(57)【要約】【課題】  測定面の位置および姿勢の６軸を精度良く同時計測をすることができる位置姿勢計測装置の提供。【解決手段】  測定面４に複数の溝７１を形成して回折部７とする。この回折部７に光源３からの光を照射し、回折部７により生じる１次回折光を受光素子１、２で検出する。受光素子１，２と測定面との相対距離を変えて、このような回折光の検出を少なくとも２回行う。演算処理部６１では、各相対距離において検出された回折光の輝度中心位置を演算し、その輝度中心位置に基づいて受光素子１，２に入射する回折光の光軸をそれぞれ求め、得られた２つの光軸と光源３の照射光軸とに基づいて、測定面４の位置および姿勢を算出する。【選択図】        図１
2005077390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定面に設けられた回折部に光を照射し、前記光の照射方向および前記回折部より出射される所定次数の回折光の出射方向に基づいて、前記測定面の位置および姿勢を計測することを特徴とする位置姿勢計測方法。
【請求項２】
測定面に設けられた回折部と、
前記回折部に光を照射する光源と、
前記回折部より出射される所定次数の回折光の出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記出射方向検出手段により検出された出射方向および前記光源の光の照射方向に基づいて、前記測定面の位置および姿勢を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の位置姿勢計測装置において、
前記回折部は１若しくは複数の溝から成り、
前記出射方向検出手段は前記回折部の反射光に含まれる前記回折光の出射方向を検出することを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項４】
請求項２に記載の位置姿勢計測装置において、
前記回折部は１若しくは複数のスリットから成り、
前記出射方向検出手段は前記回折部の透過光に含まれる前記回折光の出射方向を検出することを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載の位置姿勢計測装置において、
前記出射方向検出手段は、前記回折光を受光する光電変換素子と、前記光電変換素子と前記測定面との相対距離を変化させる距離変更手段とを備え、前記回折光の受光位置と前記相対距離の変化とに基づいて前記出射方向を検出することを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の位置姿勢計測装置において、
前記光電変換素子と前記光源とを、同一基板上に配置して一体としたことを特徴とする位置姿勢計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小面の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測方法および位置姿勢計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシンやＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム：Micro Electro Mechanical System）と呼ばれる微小機械部品の利用が進んでいる。例えば、プロジェクタに使用するＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス：Digital Micro-mirror Device）と呼ばれる微小ミラーアレーなどが良く知られている。ＤＭＤは、１辺が数ミクロンの小さな鏡を敷き詰めた構造をMEMS技術により作製したものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のプロジェクタでは、光源からの光を透過型の液晶パネルを透過させることにより映像を投影するようにしていた。しかし、液晶は透過率があまり高くない為、高輝度のプロジェクタに利用する場合には大きな光源が必要となり、小型化をする上でのネックになっていた。
