(57)【要約】【課題】  サブミクロンオーダの位置精度で位置マークを検出できる光学式３次元位置測定装置を実現する。【解決手段】  Ｘスライド１１およびＹスライド１２上に支持されたＺスライド１３にカメラ１６を保持させ、被測定物Ｗ1 の位置マーク球に光てこ光学系１９からの収束光を照射してカメラ１６の焦点位置に位置マーク球の球心位置が一致するようにＸ、Ｙ、Ｚスライド１１〜１３を移動させる。この状態で、Ｚスライド１３のＸ、Ｙ、Ｚ位置をレーザー測長器６１〜６５によって測定し、測定値から位置マーク球の３次元座標を得る。【選択図】      図１
2005077295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置マークを備えた被測定物を支持する支持手段を有する基台と、前記基台上で２次元的に移動するＸＹステージと、前記ＸＹステージ上で垂直に移動自在であるＺステージと、前記Ｚステージに保持され、前記Ｚステージとともに移動して前記位置マークを検出する光学式位置マーク検知手段と、前記ＺステージのＸ方向の位置を測定するためのＸレーザー測長器と、前記ＺステージのＹ方向の位置を測定するためのＹレーザー測長器と、前記ＺステージのＺ方向の位置を測定するためのＺレーザー測長器と、前記光学式位置マーク検知手段によって前記位置マークが検知されたときの前記Ｘ、Ｙ、Ｚレーザー測長器のそれぞれの測定値に基づいて前記位置マークの３次元位置を算出する演算手段とを有することを特徴とする光学式３次元位置測定装置。
【請求項２】
Ｘレーザー測長器に対向する反射面を有する第１のミラーと、Ｙレーザー測長器に対向する反射面を有する第２のミラーが設けられており、前記第１および前記第２のミラーのうちの一方の側面にＺレーザー測長器に対向する反射面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項３】
Ｘレーザー測長器およびＹレーザー測長器が、各ミラーに対向する２箇所で測定するために２個ずつ設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項４】
Ｘレーザー測長器およびＹレーザー測長器のうちの一方とＺレーザー測長器が、各ミラーに対向する２箇所で測定するために２個ずつ設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項５】
Ｚレーザー測長器がミラーに対向する３箇所で測定するために３個設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項６】
光学式位置マーク検知手段が、位置マークの画像を得るためのカメラを有することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項７】
光学式位置マーク検知手段が、点光源から出射された照明光を集光レンズによって第１の収束光に変換し、位置マークによって反射させて拡散光に変換し、前記集光レンズによって第２の収束光に変換し、ポジションセンサーによって前記第２の収束光の光軸位置を検知する光てこ光学系を有することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項８】
光学式位置マーク検知手段が、第２の収束光をハーフミラーで分岐し、シリンドリカルレンズと４分割ダイオードによって集光位置を検出するオートフォーカス光学系を備えていることを特徴とする請求項７記載の光学式３次元位置測定装置。
【請求項９】
位置マークを備えた被測定物を、基台上の３次元ステージに保持されたカメラによって撮像する位置測定方法であって、
前記３次元ステージを構成するＸ、Ｙ、Ｚステージをそれぞれ移動させ、Ｚステージに保持されたカメラの光軸位置に被測定物の位置マークの画像を合わせる工程と、
カメラの光軸位置に位置マークの画像を合わせた状態でＺステージのＸ、Ｙ、Ｚ位置をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器によって測定し、それぞれの測定値に基づいて位置マークの３次元位置を算出する工程と、
を有することを特徴とする位置測定方法。
【請求項１０】
光てこ光学系およびオートフォーカス光学系を用いてカメラの焦点位置に位置マークを合わせることを特徴とする請求項９記載の位置測定方法。
【請求項１１】
位置マークが、光てこ光学系およびオートフォーカス光学系によって球心を検出される位置マーク球であることを特徴とする請求項１０記載の位置測定方法。
【請求項１２】
位置マークが、光てこ光学系およびオートフォーカス光学系によって中心位置を検出されるフレネルパターンであることを特徴とする請求項１０記載の位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組立部品の相対位置や姿勢等を位置マークを用いて精密に、例えばサブミクロンの精度で測定し、電子線露光装置の電子レンズ等の精密機器を高精度で効率的に組み立てることを可能にする光学式３次元位置測定装置および位置測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触に被測定物の位置を測定する方法としてカメラを用いる方法が知られている。例えば図１６に示すものは、被測定物Ｗ0 の長孔Ｓ1 等の形状や寸法を光学的に計測する装置において、コンベア１００によって搬入された被測定物Ｗ0 の位置が予め定める位置からずれていても、長孔Ｓ1 等の計測対象の寸法や形状を高精度に計測することができるようにするために、複数軸の産業用ロボット１０１の作業端に取付けられたテレビカメラ１０２で計測対象を撮像し、その撮像した画像を処理回路１０３において画像処理して、まず、被測定物Ｗ0 に対するテレビカメラ１０２の相対位置を検出し、位置調整を行う。例えば、被測定物Ｗ0 に形成されている長孔の長軸Ｓ1 の位置および傾斜を画像処理によって測定し、テレビカメラ１０２と一体的な光源１０４からのスリット光Ｌ0 （シート状の光線）が、前記長孔Ｓ1 の重心を通りかつ長軸方向に位置して照射されるように、テレビカメラ１０２を移動して位置決めしたうえで、スリット光Ｌ0 による長孔Ｓ1 や他の孔の画像をテレビカメラ１０２で撮像し、開口寸法等を測定する。
