(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構造で、数十ナノラジアン以下の微小角変位を測定可能な微小角変位測定方法と装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１２と、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌを収束又は発散させるレンズ１８と、レーザ光Ｌを分岐させる偏光ビームスプリッタ２０と１／４波長板２２を有する。測定対象面２４で反射したレーザ光Ｌが、臨界角直前の角度で臨界面２６ａに入射する臨界角プリズム２６を備える。臨界角プリズム２６の臨界面２６ａで反射したレーザ光Ｌが入射する一方の画像センサ３０と、臨界角プリズム２６の臨界面２６ａを透過したレーザ光Ｌが入射する他方の画像センサ３２とを備える。各画像センサ３０，３２の各画素の出力を基に、測定対象面２４の微小角変位を演算する微小角変位演算手段であるコンピュータ３４を備える。臨界角プリズム２６に入射するレーザ光Ｌを分割するビームスプリッタを設けても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させ、測定対象面で反射したレーザ光を臨界角プリズムの臨界面に臨界角直前の角度で入射させ、前記臨界面で反射した前記レーザ光の光強度と前記臨界面を透過した前記レーザ光の光強度とを、前記レーザ光を複数の画像センサにより２次元的に受光して求め、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記画像センサの各画素を複数の画素毎の複数の区画に区分けして、前記各画像センサの前記区分けした各区画の光強度の差を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算することを特徴とする微小角変位測定方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、前記臨界角プリズムの前記臨界面に、ブリュースター角以上の角度で臨界角直前の角度で入射させる請求項１記載の微小角変位測定方法。
【請求項３】
前記レーザ光は、前記臨界角プリズムの前記臨界面に、ｐ偏光の反射率が急激に増加する領域の角度であって、臨界角直前の角度で入射させる請求項２記載の微小角変位測定方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、ｐ偏光のレーザ光を前記測定対象面に照射する請求項３記載の微小角変位測定方法。
【請求項５】
前記複数の画像センサは、前記臨界面で反射した前記レーザ光を受光する画像センサと、前記臨界面を透過した前記レーザ光を受光する画像センサである請求項１記載の微小角変位測定方法。
【請求項６】
前記微小角変位の演算は、前記臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射した一方の前記画像センサの各画素の出力と、前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射した他方の前記画像センサの各画素の出力とで、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士の前記光強度の和と差により、前記測定対象面の微小角変位を求める請求項５記載の微小角変位測定方法。
【請求項７】
前記複数の画像センサは、前記臨界面で反射した前記レーザ光を受光する画像センサと、前記臨界角プリズムに入射する前の前記レーザ光の一部を受光する画像センサである請求項１記載の微小角変位測定方法。
【請求項８】
前記微小角変位の演算は、前記臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射した一方の前記画像センサの各画素の出力と、前記臨界角プリズムに入射する前の前記レーザ光が分割されて入射した他方の前記画像センサの各画素の出力とで、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された各画像センサの互いに対応する前記各区画同士の前記光強度の差により、前記測定対象面の微小角変位を求める請求項７記載の微小角変位測定方法。
【請求項９】
前記微小角変位の演算は、前記各画像センサの前記複数の区画により、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士による複数の微小角変位の値を求め、前記レーザ光の光束が分割して入射する前記複数の区画により求めた複数の微小角変位の値を基にして、前記測定対象面の微小角変位を求める請求項７又は８記載の微小角変位測定方法。
【請求項１０】
前記微小角変位を求める前に、前記レーザ光の光路の前記レーザ光源と前記臨界角プリズムとの間に、前記レーザ光の光束を区切る格子を挿入し、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士の対応を求める請求項１乃至９のいずれか記載の微小角変位測定方法。
【請求項１１】
レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させるレンズと、前記レーザ光を測定対象面へ向けるとともに前記測定対象面からの反射光を透過するビーム分岐手段と、測定対象面で反射した前記レーザ光が臨界角直前の角度で臨界面に入射する臨界角プリズムと、この臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射する一方の画像センサと、前記臨界角プリズムの前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射する他方の画像センサと、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算する微小角変位演算手段とを備えたことを特徴とする微小角変位測定装置。
【請求項１２】
レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させるレンズと、前記レーザ光を測定対象面へ向けるとともに前記測定対象面からの反射光を透過するビーム分岐手段と、前記測定対象面で反射した前記レーザ光を分けるビーム分割手段と、前記測定対象面で反射した前記レーザ光が臨界角直前の角度で臨界面に入射する臨界角プリズムと、この臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射する一方の画像センサと、前記ビーム分割手段で分割された前記レーザ光が入射する他方の画像センサと、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算する微小角変位演算手段とを備えたことを特徴とする微小角変位測定装置。
【請求項１３】
前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射する前記他方の画像センサの向きは、前記臨界面に対して直交する面上に受光面を直角にして起立させ、前記レーザ光の光軸に対して斜めに配置されている請求項１１又は１２記載の微小角変位測定装置。
【請求項１４】
前記レーザ光の光路の前記レーザ光源と前記ビーム分岐手段との間に、前記レーザ光の光束を区切る格子が挿入され、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士を表示可能な請求項１１，１２又は１３記載の微小角変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微小な角度の変位を非接触で測定する微小角変位測定方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子間力顕微鏡や工作機械のステージ運動の誤差測定、その他精密部品の形状測定など精密加工の分野では、ナノメートル単位の変位測定に加えて、ナノラジアン（ｎｒａｄ．）単位での角度変位の測定が必要となってきた。このような微小な角度測定は、接触により測定することは困難であるため、非接触により測定することが要求される。
【０００３】
従来の微小変位測定方法として、図１５に示すように、屈折率の大きな媒質から小さな媒質に光が進むときに、ある一定の入射角を超えると光が全反射する現象を利用して、光が全反射する臨界角直前での反射率の急激な変化を利用した微小変位測定装置が提案されている（特許文献１〜３）。
【０００４】
特許文献１には、臨界角法を用いた表面形状の測定装置が開示されている。この測定装置は、測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段とを備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する。前記変位検出手段は、前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときの前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段とを有する。前記焦点誤差検出方法は臨界角法であり、分割光遮断手段は測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムである。これにより、表面形状に起因して測定点の変位が生じたときに、臨界角プリズムに対する入射角が全反射条件を満足しなくなった反射光の一部は、反射光受光手段に入射されないので、臨界角プリズムにより反射光の一部の受光を遮断することになり、分割受光の受光量差が生じ、これに基づいて表面形状の測定を行うものである。
【０００５】
特許文献２には、被測定物に光を照射する発光素子と、前記被測定物からの反射光の光路に配置する光学素子と、該光学素子の出射光の位置、角度変化を検出する受光手段とを備え、前記光学素子の臨界角付近の反射、透過特性を利用して前記被測定物からの反射光の位置、角度変化を拡大することによって検出感度を向上させた光学的変位検出器が開示されている。この光学素子の曲面上の境界面への入射角は、ブリュースター角と臨界角の間に設定されている。これにより、光学素子の境界面での反射光、透過光の比率が大きく変化し、光学素子から出射される光は透過光、反射光共に大幅に変化し、各受光素子へ入射される光量もダイヤフラムの変位に対して大幅に変化し、各受光素子から大きな信号出力が得られるものである。
【０００６】
