせなど様々な構成が存在する。この様に、光２０の径とスリット１４の開口サイズは測定条件に対して最も適した径に調整することが望ましく、本第五の実施形態では例えば光２０の径はφ２．５ｍｍ程度の径に調整し、開口は１ｍｍとしている。
【００４５】
本第五の実施形態の集光手段では干渉をＮＵＬＬとした光を受光素子４へ入射するため、２光束を高精度に重ね合わせる調整が必要となる。本第五の実施形態では集光手段の調整を容易にするため、傾斜センサ５０は、集光手段として、集光光学素子１０の焦点位置に入射角と回折角が一致する回折格子１８を備える例を示す。回折格子１８で回折された２光束の＋１次光と−１次光の光軸は平行となるので、干渉光の状態をスクリーン等で簡単に目視確認することができ、調整が容易となる。
【００４６】
また、本第五の実施形態では傾斜センサをコンパクトにする為、光路中にプリズム１６を配置している。また回折格子９は反射型を用いている。この回折格子９により、回折光２２を回折、反射させて、平行な回折光２６を生じさせる。一般的に反射型の光学素子は透過型に比べて形状誤差の影響が大きい。しかし、回折格子に関しては製造プロセスの関係で、反射型の格子の方が形状やピッチの精度が良く、誤差の影響を低減することができるので、設計に応じて使い分けることが望ましい。もちろん、第三、第四の実施形態における測定面２と回折格子８の光路間に、光２０の径より小さい開口を持つスリット１４を備える構成であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
［第六の実施形態］
図７は、第六の実施形態に係るもので、図７（ａ）に示すように、本第六の実施形態では、傾斜センサ５０Ａは、回折格子８で生じた回折光２２が入射するように配置された非球面ミラーである反射ミラー１９を備えている。±１次の回折光である回折光２２は反射ミラー１９で反射され、入射角に応じた光路差を持つ平行の光２７となる。反射ミラー１９で反射された光２７は、集光手段としての集光光学素子１０及び回折格子１８によって重なり合い、受光素子４上で光路差に応じた干渉を生じる。図７（ｂ）に回折格子８の中心を原点とした、回折格子８と反射ミラー１９付近における光軸の軌跡を示す。
【００４８】
反射ミラー１９は回折格子８の格子間隔、スリット１４から回折格子８までの間隔、回折格子８から反射ミラー１９までの間隔の３条件によって形状が求まる。図８（ａ）に回折格子８の格子間隔ｐを１μｍ、スリット１４から回折格子８までの距離ｆ１を２５ｍｍ、回折格子８から反射ミラー１９までの距離ｆ２を７．５ｍｍとした時における反射ミラー１９の形状を示す。図中の原点は回折格子８の中心であり、反射面の中心付近をアライメント調整用の開口部としている。
【００４９】
第三の実施形態において高分解能化するには光学ユニット３の大型化が必要であるのに対し、本第六の実施形態の反射ミラー１９はサイズを変えずに高分解能化を実現することが可能となる。これは第三の実施形態の光学ユニット３が平面であるのに対し、本第六の実施形態の非球面ミラー１９は曲率を持つ反射面なので、幾何的な光路長変化が生じている為である。一例として、反射ミラー１９が図８（ａ）の形状を持つ場合において、測定面２の傾斜量変化が生じた際の＋１次光と−１次光の光路差を、同様のサイズを持つ光学ユニット３と比較した結果を図８（ｂ）に示す。本第六の実施形態の傾斜センサ５０Ａは第三の実施形態の傾斜センサ５０と比べて約２倍の光路差、つまり分解能が得られる。小型の光学素子は大型の光学素子よりも高精度に製作できるので、光学素子の形状誤差の影響を低減し、更に高精度化することが可能となる。
【００５０】
［第七の実施形態］
図９は第七の実施形態に係るもので、本第七の実施形態では、図９（ａ）に示すように、傾斜センサ５０Ｂは、第三の実施形態における回折格子８の代わりに、２次元方向に回折格子を持つ第１の２次元回折格子８Ｂを有する。さらに、傾斜センサ５０Ｂは、光学ユニット３上において２次元方向に回折格子を持つ第２の２次元回折格子９Ｂを有する。図９（ｂ）に示すように、第１の２次元回折格子８Ｂは、格子間隔が等間隔であり、第２の２次元回折格子９Ｂは、入射角と回折角が等しくなるように格子間隔が規則的に変化している。つまり、第１の２次元回折格子８Ｂは、平面に沿う一方向の格子間隔が等しく、さらに、平面沿う一方向と直交する方向の格子間隔が同様に等しく形成されている。また、第２の２次元回折格子９Ｂは、平面に沿う一方向の格子間隔が規則的に変化し、また、平面に沿う一方向と直交する方向の格子間隔が規則的に変化している。