【０００３】
このように、被測定物の位置検出を画像処理によって行う技術が公知の特許文献に紹介されている。
【０００４】
ところが上記の装置では、カメラはロボットアームに搭載されているため、被測定物の位置決め精度はロボットアームの位置決め誤差の影響を受ける。特に図１６に示すような関節型のロボットアームの位置決め精度は一般に高くない。また、このロボットアームを非常に精度の高いものに変更したとしても、機械的な誤差の影響を小さくすること、例えば３００ｍｍといった測定領域において位置精度を数μｍにすることは難しく、ましてサブミクロンオーダの高精度を実現するのは技術的に非常に困難であり、たとえ可能だったとしてもエアーベアリングなど超高精度な機械要素が必要であり装置製作コストが高くなる。
【０００５】
加えて、カメラで長孔等の計測対象を撮像した画像の処理では正確に被測定物の３次元位置を測定するのは難しい。詳しく説明すると、計測対象をカメラで撮像して画像処理を行い、被測定物の位置や姿勢を測定し、カメラの位置調整を行ったうえで計測対象の形状測定等を行うという方法は、単純に計測対象をカメラで撮像した画像を用いるよりは高精度な形状測定を行うことができるが、カメラの位置決めのための位置や姿勢の測定を画像処理に頼っているため、測定精度はカメラの撮像性能で制限される。ところが、光を用いたカメラの撮像性能は高いものが望めず、カメラの分解能はせいぜい数μｍであるため、サブミクロンオーダの高精度を実現するのは困難である。
【０００６】
また、計測対象をカメラで撮像して画像処理を行い、位置や姿勢を測定するという方法では、カメラの光軸方向の距離測定は難しい。カメラに搭載されているオートフォーカスを用いることも考えられるが、画像処理をもとにしたオートフォーカスでは精度の向上が難しい。
【特許文献１】特開平５−０４５１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、例えばサブミクロンオーダの高精度で、位置マークの読み取りを３次元的に行うことのできる光学式３次元位置測定装置および位置測定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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の光学式３次元位置測定装置は、位置マークを備えた被測定物を支持する支持手段を有する基台と、前記基台上で２次元的に移動するＸＹステージと、前記ＸＹステージ上で垂直に移動自在であるＺステージと、前記Ｚステージに保持され、前記Ｚステージとともに移動して前記位置マークを検出する光学式位置マーク検知手段と、前記ＺステージのＸ方向の位置を測定するためのＸレーザー測長器と、前記ＺステージのＹ方向の位置を測定するためのＹレーザー測長器と、前記ＺステージのＺ方向の位置を測定するためのＺレーザー測長器と、前記光学式位置マーク検知手段によって前記位置マークが検知されたときの前記Ｘ、Ｙ、Ｚレーザー測長器のそれぞれの測定値に基づいて前記位置マークの３次元位置を算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の位置測定方法は、位置マークを備えた被測定物を、基台上の３次元ステージに保持されたカメラによって撮像する位置測定方法であって、前記３次元ステージを構成するＸ、Ｙ、Ｚステージをそれぞれ移動させ、Ｚステージに保持されたカメラの光軸位置に被測定物の位置マークの画像を合わせる工程と、カメラの光軸位置に位置マークの画像を合わせた状態でＺステージのＸ、Ｙ、Ｚ位置をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器によって測定し、それぞれの測定値に基づいて位置マークの３次元位置を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
レーザー測長器を用いて被測定物の位置、姿勢の計測値を得るものであるため、測定精度が高く、サブナノメートルの分解能が可能となる。例えば、ロボットアームの移動精度に頼っていた従来の方法では高くても数μｍの精度であったところを３桁以上改善することができる。
【００１１】
また、基準となるミラーの反射光をＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器でそれぞれ検出して３次元座標位置を計測する構成において、３つのミラーを用いる替わりに、１つのミラーを２軸方向のレーザー測長器に対向させて、２つのミラーで構成することにより、測定点の上方に配設される基準ミラーが不必要となり、特に大きなカメラを搭載するような応用分野では、ミラー配置を気にすることなくカメラを搭載することが可能となり、装置の小型化や作業性の向上等に大きく貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は一実施の形態による光学式３次元位置測定装置を示すもので、位置マークである位置マーク球４（図２参照）を備えた被測定物Ｗ1 を支持する支持手段を有する基台である支持台１０と、支持台１０上で２次元的に移動するＸスライド１１およびＹスライド１２からなるＸＹステージと、前記ＸＹステージ上で垂直に移動自在なＺステージであるＺスライド１３と、ＸＹＺコントローラ１４と、コンピュータ１５と、Ｚスライド１３に保持されたカメラ１６と、カメラ１６の撮像した画像を出力するモニタ１７と、画像処理装置１８と、カメラ１６とともに光学式位置マーク検知手段を構成する光てこ光学系１９と、Ｚスライド１３のＸ方向の位置を測定するためのＸレーザー測長器６１、６２と、Ｚスライド１３のＹ方向の位置を測定するためのＹレーザー測長器６３、６４と、Ｚスライド１３のＺ方向の位置を測定するためのＺレーザー測長器６５とを有する（図８参照）。