特許文献３には、レーザ光による発散光を、１／４波長板、及び被照射面の手前で焦点を結ぶ対物レンズを通して前記被照射面に照射し、前記被照射面で反射し、前記対物レンズ及び前記１／４波長板を通過した戻り光を用いて、スキッド成分を検出する変位計測方法が開示されている。前記発散光は、偏光ビームスプリッタで反射され、前記戻り光が前記偏光ビームスプリッタを透過して臨界角プリズムを経て受光素子で受光され、前記スキッド成分を検出する。これにより、傾斜やうねりの影響を無くして正確な変位の測定を可能にしている。
【０００７】
特許文献１〜３では、物体表面の微小な変位を測定するものであり、角度の微小な変位を正確に測定することに容易に利用できるものではなかった。非接触による微小角変位測定方法としては、従来、レーザの反射光の移動から角度を算出する光テコ方式の測定方法があった。この測定方法では、測定物からセンサまでの距離を一定に保つことが重要であり、微小な角度を測定するため、測定物からセンサまでの距離の誤差が測定誤差に大きな影響を与え、分解能を上げるには距離を大きくしなければならないという問題があった。
【０００８】
そこで、微小変位の測定と同様に、光が全反射する臨界角直前での反射率と透過率の急激な変化を利用した微小角変位測定装置が、本願発明者らにより提案されている（非特許文献１〜３）。この微小角変位測定装置は、レーザ光を被測定物に照射し、その反射光を臨界角直前の角度でプリズムに入射させ、プリズムでの反射光と透過光を各々フォトダイオード等の光センサにより検知し、その出力差の変化を基に、入射したレーザ光の角度変位を検出しているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３７２５１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７７１８９号公報
【特許文献３】特開２００９−９２３８７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】２００９年度精密工学会北陸信越支部学術講演会講演論文集  ｐ４９，５０  臨界角付近を使ったチルトセンサ
【非特許文献２】平成２２年度電気関係学会北陸支部連合大会  講演論文集  Ａ２４
【非特許文献３】２０１０年度精密工学会北陸信越支部学術講演会講演論文集  ｐ３１，３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記非特許文献１〜３に開示された微小角変位測定方法と装置においては、サブミクロンラジアンオーダーの微小角度変位の測定は可能であるが、ナノラジアンのレベルでは未だ正確な角変位の測定ができないものであった。
【００１２】
この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で、数十ナノラジアン以下の微小角変位を測定可能な微小角変位測定方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、レーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させ、測定対象面で反射したレーザ光を臨界角プリズムの臨界面に臨界角直前の角度で入射させ、前記臨界面で反射した前記レーザ光の光強度と前記臨界面を透過した前記レーザ光の光強度とを、前記レーザ光を複数の画像センサにより２次元的に受光して求め、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記画像センサの各画素を複数の画素毎の複数の区画に区分けして、前記各画像センサの前記区分けした各区画の光強度の差を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算する微小角変位測定方法である。
【００１４】
前記レーザ光は、前記臨界角プリズムの前記臨界面に、ブリュースター角以上の角度で臨界角直前の角度で入射させるものである。特に、前記レーザ光は、前記臨界角プリズムの前記臨界面に、ｐ偏光の反射率が急激に増加する領域の角度であって、臨界角直前の角度で入射させるものである。さらに、前記レーザ光は、ｐ偏光のレーザ光を前記測定対象面に照射すると良い。
【００１５】
前記複数の画像センサは、前記臨界面で反射した前記レーザ光を受光する画像センサと、前記臨界面を透過した前記レーザ光を受光する画像センサである。さらに、前記微小角変位の演算は、前記臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射した一方の前記画像センサの各画素の出力と、前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射した他方の前記画像センサの各画素の出力とで、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士の前記光強度の和と差により、前記測定対象面の微小角変位を求めるものである。
【００１６】