なお、各回折格子８Ｂ，９Ｂは、透過型，反射型のいずれでもよいが、本第七の実施形態では、第１の２次元回折格子８Ｂは、透過型であり、第２の２次元回折格子９Ｂは、反射型として説明する。測定面２で反射した光が第１の２次元回折格子８Ｂを通過（透過）することで、２次元方向に±１次の回折光２２を生じる。回折光２２は測定面２における各軸ごとの傾斜量に応じた光路差がそれぞれ独立して生じているので、１次元と同様の測定方法で２次元の傾斜量を独立して求めることが可能になる。回折光２２は、第２の２次元回折格子９Ｂを通過（反射）することで平行な回折光２６となる。従って傾斜センサ５０Ｂは、受光素子４と、回折格子１８と、集光光学素子１０とをそれぞれ２個ずつ備えている。これら回折格子１８，１８及び集光光学素子１０，１０で集光手段が構成されている。また、集光光学素子１０は、各軸ごとに屈折させるのでシリンドリカルレンズを用いることが望ましい。
【００５１】
第三、第四、第六の実施形態においても、回折格子８を２次元回折格子とし、かつ回折格子９、光学素子１３または反射ミラー１９を２次元方向に配置することで同様の測定が可能となる。
【００５２】
［第八の実施形態］
本第八の実施形態では、第一から第七の実施形態の傾斜センサのうちのいずれかの傾斜センサ、例えば第七の実施形態の傾斜センサを加工装置の姿勢計測に用いた場合について図１０を用いて説明する。本第八の実施形態では図１０（ａ）に示す加工装置２００にてワーク２０１を工具２０２で加工する。加工装置２００は、ベース面２上に配置された、工具ステージ２０３、ワークステージ２０４、回転軸２０５及び回転軸２０６を備えている。工具ステージ２０３上には工具２０２が搭載され、ワークステージ２０４上にはワーク２０１が搭載される。本第八の実施形態においては、工具ステージ２０３とワークステージ２０４はベース面上をそれぞれ一軸方向に移動可能に構成されている。具体的には、工具ステージ２０３は、Ｙ軸方向に移動可能であり、ワークステージ２０４はＸ軸方向に移動可能に構成されている。なお、工具ステージ２０３とワークステージ２０４との移動方向はこれに限らず、工具ステージ２０３及びワークステージ２０４のいずれか一方のステージがベース面２上を一軸方向に移動可能に構成されていればよい。また、ステージ２０３，２０４がさらに別の軸方向に移動可能に構成されてもよい。
【００５３】
ここで、工具ステージ２０３とワークステージ２０４とが移動する場合には、工具２０２とワーク２０１とを高精度に位置合わせするために、工具ステージ２０３とワークステージ２０４との相対位置を高精度に合わせる必要がある。図１０（ｂ）にＹＺ面における加工装置２００の断面図を示す。本第八の実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、両方のステージ２０３，２０４の姿勢変化量を測定するために、傾斜センサ２１０が工具ステージ２０３とワークステージ２０４にそれぞれに設けられている。この場合、傾斜センサ２１０の測定対象である測定面は、ベース面２となる。傾斜センサ２１０は、工具ステージ２０３とワークステージ２０４にそれぞれに取り付けられているので、簡便にステージ２０３，２０４の姿勢変化量を測定することができる。なお、傾斜センサ２１０は、移動するステージに設けるのがよく、本第八の実施形態では、両方のステージ２０３，２０４に設けられるが、一方のステージが移動可能な場合は、その移動可能なステージに傾斜センサ２１０を設ければよい。
【００５４】
図１０（ｂ）に示すように、工具２０２の工具先端位置と傾斜センサ２１０の測定点が同一のＹＺ平面上に存在する。工具ステージ２０３の重心からの工具加工点の距離ＬｔとＸ軸周りの初期姿勢θｔ、ワークステージ２０４の重心からのワーク２０１の中心の距離ＬｗとＸ軸周りの初期姿勢θｗを予め求めておき、既知の値とする。これら値の実験的導出方法の１つとして、ステージの姿勢変化時に傾斜センサ２１０で姿勢変化量を測定し、同時に加工点、及びワーク中心の位置変化を変位センサで２点以上測定することで各ステージの重心位置を求める方法がある。
【００５５】
加工時において工具ステージ２０３とワークステージ２０４をそれぞれ走査する際、ガイド面の精度や外乱振動、熱変位等で姿勢変化が生じるので、傾斜センサ２１０で姿勢変化量を測定し、リアルタイムに補正する。工具ステージ２０３の姿勢変化量であるピッチング量をΔθｔｘ、ロール量をΔθｔｙとする時、工具２０２の加工点の位置誤差Δｔｘ，Δｔｙを式（７）に示す。
【００５６】
【数７】
0005511556.tif 000008
【００５７】