【００１３】
コンピュータ１５は、前記光学式位置マーク検知手段によって被測定物Ｗ1 の位置マーク球４が検知されたときのＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器６１〜６５のそれぞれの測定値に基づいて位置マーク球４の３次元位置を算出する演算手段を有する。
【実施例１】
【００１４】
図２は実施例１による被測定物Ｗ1 の構成を示す。これは、電子線露光装置の部品で電子レンズとよばれるものであり、第１、第２のプレート２ａ、２ｂにそれぞれ設けられたレンズ開口３ａ、３ｂによってレンズ作用が発生する。この電子レンズの組み立てにおいて、レンズ開口３ａ、３ｂを整合させるための位置マーク球４は、第１、第２のベース板５ａ、５ｂに２個ずつ取り付けられており、第１、第２のベース板５ａ、５ｂはスペーサ６をはさんで固定される。
【００１５】
第１のベース板５ａには第１のプレート２ａが板ばね７ａで固定され、同様に第２のベース板５ｂには第２のプレート２ｂが板ばね７ｂで固定され、各プレート２ａ、２ｂには、前述のように、電子が通過するレンズ開口３ａ、３ｂがあけられている。この電子レンズには図示しない制御電極が形成されており、電子線がレンズ開口３ａ、３ｂを通過するときにレンズ作用を発揮する。
【００１６】
この時重要なのは、第１のレンズ開口３ａと第２のレンズ開口３ｂが正確に垂直線上にあることである。もしそうでないと、電子線がレンズの中心を通過していかないので精密なレンズ作用は発揮できないことになる。従って、第１、第２のベース板５ａ、５ｂの水平方向を精密に位置合わせし、固定する必要がある。
【００１７】
なお、ベース板は２枚に限らず、３枚以上でもよい。ここでは、簡便のため説明は２枚だけで行う。
【００１８】
各ベース板５ａ、５ｂには、精密にこれらの位置測定をするための計測対象である位置マーク球４が固定されている。固定の方法は例えば図２に示すように、円筒の穴をあけ、真空内で使用可能な接着剤で球を接着固定する。この位置マーク球４の上面は球面であり、例えばベアリングに用いる鋼球を用いれば５０ナノメートルといった高い精度のものが現在入手可能である。またボールレンズと呼ばれる光学素子に反射膜をつけたものも使用できる。この位置マーク球４の３次元位置を、図１に示すように、ＸＹステージ上のＺスライド１３に保持されたカメラ１６と光てこ光学系１９およびＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器６１〜６５からなる光学式３次元測定装置を用いて測定する。図２にはカメラ１６の焦点位置にある測定点Ｍと位置マーク球４の球心位置が一致した状態が示されている。
【００１９】
なお、ベース板５ａ、５ｂの位置マーク球４はそれぞれ１つ以上設ける。例えば２つ設ければ水平方向の位置だけではなく、姿勢も測定することができるのでより精度が向上できる。さらに３つ設ければ位置と姿勢の６軸をすべて測定することができる。ここでは説明を簡便にするため２つの位置マーク球のみ図示してあるが、３個以上の位置マーク球を用いる場合でもほとんど同じ構成、同じ動作フローである。
【００２０】
各位置マーク球４はあらかじめレンズ開口３ａ、３ｂとの相対位置を測定しておく。この測定にはＸＹテーブルを組み合わせた顕微鏡が使用できる。このようにレンズ開口３ａ、３ｂと位置マーク球４の相対位置を測定しているので、位置マーク球４の位置を測定すれば、レンズ開口３ａ、３ｂの位置がわかる。
【００２１】
第１のベース板５ａには位置調整駒９が固定されており、第２のベース板５ｂの位置を水平方向に微調整できるようになっている。この微調整は図示するように押しねじで行う方法以外にも、このねじをパルスモータで制御するなどの方法により、自動的に調節することも可能である。
【００２２】
第２のベース板５ｂには覗き穴８が形成されており、第１のベース板５ａ上に設けられた位置マーク球４を、上方から測定できるようになっている。
【００２３】
被測定物Ｗ1 は図１の装置の支持台１０にセットされる。この支持台１０上をＸ方向に移動可能にＸスライド１１が設けられ、Ｘスライド１１上に、Ｙ方向に移動可能なＹスライド１２が設けられ、Ｙスライド１２上に、Ｚ方向に移動可能なＺスライド１３が設けられる。このＸ、Ｙ、Ｚスライド１１〜１３からなる３次元ステージは高精度である必要はない。従って、通常の転がりガイドとボールネジの組み合わせで安価に製作することができる。
【００２４】
Ｘ、Ｙ、Ｚスライド１１〜１３を駆動する３軸のモータはＸＹＺコントローラ１４に接続され、ＸＹＺコントローラ１４はコンピュータ１５に接続される。コンピュータ１５には手動操作盤１５ａを設置し、ＸＹＺ軸のモータを手動で動かすことができるようにしておく。
【００２５】
Ｚスライド１３にはカメラ１６が固定されており、カメラ１６からの画像出力は確認用のモニター１７と画像処理装置１８に接続される。この画像処理装置１８によって、カメラ１６で撮影した位置マーク球４の画像を画像処理し、位置マーク球４の中心位置（球心）を計算することができるが、こうして計算した位置マーク球４の位置は画像処理を行っているので前述したように測定誤差は比較的大きい。
【００２６】
Ｚスライド１３に固定して光てこ光学系１９を設ける。また、ハーフミラー２０を、カメラ１６の光軸と光てこ光学系１９の光軸を一致させるように調節して固定する。
【００２７】