前記複数の画像センサは、前記臨界面で反射した前記レーザ光を受光する画像センサと、前記臨界角プリズムに入射する前の前記レーザ光の一部を受光する画像センサである。さらに、前記微小角変位の演算は、前記臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射した一方の前記画像センサの各画素の出力と、前記臨界角プリズムに入射する前の前記レーザ光が分割されて入射した他方の前記画像センサの各画素の出力とで、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された各画像センサの互いに対応する前記各区画同士の前記光強度の差により、前記測定対象面の微小角変位を求めるものである。
【００１７】
前記微小角変位の演算は、前記各画像センサの前記複数の区画により、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士による複数の微小角変位の値を求め、前記レーザ光の光束が分割して入射する前記複数の区画により求めた複数の微小角変位の値を基にして、前記測定対象面の微小角変位を求めるものである。
【００１８】
前記微小角変位を求める前に、前記レーザ光の光路の前記レーザ光源と前記臨界角プリズムとの間に、前記レーザ光の光束を区切る格子を挿入し、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士の対応を求めても良い。
【００１９】
またこの発明は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させるレンズと、前記レーザ光を測定対象面へ向けるとともに前記測定対象面からの反射光を透過するビーム分岐手段と、測定対象面で反射した前記レーザ光が臨界角直前の角度で臨界面に入射する臨界角プリズムと、この臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射する一方の画像センサと、前記臨界角プリズムの前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射する他方の画像センサと、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算する微小角変位演算手段とを備えた微小角変位測定装置である。
【００２０】
またこの発明は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を収束又は発散させるレンズと、前記レーザ光を測定対象面へ向けるとともに前記測定対象面からの反射光を透過するビーム分岐手段と、前記測定対象面で反射した前記レーザ光を分けるビーム分割手段と、前記測定対象面で反射した前記レーザ光が臨界角直前の角度で臨界面に入射する臨界角プリズムと、この臨界角プリズムの前記臨界面で反射した前記レーザ光が入射する一方の画像センサと、前記ビーム分割手段で分割された前記レーザ光が入射する他方の画像センサと、前記各画像センサの各画素の出力を基に、前記測定対象面の微小角変位を演算する微小角変位演算手段とを備えた微小角変位測定装置である。
【００２１】
前記臨界面を透過した前記レーザ光が入射する前記他方の画像センサの向きは、前記臨界面に対して直交する面上に受光面を直角にして起立させ、前記レーザ光の光軸に対して斜めに配置されているものである。
【００２２】
また、前記レーザ光の光路の前記レーザ光源と前記ビーム分岐手段との間に、前記レーザ光の光束を区切る格子が挿入され、同じ前記レーザ光の一部の光束から分岐したレーザ光が照射された互いに対応する前記各区画同士を表示可能に設けられているものでも良い。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の微小角変位測定方法と装置は、簡単な構造で、数十ナノラジアン以下の微小角変位を測定することができる。これにより、原子間力顕微鏡や、工作機械その他精密機器の超精密部品の角度変位測定などを正確に行うことが可能となり、より高精度な測定や加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の第一実施形態の微小角変位測定装置を示す概略図である。
【図２】第一実施形態の微小角変位測定方法によるレーザ光の透過及び反射を示す模式図である。
【図３】第一実施形態の微小角変位測定方法に用いる反射光と透過光の各画像センサの区分けを示す模式図（ａ），（ｂ）である。
【図４】第一実施形態の微小角変位測定方法に用いる臨界角プリズムの臨界角付近での反射率と透過率を示すグラフである。
【図５】第一実施形態の微小角変位測定方法による出力値算出処理を示すフローチャートである。
【図６】第一実施形態の微小角変位測定方法による処理のキャリブレーションを示すフローチャートである。
【図７】第一実施形態の微小角変位測定方法による微小角変位測定処理を示すフローチャートである。
【図８】第一実施形態の微小角変位測定方法により臨界角プリズムで反射したレーザ光の画像（ａ）と、臨界角プリズムを透過したレーザ光の画像（ｂ）である。
【図９】この発明の第二実施形態の微小角変位測定装置を示す概略図である。
【図１０】第二実施形態の微小角変位測定方法に用いる偏光ビームスプリッタにより分割されたレーザ光が入射する画像センサの区分けを示す模式図である。
【図１１】第二実施形態の微小角変位測定方法による出力値算出処理を示すフローチャートである。