【０００４】
一方、ＤＭＤを用いたプロジェクタでは、微小な鏡の傾きを各々独立に制御して、鏡で反射した光がレンズを通ってスクリーンに投影されるか否かを制御している。この傾き制御を１秒間に数千回繰り返すことにより、スクリーン投影された像が人間の目には滑らかな動画となって映る。そして、ＤＭＤを用いたプロジェクタは、反射型であることから光の損失が極めて少なく、高輝度で小型のプロジェクタを提供することが可能である。
【０００５】
また、ＤＭＤの他の応用例としては、ＤＭＤを光通信の光スイッチに用いるものである（例えば、特許文献２参照）。これは、光ファイバーから出力された光を、微小ミラーで反射させて別の光ファイバーに入射させるものであって、光ファイバー間を電気的な変換無しにダイレクトに光接続することができる。この場合、微小ミラーで反射する角度の精度が悪いと全ての射出光を光ファイバーに入射させることができず、光の結合効率が劣化する。そのため、１辺が数百ミクロン程度の微小ミラーの位置と傾き（以下では、姿勢と呼ぶ）に対して高い精度が求められる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２１５４９５号公報
【特許文献２】特開２００３−４３３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、位置や姿勢を計測する方法には、計測原理として３角測量法と共焦点法とに大別できる。３角測量法では、例えば、図２（ａ）に示すようレーザ光等の光を測定面１００に照射し、その反射光を受光素子１０１で検出する。光源１０２に対して測定面１００がαからβに平行移動すると、受光素子１０１での受光点がＡ’からＢ’に移動する。この移動量Ａ’−Ｂ’から変位量α−βを求めるのが三角測量法の原理である。しかし、図２（ｂ）のβ’のように測定面１００の傾きが変化した場合にも、受光素子１０１での受光点位置がＡ’からＢ’へと同様に移動する。そのため、位置と姿勢を分離して計測することができないという欠点がある。
【０００８】
一方、共焦点法は、合焦位置から測定面の位置を計測する手法である。図３は共焦点法の原理を説明する図であり、光源１１０から射出された光はハーフミラー１１１とレンズ１１２を透過した後に測定面１１３で集光する。このとき、次式（１）が満たされるように集光する。Ｓは光源１１０からレンズ１１２までの距離、fはレンズ１１２の焦点距離である。
１／Ｓ＋１／Ｓ’＝１／ｆ    …（１）
【０００９】
この測定面１１３で反射された光はレンズ１１２を再び透過した後に、ハーフミラー１１１によりピンホール１１４の方向に反射される。共焦点法では、ピンホール１１４は光源１１０と光学的に共役な位置に配置される。つまり、レンズ１１２のハーフミラー側の主点からの距離がSとなる位置にピンホール１１４を配置する。そして、このピンホール１１４を透過した光を光検出素子１１５、例えば光電変換素子であるフォトダイオードで検出する。
【００１０】
図４は共焦点法による位置検出方法を説明する図であり、（ａ）は光路図で、（ｂ）は合焦位置と光検出素子１１５で検出される受光量との関係を示す図である。図４（ａ）において実線で示す光路１１６は、図3と同様に測定面１１３が合焦位置にある場合の光路を示している。ピンホール１１４の穴径dは、式（２）から適切に設定できることが知られている。
ｄ＝０．６１×（光源光の波長）／（レンズの数値開口数）    …（２）
【００１１】
測定面１１３が合焦位置にある場合には光はピンホール位置に集光するので、光検出素子１１５の受光量はもっとも大きな値Ｌmaxとなる。一方、図３のレンズ１１２をハーフミラー１１１方向に移動すると、図４（ａ）の点線で示すような光路１１７となって合焦位置が測定面１１３からずれる。そのため、光はピンホール位置に集光せず、多くの光がピンホール１１４の遮蔽部により遮られ、ごく一部の光のみが光検出素子１１５により検出されることになる。その結果、そのときの受光量Ｌ’はＬmaxに比べて小さな値となる。
【００１２】