同様に、ワークステージ２０４の姿勢変化量であるピッチング量をΔθｗｙ、ロール量をΔθｗｘとする時、工具２０２の加工点の位置誤差Δｗｘ，Δｗｙを式（８）に示す。
【００５８】
【数８】
0005511556.tif 000009
【００５９】
従って、各ステージ２０３，２０４の補正量Δｘ及びΔｙが式（９）の様に求まる。
【００６０】
【数９】
0005511556.tif 000010
【００６１】
本第八の実施形態の装置構成においては、Δｘはワークステージ２０４の補正量、Δｙは工具ステージ２０３の補正量となる。そして、ワークステージ２０４は補正量Δｘで位置が補正され、工具ステージ２０３は、補正量Δｙで位置が補正される。これにより、工具ステージ２０３とワークステージ２０４との相対位置が補正され、工具２０２とワーク２０１との相対的な位置決めが高精度になされる。このように、ステージ２０３，２０４の姿勢変化量を直接測定するものであるため、高感度にステージ２０３，２０４の姿勢変化量を測定することができる。そして、ステージ２０３，２０４の補正量を求めてステージ２０３，２０４の相対位置を補正しているので、ワークの加工精度が向上する。以上の様に、加工中における姿勢変化による加工位置誤差をリアルタイムに補正することで、従来の加工結果より修正加工するワーク加工方法において、装置再現性以上の加工結果を得ることが困難であった課題を解決することができる。さらに、従来では複数の位置や変位を測定するセンサを配置して姿勢変化を高精度に測定したのに対し、本第八の実施形態では少ないセンサ個数で測定可能となり装置の小型化が可能となる。
【００６２】
工具ステージ２０３のヨーイングは加工点を工具ステージ２０３の重心のＺ軸上方に配置することで影響を抑えることができる。しかし、ワークステージ２０４のヨーイングは特にワーク２０１のＸ軸方向の位置誤差を生じるので、状況に応じてセンサを追加し、同様の方法で除去することが望ましい。
【００６３】
空気の揺らぎによる傾斜センサ２１０の測定誤差を低減するために、装置内部における工具ステージ２０３のベース面２である、ガイド２０７のＸＹ平面を測定面として測定する。傾斜センサ２１０の取り付けの場所に関して、傾斜測定はアッベ誤差の影響を受けにくい特徴を持ち取り付け場所の制約がないので、振動の影響の少ない所に取り付けることが望ましい。
【００６４】
なお、傾斜センサ２１０は、図１０（ｃ）に示すように、ベース面２に取り付けられていてもよい。この場合は、工具ステージ２０３とワークステージ２０４の少なくとも一方のステージに照明光が出射され、そのステージで反射された反射光を用いてステージの姿勢変化量が測定される。つまり、工具ステージ２０３が移動可能である場合には、傾斜センサ２１０は、ベース面２上の工具ステージ２０３に対向する位置に配置される。また、ワークステージ２０４が移動可能である場合には、傾斜センサ２１０は、ベース面２上のワークステージ２０４に対向する位置に配置される。図１０（ｃ）では、両方のステージ２０３，２０４が移動可能であるので、それぞれのステージ２０３，２０４に対応して傾斜センサ２１０が設けられている。この場合、傾斜センサ２１０の測定対象である測定面は、ステージ２０３，２０４となる。この場合も同様に、ベース面２に対するステージ２０３，２０４の姿勢変化量が測定される。したがって、この場合も上述した効果と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００６５】
１    光源
２    測定面
３    光学ユニット
４    受光素子
５、１３    光学素子
６、７    スリット
８、９    回折格子
１０    集光光学素子
１１    ミラー
１２    ビームスプリッタ
１４    ２次元回折格子
５０，５０Ａ，５０Ｂ    傾斜センサ
２００    加工装置
２１０    傾斜センサ
【図１】
0005511556.tif 000011
【図２】
0005511556.tif 000012
【図３】
0005511556.tif 000013
【図４】
0005511556.tif 000014
【図５】
0005511556.tif 000015
【図６】
0005511556.tif 000016
【図７】
0005511556.tif 000017
【図８】
0005511556.tif 000018
【図９】
0005511556.tif 000019
【図１０】
0005511556.tif 000020
【図１１】
0005511556.tif 000021