図３は、カメラ１６と光てこ光学系１９を説明するもので、カメラ１６はハーフミラー２０と４分の１波長板２５を介して位置マーク球４を撮影する。この画像は位置マーク球４の概略位置を測定するのに用いられる。半導体レーザー２１から出射した光は集光レンズ２１ａによって一点に集光され光ファイバー２２に導入される。光ファイバー２２から出射した光は偏光ビームスプリッタ２３で直線偏光のＰ波だけが反射し、集光レンズ２４で収束光に変換される。そしてさきほどのハーフミラー２０で反射し、４分の１波長板２５を通過し円偏光に変化し、位置マーク球４で反射し、再び４分の１波長板２５を通過し今度は先度とは９０度偏光方向が変化する。そしてハーフミラー２０で反射し、再び偏光ビームスプリッタ２３に入射するが先ほどとは９０度異なる方向に偏光しているので、この偏光ビームスプリッタ２３で反射せずに通過する。
【００２８】
次にハーフミラー２６に入射し、反射した光はポジションセンサー２７に入射する。このポジションセンサー２７はシリコン半導体で製作された部品であるフォトダイオードの一種であり、光の当たる場所によって４つの端子に流れる電流が変化するものである。また、このとき、ポジションセンサー２７の配置は焦点位置となるようにする。この焦点位置は集光レンズ２４の焦点距離、光ファイバー出射端の位置、位置マーク球４の位置によって決まるもので、図４に示すように、光ファイバー２２の出射位置Ｐ1 、集光レンズ２４の位置Ｌ、集光レンズ２４の焦点距離ｆ１とし、焦点位置Ｐ2 は位置マーク球４の球心と一致するものとすると、レンズの公式から各構成要素間の距離ｄ１、ｄ２は次式で表される。
【００２９】
１／ｄ１＋１／ｄ２＝１／ｆ１
焦点位置Ｐ2 と位置マーク球４の球心が一致する場合、焦点位置Ｐ2 にいったん集光した光はそのまま光路を逆戻りする。そして再び光ファイバー２２の出射位置Ｐ1 で焦点を結ぶが、その集光位置にハーフミラー２６を介してポジションセンサー２７を配置するのである。しかしポジションセンサー２７の位置は厳密に合わせる必要はない。ポジションセンサー２７は入射する光スポットの光量の重心位置に従って電流信号が出力されるので、厳密に焦点でなくても、光スポットのサイズがポジションセンサー２７よりも小さければ光スポットの位置信号を出力することができる。従って、わざと焦点位置からポジションセンサー２７を光軸方向にずらし、光スポットのサイズを広げるかわりに、位置マーク球の位置に対する感度を調整することもできる。
【００３０】
図３において、横方向の電流信号の差を引き算回路２８で計算すると、光の当たる場所の横方向の位置を表す信号が得られ、縦方向の電流信号の差を引き算回路２９で計算すると、光の当たる場所の縦方向の位置を表す信号が得られ、４つ全部の電流信号を足し算回路３０で計算すると、ポジションセンサー２７に当たっている光の量、全光量を表す信号が得られ、２つの割り算回路３１、３２でさきほどの引き算回路２９の出力信号を割り算し、横方向の位置信号φ１と、縦方向の位置信号φ２を得る。
【００３１】
このように全光量で割り算すると、ポジションセンサー２７に入射する光量が変化しても、測定誤差にならない。また、全光量の信号は比較回路３３に導き、あらかじめ定められた電圧と比較される。そしてその電圧に達しない場合、すなわちポジションセンサー２７に入射する光量が所定の値に達しない場合はエラー信号ｅ１２を出力する。
【００３２】
一方、ハーフミラー２６で反射せずに直進した光はシリンドリカルレンズ３４を通過し、４分割フォトダイオード３５に入射する。この部分はいわゆる非点収差を用いたオートフォーカスである。図５はこの部分の作用を説明するもので、シリンドリカルレンズ３４、すなわち円筒レンズは軸方向には曲率を持たないので、その方向についてはポジションセンサー２７について説明したときと同じ場所に焦点を結ぶ。すなわち図４および図５の焦点位置Ｐ2 である。しかし円筒レンズの曲率を持つ方向についてはそのぶんだけ焦点距離が短くなる。すなわち図５の焦点位置Ｐ4 である。この２つの焦点位置Ｐ2 、Ｐ4 において、光のスポットは片側の方向についてだけ焦点を結んでいるので図に示すように直線的なスポットの形になる。そして、その間のスポット形状は両者の中間的な形となり、どこかの位置で図のようにバランスの取れた円形のスポットが得られるはずである。この位置を図５のようにＰ3 とする。このスポットの形を４分割フォトダイオード３５で次のように測定することができる。
【００３３】
４分割フォトダイオード３５はシリコン半導体で製作された部品であるフォトダイオードの一種であり、４分割されたそれぞれの位置にあたる光の量に応じて流れる電流が変化するものである。つまり縦方向に分割されたフォトダイオードの電流出力と横方向に分割されたフォトダイオードの電流出力の差を計算すれば、このスポットの形を代表する信号が得られる。また、このバランスが取れたときの位置マーク球４の球心位置を測定点Ｍとする。この位置マーク球４が測定点Ｍより近づいたり離れたりすると焦点位置もそれにつれて動く。そして４分割フォトダイオード上のスポットの形が変化するしくみである。
【００３４】
図３にもどり、４分割フォトダイオード３５の横方向の光量を足し算回路３６で計算し、４分割フォトダイオード３５の縦方向の光量を足し算回路３７で計算する。そして両者の差を引き算回路３９で計算すると、先ほど説明したスポットの形に応じた信号が得られる。横方向と縦方向の信号がバランスしたゼロの信号が、図５のＰ3 に対応する。また、４つ全部の電流信号を足し算回路３８で計算すると、４分割フォトダイオード３５に当たっている光の量、全光量を表す信号が得られ、割り算回路４０でさきほどの引き算回路３９の出力信号を割り算し、フォーカス信号φ３を得る。このように全光量で割り算すると、４分割フォトダイオード３５に入射する光量が変化しても、測定誤差にならない。また、全光量の信号は比較回路４１に導き、あらかじめ定められた電圧と比較される。そしてその電圧に達しない場合、すなわち４分割フォトダイオード３５に入射する光量が所定の値に達しない場合はエラー信号ｅ３を出力する。
【００３５】