また、レンズ１１２を測定面側に移動した場合も受光量は同様に小さな値となる。つまり、光検出素子１１５により検出される受光量は、測定面１１３が合焦位置である場合が最も大きくなる。このことから、レンズ１１２をピエゾ素子等により移動させた際の受光量の最大値Ｌmaxを探索することにより、合焦位置を知ることができ、測定面１１３の位置を測定することが可能となる。
【００１３】
このような共焦点法は、たとえ測定面１１３が傾いても、その反射光がレンズ１１２に入射する角度範囲内であれば、測定面１１３の位置を計測することが可能である。これは、３角測量法に比べて非常に優れた利点であるが、１軸の変位は計測できても姿勢を同時に計測することはできないという欠点がある。
【００１４】
このように、３角測量法または共焦点法のいずれか単独で測定を行った場合には、位置と姿勢を同時に測定することができない。また、両方の測定法を同時に用いれば位置と姿勢を同時に測定することが可能であるが、複数の計測装置を必要とするため計測装置そのものが大型化し、寸法が数ｍｍ以下のマイクロマシンに適用するのは非常に困難であった。さらには、計測装置が高価になるという欠点もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明による位置姿勢計測方法は、測定面に設けられた回折部に光を照射し、光の照射方向および回折部より出射される所定次数の回折光の出射方向に基づいて、測定面の位置および姿勢を計測することを特徴とする。
請求項２の発明による位置姿勢計測装置は、測定面に設けられた回折部と、回折部に光を照射する光源と、回折部より出射される所定次数の回折光の出射方向を検出する出射方向検出手段と、出射方向検出手段により検出された出射方向および光源の光の照射方向に基づいて、測定面の位置および姿勢を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の位置姿勢計測装置において、回折部は１若しくは複数の溝から成り、出射方向検出手段は回折部の反射光に含まれる回折光の出射方向を検出する。
請求項４の発明は、請求項２に記載の位置姿勢計測装置において、回折部は１若しくは複数のスリットから成り、出射方向検出手段は回折部の透過光に含まれる回折光の出射方向を検出する。
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の位置姿勢計測装置において、出射方向検出手段は、回折光を受光する光電変換素子と、光電変換素子と測定面との相対距離を変化させる距離変更手段とを備え、回折光の受光位置と相対距離の変化とに基づいて出射方向を検出するものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載の位置姿勢計測装置において、光電変換素子と光源とを、同一基板上に配置して一体としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、測定面に設けられた回折部からの回折光を検出することにより、測定面の位置および姿勢を容易に同時測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明による位置姿勢計測装置の概略構成を示す模式図である。図１において、４は位置および姿勢を計測すべき測定面であり、例えばＭＥＭＳなどの微小部品の表面に対応している。測定面４には回折部７が形成されている。回折部７は照射された光を反射回折するものであり、例えば１本または複数本の溝で構成される。図１に示す例では、ｘ軸方向に延在する複数本の溝７１が測定面４に形成されている。
【００１８】
３はレーザ光を出射する光源であり、光源３のレーザ光は測定面４に設けられた回折部７に照射される。回折部７により発生した回折光は光源３を挟んでｙ軸方向に沿って配設された受光素子１，２により検出される。受光素子１，２には、例えば、ＣＣＤカメラが用いられる。受光素子１，２は移動装置５に保持されている。移動装置５は、ピエゾ素子等のアクチュエータによりｚ方向に上下することができる。受光素子１，２の検出結果は制御装置６の演算処理部６１に入力され、位置・姿勢に関する演算処理が行われる。また、移動装置５は制御装置６の移動制御部６２によって制御される。
【００１９】