【図１２】この発明の第二実施形態の微小角変位測定装置を示す概略図である。
【図１３】第三実施形態の微小角変位測定方法により臨界角プリズムを透過したレーザ光の画像（ａ）と、光路に格子を挿入した状態における臨界角プリズムで反射したレーザ光の画像（ｂ）と、臨界角プリズムを透過したレーザ光の画像（ｃ）である。
【図１４】この発明の第四実施形態の微小角変位測定装置を示す概略図である。
【図１５】光学ガラスの入射角と反射率を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図８はこの発明の第一実施形態を示すもので、この実施形態の微小角変位測定装置１０は、半導体レーザやＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光源１２と、このレーザ光源１２からのレーザ光Ｌを絞る絞り１４を備えている。レーザ光Ｌの光路には、レーザ光Ｌを所定の照射角度に調整するミラー１５，１６と、レーザ光Ｌを発散又は収束させるレンズ１８が配置されている。さらに、測定対象側にレーザ光Ｌを分岐するビーム分岐手段である偏光ビームスプリッタ２０を備え、偏光ビームスプリッタ２０により反射したレーザ光Ｌの光路には、１／４波長板２２を介して測定対象面２４が位置している。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ２０を挟んで測定対象面２４の反対側には、臨界角プリズム２６が配置されている。臨界角プリズム２６の臨界面２６ａで反射したレーザ光Ｌの入射位置には、ＣＣＤ等の画像センサ３０を備えた撮像装置３１が配置され、臨界角プリズム２６の臨界面２６ａを透過したレーザ光Ｌの入射位置にも、画像センサ３０と同様の画像センサ３２を備えた撮像装置３３が配置されている。画像センサ３０，３２により撮影された画像の出力は、撮像装置３１，３３により増幅及び所定の処理が施されて、後述する制御及び処理用に用いられ、微小角変位演算手段であるコンピュータ３４に出力され、Ａ／Ｄ変換や角変位測定等の処理が施される。
【００２７】
なお、この実施形態では、測定対象面２４は、微小な角度変位を与えて測定値のキャリブレーションを行うために、圧電素子等からなる微小角変位装置３６に固定されている。微小角変位装置３６は、コンピュータ３４の出力により、例えば１００ｎｒａｄ．間隔等の所定の微小角を、段階的に変位させることが出来る。
【００２８】
この実施形態の角変位測定装置１０のレーザ光源１２から出射したレーザ光Ｌは、絞り１４により所定の幅の光束に絞られ、ミラー１５，１６により照射角度が微調整される。角度調整されたレーザ光Ｌは、レンズ１８により例えば僅かに発散光に形成され、偏光ビームスプリッタ２０に入射する。偏光ビームスプリッタ２０では、レーザ光Ｌのｓ偏光の光が反射し、１／４波長板２２を通り円偏光になり、円偏光の状態で測定対象であるミラーで反射され、再度１／４波長板を通ることでｐ偏光となる。ｐ偏光のレーザ光Ｌは、偏光ビームスプリッタ２０を透過し、臨界角プリズム２６に入射する。臨界角プリズム２６に入射したｐ偏光のレーザ光Ｌは、臨界面２６ａにブリュースター角以上の角度であって、ｐ偏光の反射率が急激に増加する領域の臨界角直前の角度で入射する。ｐ偏光のレーザ光Ｌは、図１５に示すように、臨界角直前で、急激に反射率が上昇する。この実施形態では、この反射率が急激に上昇する入射角の範囲で、レーザ光Ｌの反射光と透過光の角変位による光強度の差を基に、測定対象面２４の角変位を検出する。
【００２９】
臨界角プリズム２６の臨界面２６ａに入射したｐ偏光のレーザ光Ｌは、臨界面２６ａで反射光と透過光に分けられる。反射光と透過光は、画像センサ３０，３２で２次元的に撮影され、撮像装置３１，３３から画像信号として出力され、コンピュータ３４に入力して、Ａ／Ｄ変換されて所定の画像データとして処理及び保存される。
【００３０】
次に、この発明の第一実施形態の微小角変位測定装置１０による微小角変位測定方法について、図２〜図８を基にして説明する。
【００３１】
先ず、この実施形態で平行光ではない発散光又は収束光のレーザ光Ｌを用いる理由について、図２を基に説明する。レーザ光源１２から出たレーザ光Ｌが、発散光であると、図２に示すように、臨界角プリズム２６の臨界面２６ａに入射する光の角度が、臨界面２６ａの位置により異なる。図２では、入射する位置により線の種類を太い実線から細い破線まで変えて、視覚的に認識できるようにした。例えば、図２では、臨界面２６ａで反射したレーザ光Ｌは、画像センサ３０の画素の一部である所定数の複数の画素の集合からなる区画Ａｒ１から区画Ａｒ５に分かれて入射する。同様に、臨界面２６ａを透過したレーザ光Ｌは、画像センサ３２の画素の一部である所定数の複数の画素の集合からなる区画Ａｔ１から区画Ａｔ３に分かれて入射する。
【００３２】
入射光と透過光のレーザ光Ｌの照射範囲が異なるのは、透過光が臨界角プリズム２６から屈折して出た後のレーザ光Ｌの屈折角の範囲が、反射光よりも狭いためであり、反射光よりも照射範囲が潰れた画像状態となる。このことは、反射光と透過光のレーザ光Ｌの画像の強度分布が、図８（ａ），（ｂ）に示すように、反射光は円形の状態を維持しているが、透過光は一方向に潰れた状態となっていることからも分かる。従って、図２に示すように、透過光は、画像センサ３２において、破線３２ａで区切る画像センサ３０と同様の大きさの区画ではなく、実線３２ｂで示すように、一方向に狭い範囲の区画Ａｔ１から区画Ａｔ３に各々分布することになる。