以上説明してきた光てこ光学系１９の出力する信号φ１、φ２、ｅ１２、φ３、ｅ３をコンピュータ１５に入力して、位置マーク球４の画像中心がカメラ１６の光軸位置に高精度で一致するまで、Ｘ、Ｙ、Ｚスライド１１〜１３を移動させ、図２に示す状態になったときのＸ、Ｙ、Ｚレーザー測長器６１〜６５の測定値から位置マーク球４の３次元座標を得る。
【００３６】
図１、および図６に示すように、支持台１０にはコラム４２が固定され、コラム４２には、固定スペーサ４３、リニアガイド４４、ボール４５を介して測定ボックス４６を取り付ける。すなわち測定ボックス４６の第１点は固定スペーサ４３を介して硬く締結し、第２点はリニアガイド４４を介して取り付ける。このときリニアガイド４４の移動方向が固定スペーサ４３の方向を向いているようにする。そして、第３点はボール４５を介して固定する。ここでボール４５は垂直方向の荷重は受けるが、水平方向には自由に動く軸受として作用する。すなわちこの点は垂直方向には固定するが水平方向に自由に動くことができる。
【００３７】
このように３点で支持すると、コラム４２がどのように変形しても測定ボックス４６は変形しないように支持される。第１、第２、第３点の間の相対距離が変化しても、リニアガイド４４とボール４５が動くため、その力が測定ボックス４６に伝わらないからである。
【００３８】
測定ボックス４６には図７に示す方法でＸミラー４７およびＹミラー４８を固定する。各ミラー４７、４８の固定で重要なのは反射面であるミラー鏡面の平面を保つように支持することである。そのためには不要な曲げモーメントを各ミラー４７、４８にかけないように注意することが肝要であるから、突き当て駒５０をミラー１つについて３箇所に設ける。図７はこのうち２箇所を示す。突き当て駒５０のまっすぐ後ろをプランジャー４９で押し付ける。プランジャー４９は中にばねが仕込んである部品で、一定の力で物品を押し当てることができる。このとき重要なことは突き当て駒５０のまっすぐうしろにプランジャー４９を配置することである。このようにすることにより、不要な曲げモーメントが各ミラー４７、４８にかからないので、ミラー４７、４８の精度が悪化するのを防止できる。Ｘミラー４７の垂直方向の固定等についてはやはり突き当て駒５３を両端に設ける。しかしミラーの自重でつきあて駒に押さえつけられているのでプランジャーは必要ない。
【００３９】
図８は５つのレーザー測長器６１〜６５とＸ、Ｙミラー４７、４８の配置を説明するもので、各レーザー測長器６１〜６５は距離をサブナノメートルといった高精度で測定することができる精密な計測部品である。Ｘ方向についてはＸ１、Ｘ２レーザー測長器６１、６２で測定する。Ｙ方向についてはＹ１、Ｙ２レーザー測長器６３、６４で測定する。そしてＺ方向についてはＺ１レーザー測長器６５で測定する。従って、Ｘミラー４７についてはＸ方向の面とＺ方向の面が鏡面になっている。Ｙミラー４８についてはＹ方向のみ鏡面になっている。
【００４０】
そして、Ｘ１、Ｘ２測長軸およびＺ１測長軸は同一垂直平面内に配置され、また、Ｙ１、Ｙ２測長軸も同一垂直平面内に配置され、２つの垂直平面の交線がカメラ１６および、光てこ光学系１９の光軸と一致するように配置する。また、図のようにＸ１、Ｙ１測長軸も同一水平面内にあり、同様にＸ２、Ｙ２測長軸も同一水平面内に配置される。
【００４１】
距離Ｌ１をＸ２測長軸およびＹ２測長軸と、Ｘ１測長軸およびＹ１測長軸のＺ方向の距離とし、距離Ｌ２をＸ２測長軸およびＹ２測長軸と、測定点ＭまでのＺ方向の距離とし、Ｌ３をカメラ１６の光軸とＺ１レーザー測長器６５までの距離とし、各レーザー測長器６１〜６５の出力する符号を正の長さとする時、測定点Ｍの３次元座標であるＸＹＺ座標を次の式で計算する。
【００４２】
−Ｘ  ＝  Ｘ１  ＋  （Ｘ２−Ｘ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
−Ｙ  ＝  Ｙ１  ＋  （Ｙ２−Ｙ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
Ｚ  ＝  Ｚ１  ＋  （Ｘ２−Ｘ１）＊Ｌ３／Ｌ１
【００４３】
Ｚスライド１３が移動すると、その下のＸ、Ｙスライド１１、１２の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばＸ軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は（Ｙ２−Ｙ１）／Ｌ１となる。そしてこの回転が生じたときの測定点ＭのＹ方向の偏差は（Ｙ２−Ｙ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１である。これがＹ座標における上式の第２項の意味である。以上の説明では簡便にするためＸ、Ｙ、Ｚ座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちＸ＝Ｙ＝Ｚ＝０とできることは自明である。
【００４４】
次に図１の光学式３次元位置測定装置の動作を図９のフローチャートに基づいて説明する。この動作はすべてコンピュータ１５のプログラムで制御する。
【００４５】
まず繰り返し数を表すカウンターをゼロにリセットし、被測定物Ｗ1 を装置にセットする（ステップ１００）。次に第１の位置マーク球４の概略位置を装置にティーチングする（ステップ１０１）。この操作の詳細は以下のとおりである。まずカメラ１６の画像をモニター１７で確認しながら手動操作盤１５ａを用いてＸＹＺステージ位置を調節する。このとき、位置マーク球４がモニター１７の画面の中央にあり、しかもピントがほぼあっているようにする。すなわち、モニター１７の画面中央に球が見えることから、カメラ光軸上に位置マーク球４がきていることになる。またピントがほぼあっていることから上下方向についてもほぼ測定点Ｍに位置マーク球４がきていることになる。
【００４６】
次に光てこ光学系１９のエラー信号ｅ１２、ｅ３がでていないことを確認する（ステップ１０２）。もしもエラーがでていれば、カメラ１６の光軸と光てこの光学系１９の光軸があっていなかったり、レーザーダイオードなどの部品の故障が考えられるので、エラーを表示し停止する。