図５は回折部７により発生する回折光を説明する図である。図５（ａ）に示すように測定面４の回折部７に図示上方から光源３の光Ｌを照射すると、図５（ｂ）に模式的に示すように所定の強度分布で光が反射される。通常、複数本のスリットを透過させた光は互いに干渉しあい強度分布の生じることが知られており、それはフラウンフォーファ回折と呼ばれている。本発明では、微小な溝７１からの反射光が互いに干渉し合うことにより同様の強度分布が得られることを用いている。
【００２０】
入射角と等しい反射角を有する光を０次光と呼ぶ。その両脇に生じる強い強度を有する光を1次回折光と呼び、順次、2次回折光、３次回折光と呼ぶ。また、これらの０次光以外の光を総称して高次回折光と呼ぶ。本発明では、これらの回折光をプローブとして用いるので、以下では、プローブとして用いる回折光を回折光プローブと称することにする。
【００２１】
なお、回折光プローブとして０次光を用いた場合には、測定面４の面内における回転に関して測定が難しくなる。これは、溝７１が形成された測定面４をほぼ垂直上方（入射角度≒０度）から照明した場合、測定面４を面内で回転しても０次光を中心軸として回転するだけであって、０次光の出射方向の変化が無いためである。そこで、回折光プローブとしては、１次回折光以降の高次回折光を用いることが望ましく、また、高次になるほど姿勢の計測精度確保が容易になる。ただし、高次回折光ほど光強度が弱いため、受光素子１，２に用いられている光電変換素子の電気ノイズなどとのＳＮ比を考慮する必要がある。本実施の形態では、1次回折光を回折光プローブとして用いた場合について説明する。
【００２２】
《測定方法の説明》
次に、測定方法について説明する。まず、図６に示すように、移動装置５により受光素子１，２を測定面４に対して所定の位置ｚａに配置する。そして、光源３により回折部７を照明し、回折部７から出射される１次回折光を受光素子１，２により検出する。受光素子１，２としてＣＣＤカメラを用いた場合、図７に示すような画像が得られる。図７において（ａ）は受光素子１による画像を示しており、（ｂ）は受光素子２による画像を示している。円形の領域１０，１１が１次回折光を受光している明るい領域であり、輝度分布は領域の中心１０ａ，１１ａほど輝度が高くなるような分布となっている。以下では中心１０ａ，１１ａを、輝度中心位置１０ａ，１１ａと呼ぶことにする。
【００２３】
演算処理部６１では、各受光素子１，２により得られた各画像の輝度データを用いて、輝度中心位置１０ａ，１１ａの座標を算出する。例えば、CCDカメラを用いた場合には、各画素の輝度値と画素の座標を用いた重心演算などにより、輝度中心位置１０ａ，１１ａのＣＣＤカメラ座標系での座標値を求める。ＣＣＤカメラ座標系は、例えば撮像領域の左下隅を原点とするようなローカル座標なので、このローカル座標を装置基準位置を原点とするワールド座標へ変換するパラメータをキャリブレーションにより予め求めておく。そして、輝度中心位置１０ａ，１１ａのローカル座標値を、上記パラメータを用いてワールド座標上での座標値に変換する。
【００２４】
次に、移動装置５により受光素子１，２をｚ方向に移動して、位置ｚｂに配設する。そして、位置ｚａの場合と同様に、各受光素子１，２により得られる各画像の輝度中心位置１０ａ，１１ａのワールド座標系での座標値を求める。ここでは、検出器位置ｚａのときに得られる輝度中心位置１０ａ，１１ａのワールド座標値を（ｘ１、ｙ１、ｚ１），（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、検出器位置ｚｂのときに得られる輝度中心位置１０ａ，１１ａのワールド座標値を（ｘ１’、ｙ１’、ｚ１’），（ｘ２’、ｙ２’、ｚ２’）と表すことにする。
【００２５】
《位置の算出》
図８は、輝度中心位置１０ａ，１１ａの測定値を図に示したものである。輝度中心位置１０ａのワールド座標値（ｘ１、ｙ１、ｚ１），（ｘ１’、ｙ１’、ｚ１’）を通る直線は受光素子１で検出される１次回折光の光軸Ｊ１を表しており、測定された座標値（ｘ１、ｙ１、ｚ１），（ｘ１’、ｙ１’、ｚ１’）から光軸Ｊ１の直線方程式を求めることができる。同様に、輝度中心１１ａのワールド座標値（ｘ２、ｙ２、ｚ２），（ｘ２’、ｙ２’、ｚ２’）を通る直線は受光素子２で検出される１次回折光の光軸Ｊ２を表しており、測定された座標値（ｘ２、ｙ２、ｚ２），（ｘ２’、ｙ２’、ｚ２’）から光軸Ｊ２の直線方程式を求めることができる。
【００２６】
図８に示すように、これら２本の光軸Ｊ１，Ｊ２の交点Ｊ３は回折部７を構成する微小溝群の中心線７２上にある。よって、光軸Ｊ１，Ｊ２の直線方程式から、中心線７２と光源３の入射光軸Ｊ４との交点のx座標、y座標およびz座標を算出することができる。ただし、測定面４が微小溝７１の長手方向（ｘ方向）に移動した場合であっても、交点Ｊ３の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は変化せず、同じ座標値が得られることに注意する必要がある。
【００２７】
《姿勢の算出》
次に、姿勢の算出方法について説明する。まず、図９に示すように、回折光の光軸Ｊ１と光軸Ｊ２の２等分線Ｊ５（以降、回折光軸２等分線と呼ぶ）を求める。光源３からの光が測定面４に垂直に入射する場合には、入射光軸Ｊ４と測定面４の法線ｎとが一致するが、図９に示すように垂直入射でない場合には一致しない。この場合、反射の法則に基づき、入射光軸Ｊ４と法線ｎとの角度（入射角）θ１と、法線ｎと回折光軸２等分線Ｊ５との間の角度（出射角）θ２とが等しくなる。
【００２８】
つまり、回折光軸２等分線Ｊ５と入射光軸Ｊ４との２等分線を求めることにより、測定面４の法線ｎの方程式を得ることができる。そして、この法線ｎに垂直な面が測定面４であるから、法線ｎの方程式から測定面４の傾きθｘ、θｙ、θｚを算出することができる。入射光軸Ｊ４のワールド座標上での直線方程式は事前のキャリブレーションによりわかっているので、回折光軸２等分線Ｊ５の方程式を光軸Ｊ１と光軸Ｊ２の直線方程式から求めることにより姿勢（θｘ、θｙ、θｚ）を算出することができる。
【００２９】
なお、上述した測定方法では、回折光軸Ｊ１，Ｊ２の直線方程式を計測するために、移動装置５により受光素子１，２と測定面４との相対距離を変化させて回折光軸Ｊ１，Ｊ２中の２点を計測しているが、もちろん、各回折光軸Ｊ１，Ｊ２中の複数点を計測して回折光軸Ｊ１，Ｊ２を算出することにより、計測精度の向上を図ることができる。
【００３０】
上述したように、本実施の形態の計測方法によれば、位置（ｘ、ｙ、ｚ）と姿勢（θｘ、θｙ、θｚ）とを合わせた６軸の同時計測が可能となる。さらに、測定面４には回折部７を構成する微小溝７１を１本または複数本形成するだけでよいので、ＤＭＤのような微小な測定面であっても容易に計測を行うことができる。
【００３１】
なお、前述したように、溝７１の長手方向に測定面４が移動した場合には、位置の計測値に変化が見られないので、そのような測定面４の変位を計測できないことになる。そこで、回折部７を図１０に示すような直交する一対の微小溝群７３，７４で構成することにより計測可能とすることができる。もちろん、微小溝群７３，７４の交わる角度が直交で無くても角度さえ分かっていれば、その角度に基づいて補正をすることにより計測が可能である。
【００３２】
一対の微小溝群７３，７４を用いる場合には、図１０に示すように光源３の周囲に４つの受光素子３１，３２，３３，３４を配設する。図示していないが、これらの受光素子３１〜３４は移動装置５（図１参照）に設けられていて、一体でｚ方向に移動させることができる。図１０に示す装置では、例えば、一対の受光素子３１，３４を用いて、微小溝群７３の中心線７３ａの方程式を上述した中心線７２と同様にして求める。また、残った一対の受光素子３２，３３を用いて、微小溝群７４の中心線７４ａの方程式を求めるようにする。
【００３３】
中心線７３ａの方程式と中心線７４ａの方程式とから中心線７３ａ，７４ａの交点を求めることにより、測定面４の位置（ｘ、ｙ、ｚ）を得ることができる。また、中心線７３ａの方程式と中心線７４ａの方程式とから、中心線７３ａおよび中心線７４ａを含む平面の式を求めることにより、また、2本の中心線７３ａおよび中心線７４ａにより構成される平面の式より測定面４の姿勢（θｘ、θｙ、θｚ）を得ることができる。すなわち、測定面４がどの方向に移動しても、位置（ｘ、ｙ、ｚ）と姿勢（θｘ、θｙ、θｚ）の6軸を同時に計測することができる。
【００３４】