【００４７】
続いて、信号φ１、φ２がゼロになるようにＸ、Ｙ軸（Ｘ、Ｙスライド１１、１２）を移動し、さらに信号φ３がゼロになるようにＺ軸（Ｚスライド１３）を移動させる（ステップ１０３）。この動作によって位置マーク球４から反射した光スポットはポジションセンサー２７の中央で、４分割フォトダイオードによるオートフォーカス位置の中央に自動的に調節されたことになる。
【００４８】
そして、その時のＺスライド１３の位置が、位置マーク球４の球心位置が測定点Ｍすなわちカメラ１６の光軸上の焦点位置に一致したことを表していることになる。光てこの光学系１９の感度は高く、特にポジションセンサー２７の出力である水平方向については比較的容易にサブミクロンといった高い精度が得られる。これは位置マーク球４のサイズを小さくすることや、光てこの長さを長くすることによって容易に感度を上げられるからである。すなわち、図４に示す配置で、焦点位置Ｐ1 の位置変化はｄ２／ｄ１倍されて焦点位置Ｐ2 に現れる。この拡大倍率を大きくすれば感度があがる。例えばポジションセンサー２７のサイズを□４ｍｍとし、アナログアンプの信号ノイズ比を１０００とすると４μｍの分解能が得られる。そして光てこの拡大率を１０とすれば０．４μｍの分解能が得られるといったぐあいである。
【００４９】
次に各レーザー測長器６１〜６５の値を読み込み（ステップ１０４）、前述した方法でＸＹＺ座標を計算し、モニター１７に表示し、画像処理装置１８のメモリーに記録する（ステップ１０５）。
【００５０】
ベース板５ａ、５ｂのすべての位置マーク球４を測定したか確認する（ステップ１０６）。もしそうでないなら、まだ測定していない位置マーク球があるのでステップ１０１の工程にもどる。そして、位置マーク球の設置してあるすべての部品、すなわちベース板５ａ、５ｂの位置姿勢を計算する。
【００５１】
前述したように、１つの部品に１つの位置マーク球がついている場合、部品のＸＹＺ位置だけが測定できる。この場合は垂直軸回りに回転誤差が生じていてもわからない。また、１つの部品に２つの位置マーク球がついている場合は、部品のＸＹＺ位置とともに垂直軸まわりの回転角度も測定できる。１つの部品に３つの位置マーク球がついている場合は、部品の位置姿勢の６自由度を決定することができる。
【００５２】
こうして測定した部品、すなわち各ベース板５ａ、５ｂの位置姿勢から、ベース板５ａ、５ｂの位置の修正量を決める（ステップ１０８）。修正量があらかじめ定めておいた目標精度以内に収まっていれば、終了する（ステップ１０９）。そうでなければ、位置調整回数のカウンタに１を加える（ステップ１１０）。もし、あらかじめ定められた繰り返し数に達していれば、収束しなかったと判断してエラーを表示し、停止する（ステップ１１１）。
【００５３】
２つのベース板５ａ、５ｂを接続しているボルトを緩め、その修正量にしたがって位置調整駒９の調節ねじを回転させて位置を調整し、再びボルトを締めてベース板５ａ、５ｂを固定する（ステップ１１２）。そして、再びステップ１０１にもどる。
【００５４】
また、以上説明した測定動作をすでに１度以上行ったあとなら、ティーチングを省略することができる。すなわち、ステップ１０１の工程を省略し、自動的にＸＹＺスライド１１〜１３をティーチングの完了している位置まで移動し位置マーク球４の位置を精密測定することが可能である。なお、アナログ演算回路の記号を用いて各センサーからの信号処理を説明したが、これを直接アナログデジタル変換し、コンピュータの内部で演算しても同じである。
【００５５】
また、非常に高い精度で位置を測定する場合、レーザーの波長が気圧や温度変化の影響を受けて変化することが知られている。これについては波長トラッカーを追加し、波長補正するのが有効である。この波長トラッカーについてはすでに製品が購入可能であり、よく知られた技術である。
【実施例２】
【００５６】
図１０は実施例２を示すもので、Ｚスライド１３に固定した５つのレーザー測長器７１〜７５のみが実施例１と異なっており、残りの部材は同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。
【００５７】
本実施例において、Ｘミラー４７はＸ方向とＺ方向の面が鏡面になっているミラーであり、Ｙミラー４８はＹ方向が鏡面になっているミラーである。そして、Ｘ方向についてはＸ１、Ｘ２レーザー測長器７１、７２で測定する。Ｙ方向についてはＹ１レーザー測長器７３で測定する。そしてＺ方向についてはＺ１、Ｚ２レーザー測長器７４、７５で測定する。また、Ｘ１、Ｘ２測長軸およびＺ１測長軸を同一垂直平面内に配置し、Ｘ１、Ｙ１測長軸を同一水平面内に配置し、Ｚ１、Ｚ２測長軸をＹ方向に離間して配置する。
【００５８】
距離Ｌ１をＸ２測長軸と、Ｘ１測長軸のＺ方向の距離とし、距離Ｌ２をＸ２測長軸と、測定点ＭまでのＺ方向の距離とし、カメラ１６の光軸とＺ１レーザー測長器７４までを距離Ｌ３、Ｚ１測長軸とＺ２測長軸の間を距離Ｌ４とし、各レーザー測長器７１〜７５の出力する符号を正の長さとした時、測定点ＭのＸＹＺ座標は次の式で計算される。
【００５９】
−Ｘ  ＝  Ｘ１  ＋  （Ｘ２−Ｘ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
−Ｙ  ＝  Ｙ１  ＋  （Ｚ２−Ｚ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ４
Ｚ  ＝  Ｚ１  ＋  （Ｘ２−Ｘ１）＊Ｌ３／Ｌ１
【００６０】
Ｚスライド１３が移動すると、その下のＸ、Ｙスライド１１、１２の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばＸ軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は（Ｚ２−Ｚ１）／Ｌ４となる。そしてこの回転が生じたときの測定点ＭのＹ方向の偏差は（Ｚ２−Ｚ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ４である。これがＹ座標における上式の第２項の意味である。