《強度分布の最適化について》
次に、回折光プローブの形状、つまり強度分布の最適化手法について説明する。最適化に際しては、次の３つの項目に関して検討する。
【００３５】
１つ目は強度分布の先鋭化である。強度分布がなだらかな場合、測定面４が少し変位しただけでは強度変化として検出し難く、計測精度が悪くなる。このことは、機械的なプローブを用いた表面形状計測器の場合に、プローブ先端が太いと微細な表面形状を精度良く計測できないことと類似している。
【００３６】
２つ目はＳＮ比の向上である。回折光の強度は高次成分になるほど弱くなるので、本実施の形態において1次回折光を用いたように、できるだけ次数の低い回折光を用いることにより回折光強度が大きくなるようにする。
【００３７】
３つ目は隣り合う回折光の間隔の確保である。上述したように受光素子１，２としてＣＣＤカメラを用いる場合には、輝度中心演算時に工夫をすれば対応できるが、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などを受光素子１，２に用いる場合には、ＰＳＤに回折光プローブとともに隣接する回折光が同時に入射すると、輝度中心を的確に計測できなくなる。そこで、隣接する回折光との間隔が十分確保できるように回折部７を構成する必要がある。
【００３８】
上述した回折部７を設定する場合には、これら３つの項目を満たすように溝７１の溝幅、溝７１の間隔、溝７１の本数を最適化する必要がある。前述したように、１本または複数本の溝から出射される光の強度分布はフラウンフォーファ回折としてモデル化できることが知られている。この回折光分布モデルを用いると、（ａ）各微小溝７１の幅を狭くするとＳＮ比が向上すること、（ｂ）微小溝７１の間隔を狭めると、隣接する回折光同士の間隔が広がること、（ｃ）微小溝７１の本数を増加させると強度分布が先鋭化することが分かる。
【００３９】
図１１は上記（ａ）〜（ｃ）の手順によって強度分布が変化する様子を図示したものである。図１１（ａ）に示すような強度分布だったものは、溝幅を狭くすると図１１（ｂ）のように変化してＳＮ比が向上する。さらに、溝間隔を狭めると図１１（ｃ）に示すようにピーク間隔が拡がり、溝本数を増加することにより図１１（ｄ）のようにピークが先鋭化する。
【００４０】
例えば、幅２μｍ、間隔５μｍ、本数４１本の微小溝７１からなる回折部７にレーザ（He−Neレーザ、波長：６３３nm）を照射した場合の、回折光強度分布の理論値と実測値の例を図１２に示す。図１２において破線が計測値であり、本来透過型のスリット透過後の回折光強度分布を示すフラウンフォーファ回折理論を用いても、理論値（実線）と良く合うことが確認できている。
【００４１】
また、溝断面形状を矩形にすると、より理論値と良く合うようになる。図１２に示した実測値は、断面形状が矩形になるようにＩＣＰ−ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でＳｉ基板を深堀エッチングを行った場合の例を示したものである。例えば、Ｓｉ基板を用いて異方性エッチングにより微小溝７１を形成すると、断面形状が３角形となるため、得られる回折光強度分布はフラウンフォーファ回折式から算出される理論値と厳密には合わなくなる。しかしながら、上記最適化フローを適用することは可能であり、所定計測精度を得るのに必要な微小溝を設計するための指針として用いることができる。
【００４２】
また、フラウンフォーファ回折式を用いて最適化するには、全ての溝７１の幅を同じとし、また全ての溝間隔を同じとしなくては扱いにくい。しかし、１本１本異なる溝幅であっても、また溝間隔が違っていても回折光強度分布のシミュレーションは可能であり、本発明の適用には何ら問題はない。
【００４３】
なお、上述した計測方法では、受光素子１，２に関するローカル座標値をワールド座標値に変換するパラメータを予め求めておいたり、光源３からの入射光軸Ｊ４のワールド座標上での方程式を求めるためのキャリブレーションが必要であった。しかし、図１３に示した装置では、受光素子２００〜２０３と光源２１０とが同一基板２１１上に設けられていてそれらの相対位置が固定されているので、それらを基板２１１上に精度良く配置することによりキャリブレーションが容易となり、また、キャリブレーションを不要とすることもできる。