【００６１】
以上の説明では簡便にするためＸ、Ｙ、Ｚ座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちＸ＝Ｙ＝Ｚ＝０とできることは自明である。この実施例においては、実施例１に比べてＹミラー４８を小さくすることができるという利点がある。
【実施例３】
【００６２】
図１１は実施例３を示すもので、Ｚスライド１３に固定した５つのレーザー測長器８１〜８５のみが実施例１と異なっており、残りの部材は同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。
【００６３】
本実施例において、Ｘミラー４７はＸ方向とＺ方向の面が鏡面になっているミラーであり、Ｙミラー４８はＹ方向が鏡面になっているミラーである。そして、Ｘ方向についてはＸ１レーザー測長器８１で測定する。Ｙ方向についてはＹ１レーザー測長器８２で測定する。そしてＺ方向についてはＺ１、Ｚ２、Ｚ３レーザー測長器８３〜８５で測定する。また、Ｘ１測長軸およびＺ１、Ｚ３測長軸を同一垂直平面内に配置し、Ｘ１、Ｙ１測長軸を同一水平面内に配置し、Ｚ１、Ｚ２測長軸をＹ方向に離間して配置する。
【００６４】
距離Ｌ１をＸ１測長軸と測定点ＭまでのＺ方向の距離とし、距離Ｌ３をカメラ１６の光軸とＺ３レーザー測長器８３までの距離とし、Ｚ１測長軸とＺ２測長軸の間を距離Ｌ４、Ｚ２測長軸とＺ３測長軸の間を距離Ｌ５とし、レーザー測長器８１〜８５の出力する符号を正の長さとした時、測定点ＭのＸＹＺ座標は次の式で計算される。
【００６５】
−Ｘ  ＝  Ｘ１  ＋  （Ｚ３−Ｚ１）＊Ｌ１／Ｌ５
−Ｙ  ＝  Ｙ１  ＋  （Ｚ２−Ｚ１）＊Ｌ１／Ｌ４
Ｚ  ＝  Ｚ１  ＋  （Ｚ３−Ｚ１）＊（Ｌ３＋Ｌ５）／Ｌ５
【００６６】
Ｚスライド１３が移動すると、その下のＸ、Ｙスライド１１、１２の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばＸ軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は（Ｚ２−Ｚ１）／Ｌ４となる。そしてこの回転が生じたときの測定点ＭのＹ方向の偏差は（Ｚ２−Ｚ１）＊Ｌ１／Ｌ４である。これがＹ座標における上式の第２項の意味である。
【００６７】
以上の説明では簡便にするためＸ、Ｙ、Ｚ座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちＸ＝Ｙ＝Ｚ＝０とできることは自明である。この実施例においても、実施例１に比べてＹミラー４８を小さくすることができるという利点がある。
【実施例４】
【００６８】
図１２は実施例４における被測定物である電子レンズを示すもので、実施例１における電子レンズの位置マーク球４に替えて、図１３に示す位置マークである同心円状のフレネルパターン９４を用いたものである。半導体レーザーのような単一波長の光をこのような同心円状のパターンに照射し、回折させることにより、位置マーク球と同じ作用が可能である。
【００６９】
図１２の電子レンズは、図２に示す構成と同様である。すなわち、第１のベース板５ａにスペーサ６をはさんで第２のベース板５ｂを固定する。第１のベース板５ａには第１のプレート２ａが板ばね７ａで固定され、プレート２ａには電子が通過するレンズ開口３ａがあけられている。同様に第２のベース板５ｂには第２のプレート２ｂが板ばね７ｂで固定され、プレート２ｂには電子が通過するレンズ開口３ｂがあけられている。この電子レンズには図示しない制御電極が形成されており電子線がレンズ開口３ａ、３ｂを通過するときにレンズ作用を発揮する。
【００７０】
この時重要なのは第１段めのレンズ開口３ａと第２段めのレンズ開口３ｂが正確に垂直線上にあることである。もしそうでないと、電子線がこの穴の中心を通過していかないので精密なレンズ作用は発揮できないことになる。したがって第１、第２のベース板５ａ、５ｂの水平方向を精密に位置あわせし、固定する必要がある。
【００７１】
そこで、各プレート２ａ、２ｂにフレネルパターン９４を形成する。これは前述の位置マーク球４の球面と同じ作用をする。このとき回折の次数によって、主に２つの配置が考えられる。フレネルパターン９４について図１４の（ａ）、（ｂ）に示すように、フレネルパターン９４の上側と下側で測定点Ｍが検出されるため、上側の位置、つまり図１４の（ａ）に示す配置で測定点Ｍを測定し、次に下側の位置、つまり図１４の（ｂ）の配置で測定点Ｍを測定し、両者の中点を計算し、そこを位置マークの測定点とする。このようにすると、フレネルパターン９４を形成しているプレート２ａ、２ｂが、たとえ傾斜していても、正確にフレネルパターン９４の中心を測定できる。本実施例では、実施例１に比べて、より電子レンズのレンズ開口３ａ、３ｂに近いところに位置マークであるフレネルパターン９４を配置できるので精度の向上が期待できる。
【００７２】
また、フレネルパターンは電子レンズのレンズ開口の製作と同時に半導体リソグラフィプロセスを応用して製作可能であるため、両者の相対位置を高精度に製作可能である。つまり、実施例１においては各位置マーク球４とレンズ開口３ａ、３ｂの相対位置をあらかじめ顕微鏡などを用いて測定する必要があったが、本実施例では必要ない。
【００７３】
なお、図１３に示す同心円状のフレネルパターン９４に替えて、図１５に示すような横方向と縦方向の短冊状のフレネルパターン９５、９６を用いてもよい。半導体レーザーのような単一波長の光をこのような２つの短冊状のフレネルパターン９５、９６に照射し、回折させることにより、円筒面と同じ作用が可能であり、縦、横方向の短冊状パターン９５、９６はそれぞれ縦、横方向の円筒面として考えてよい。
【００７４】
すなわち、位置マークにこのような２つのフレネルパターン、および反射平面の３つを利用するものである。Ｘ方向のフレネルパターンを用いた場合はＸ方向の位置が測定でき、Ｙ方向のフレネルパターンを用いた場合はＹ方向の位置が測定できる。Ｚ方向についてはフレネルパターンのない反射平面を用いて測定する。また、各フレネルパターン９５、９６については同心円状のフレネルパターン９４と同様に上側と下側の測定位置で位置測定が可能であるのでその中点を計算し、位置マークの測定点Ｍとする。
【００７５】
短冊状のフレネルパターンは直線からできているので半導体リソグラフィに用いるマスクの製作が容易である。従って、製作コストを削減し、また製作精度も向上できるという利点がある。
【００７６】
上記の実施例においては、いずれも、２つのミラーを位置基準としたレーザー測長器を用いて位置測定を行うので、高精度の位置測定を行うことが可能である。そして、位置測定の精度はレーザー測長器が受け持つので、移動する部材であるＸスライド、Ｙスライド、Ｚスライドは高精度である必要はない。従って、装置製作コストを抑えることができる。
【００７７】
また、レーザー測長器の配置を変えることで、一方のミラー、例えばＹ側のミラーの縦方向のサイズを小さくしたり、２つのミラーの縦方向のサイズを小さくすることができる。
【００７８】
また、位置マークを位置マーク球の球面とし、球心のＸ、Ｙ方向の位置を光てこ光学系で読み取ることにより極めて精密に位置を測定することができる。そして、光軸方向すなわちＺ位置についても高精度に測定することができる。
【００７９】
あるいは、位置マークをフレネルパターンで構成することにより、半導体リソグラフィプロセスで位置マーク製作が可能となり、半導体プロセスで製作する部品は、その製造工程の中で部品と位置マークを同時に製作することができる。従って、部品と位置マークの相対位置精度を向上できるうえに、製作コストも抑えられる。
【００８０】
さらに、直線パターンのフレネルパターンを用いることで位置マークの製作がより簡単になり、被測定物と位置マークの製作コストを抑えられる。
【００８１】
また、ミラー保持部材とベースの固定を３箇所で行い、１点は固定スペーサをはさんで固定し、１点はそのスペーサの方角に移動軸を沿わせたリニアガイドをはさんで固定し、１点は球を平板ではさんで固定することにより、支持台が変形しても測定基準であるミラーの相対関係が不変であり測定精度が劣化するおそれのない光学式３次元位置測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施例１による光学式３次元位置測定装置を示す模式図である。
【図２】被測定物である電子レンズの構成を説明する図である。
【図３】図１の装置の光てこ光学系の構造を説明する図である。
【図４】光てこ光学系の光学原理を説明する図である。
【図５】光てこ光学系のオートフォーカス部を説明する図である。
【図６】図１の装置の位置測定部を説明する図である。
【図７】図１の装置のミラーの取り付けを説明する図である。
【図８】図１の装置のレーザー測長器の配置を説明する図である。
【図９】実施例１による動作フローを説明するフローチャートである。
【図１０】実施例２によるレーザー測長器の配置を説明する図である。
【図１１】実施例３によるレーザー測長器の配置を説明する図である。
【図１２】実施例４による電子レンズの構成を説明する図である。
【図１３】同心円状のフレネルパターンを示す図である。
【図１４】フレネルパターンと被測定物の関係を説明する図である。
【図１５】短冊状の２つのフレネルパターンを示す図である。
【図１６】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
【００８３】
２ａ、２ｂ    プレート
３ａ、３ｂ    レンズ開口
４    位置マーク球
５ａ、５ｂ    ベース板
６    スペーサ
７ａ、７ｂ    板ばね
８    覗き穴
９    位置調整駒
１０    支持台
１１    Ｘスライド
１２    Ｙスライド
１３    Ｚスライド
１４    ＸＹＺコントローラ
１５    コンピュータ
１５ａ    手動操作盤
１６    カメラ
１７    モニター
１９    光てこ光学系
２０、２６    ハーフミラー
２１    半導体レーザー
２１ａ、２４    集光レンズ
２２    光ファイバー
２３    偏光ビームスプリッタ
２５    ４分の１波長板
２７    ポジションセンサー
２８、２９、３９    引き算回路
３０、３６、３７、３８    足し算回路
３１、３２、４０    割り算回路
３３、４１    比較回路
３４    シリンドリカルレンズ
３５    ４分割フォトダイオード
４２    コラム
４３    固定スペーサ
４４    リニアガイド
４５    ボール
４６    測定ボックス
４７    Ｘミラー
４８    Ｙミラー
４９    プランジャー
５０、５３    突き当て駒
６１、７１、８１    Ｘ１レーザー測長器
６２、７２    Ｘ２レーザー測長器
６３、７３、８２    Ｙ１レーザー測長器
６４    Ｙ２レーザー測長器
６５、７４、８３    Ｚ１レーザー測長器
７５、８４    Ｚ２レーザー測長器
８５    Ｚ３レーザー測長器
９４、９５、９６    フレネルパターン
【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】
2005077295.tif 000014
【図１３】
2005077295.tif 000015
【図１４】
2005077295.tif 000016
【図１５】
2005077295.tif 000017
【図１６】
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