【００４４】
図１に示した装置では、別途高精度ステージを準備するなどしてワールド座標を定義し、そのワールド座標内での受光素子１，２の座標を求める必要があった。一方、図１３の装置では、例えば、４つの受光素子２００〜２０３が搭載される基板２１１の基板面と、光源２１０の出射光２１２の光軸Ｊ４とを用いてワールド座標を定義することができる。もちろん、図１３の装置においても、受光素子を図１の装置のように２つにすることが可能である。
【００４５】
なお、上述した実施の形態では反射型の回折部７を用いたが、図１４に示すように透過型の回折部７００を用いても良い。測定面４に設けられた回折部７００には複数のスリット７０１が形成されており、測定面４の図示下方に設けられた光源３から回折部７００に光を照射し、その透過光を受光素子１，２で検出する。また、図１および図１４の装置では測定面４に対して受光素子１，２を移動させて相対距離を変更したが、逆に、測定面４を移動させて相対距離を変更しても良い。
【００４６】
上述した実施の形態では、ＭＥＭＳなどの微小部品の位置姿勢計測を例に説明したが、本発明の計測方法は、逐次露光装置（ステッパー）の高精度移動ステージの運動直進度計測や、ロボット関節角の計測など、位置と姿勢（傾き）の多軸を高精度に分離して計測する用途に広く応用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００４７】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、演算処理部６１は演算手段を、受光素子１，２、移動装置５および演算処理部６１は出射方向検出手段を、移動装置５および移動制御部６２は距離変更手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による位置姿勢計測装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】３角測量法を説明する図であり、（ａ）は測定面４が平行移動した場合を、（ｂ）は測定面４が傾いた場合をそれぞれ示す。
【図３】共焦点法の原理を説明する図である。
【図４】共焦点法による位置検出方法を説明する図であり、（ａ）は光路図、（ｂ）は合焦位置と受光量との関係を示す図である。
【図５】回折部７により発生する回折光を説明する図であり、（ａ）は入射光を示し、（ｂ）は回折光を示したものである。
【図６】測定方法を説明する図である。
【図７】受光素子１，２による画像を示す図であり、（ａ）は受光素子１による画像、（ｂ）は受光素子２による画像をそれぞれ示す。
【図８】輝度中心位置１０ａ，１１ａの測定値の位置関係を示す図である。
【図９】入射光軸Ｊ４，回折軸２等分線Ｊ５および測定面４の法線ｎとの関係を示す図である。
【図１０】微小溝群７３，７４を測定面に形成した場合の受光素子の構成を示す図である。
【図１１】強度分布の最適化手順を示す図であり、（ａ）は最適化前の回折光強度分布を示し、（ｂ）〜（ｄ）に最適化の各段階における回折光強度分布を示す。
【図１２】フラウンフォーファ回折理論による回折光強度分布の理論値と実測値とを示す図である。
【図１３】同一基板２１１上に配置された受光素子２００〜２０３と光源２１０とを示す図である。
【図１４】透過型の回折部７００を用いた場合の位置姿勢計測装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，２，３１〜３４，２００〜２０３  受光素子
３，２１０  光源
４  測定面
５  移動装置
６  制御装置６
７，７００  回折部
１０ａ，１１ａ  輝度中心位置
６１  演算処理部
６２  移動制御部
７１  溝
７３，７４  微小溝群
７０１  スリット
Ｊ１，Ｊ２  光軸
Ｊ３  交点
Ｊ４  入射光軸
Ｊ５  回折軸２等分線
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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