【００３３】
ここでは、説明を簡単化するために、同じレーザ光Ｌの光束の一部が透過及び反射して、画像センサ３０，３２に各々入射する場合に、画像センサ３０の区画Ａｒ１と画像センサ３２の区画Ａｔ１が対応するものとする。以下同様に、レーザ光Ｌの光束の他の一部が入射する反射光と透過光の区画は、区画Ａｒ２と区画Ａｔ２、区画Ａｒ３と区画Ａｔ３が各々対応する。従って、同じ光束から分岐して画像センサ３０，３２へ入射するレーザ光Ｌの照射範囲である画素の各区画の対応は、画像センサ３０と画像センサ３２で、各々異なる画素数の区画同士が対応することになる。そして、発散光のレーザ光Ｌを用いることにより、図２に示すように、臨界面２６ａに対して僅かずつ異なる複数の入射角のレーザ光Ｌについて、反射光と透過光の受光データを各々得ることができる。
【００３４】
さらにこの発明では、図３に示すように、画像センサ３０，３２の各マス目が一つの画素ｉを模式的に示すとすると、臨界角プリズム２６の臨界面２６ａに入射するレーザ光Ｌは、臨界面２６ａでの仮想的なエリア毎に、画像センサ３０，３２上では、入射する反射光の各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ（ｐは自然数）と、透過光の各区画Ａｔ１〜Ａｔｐに分けられる。そして、画像センサ３０，３２で、任意の複数ｐ個の各々反射光と透過光の対応を定めることが出来る。これにより、図４に示すように、臨界角付近で僅かずつ異なる入射角のｐ個のレーザ光Ｌの部分的な光束について、反射光と透過光の受光データを各々得ることができる。
【００３５】
図３に示すように、反射光と透過光の互いに対応する各区画Ａｒ１〜Ａｒｐと各区画Ａｔ１〜Ａｔｐは、互いに画素ｉの数が異なり、反射光が入射する画像センサ３０では、一つの区画の画素数がｍ個であり、透過光が入射する画像センサ３２では、一つの区画の画素数がｎ個である。ここでは、透過光が潰れた形状であるため、ｍ＞ｎとなっている。この各画素ｉの位置ａｒ１〜ａｒｍの出力値をARi（i=1〜m）、位置ａｔ１〜ａｔｎの出力値をATi（i=1〜n）を基に、後述する微小角変位測定では、画像センサ３０，３２の対応する各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ，Ａｔ１〜Ａｔｐについて、複数の異なる臨界角直前の入射角でのレーザ光Ｌの反射光の光強度ＩＡｒと透過光の光強度ＩＡｔを求める。光強度ＩＡｒと光強度ＩＡｔは、各区画Ａｒｐ，Ａｔｐ毎に、光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐ，ＩＡｔ１〜ＩＡｔｐとして求める。
【００３６】
次に、この実施形態の微小角変位測定方法の処理について、図５〜図７に示すフローチャートを基にして説明する。先ず、画像センサ３０，３２の区画毎の光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐ，ＩＡｔ１〜ＩＡｔｐの出力から、微小角変位を求めるための出力値の算出について、図５を基に説明する。先ず、発散光のレーザ光Ｌについて、反射光と透過光が画像センサ３０，３２に入射した画像を基に、上述のように、各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ，Ａｔ１〜Ａｔｐについての各画素出力ARi（i=1〜m）、ATi（i=1〜n）から、反射光と透過光の各区画の光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐ、ＩＡｔ１〜ＩＡｔｐを求める。反射光については、画素ｉが１〜ｍについて、各画素ｉの出力AR１〜ARｍの合計を、その区画の光強度として、各区画Ａｒ１〜Ａｒｐの光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐを求める（ｓ１）。同様に透過光についても、画素ｉが１〜ｎについて、各画素ｉの出力AT１〜ATnの合計を、その区画の光強度として、各区画Ａｔ１〜Ａｔｐについて光強度ＩＡｔ１〜ＩＡｔｐを求める（ｓ２）。ここでは、ｍ＞ｎである。
【００３７】
この後、測定した各区画の反射光の光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐと透過光の光強度ＩＡｔ１〜ＩＡｔｐを基に、出力値の演算を行う。各区画の光強度の出力値の計算は、各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ、Ａｔ１〜Ａｔｐの反射光と透過光の光強度の差（ＩＡｒ１−ＩＡｔ１）〜（ＩＡｒｐ−ＩＡｔｐ）を、各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ，Ａｔ１〜Ａｔｐの反射光と透過光の光強度の和（ＩＡｒ１＋ＩＡｔ１）〜（ＩＡｒｐ＋ＩＡｔｐ）で各々除したものを、各々出力値Ａ１〜Ａｐとする。このようにして、区画Ａｒ１〜区画Ａｒｐまで出力値を演算し、ｐ個の出力値を求めて、例えばこれの平均値や中央値をその角変位に対する出力値とする（ｓ３）。
【００３８】
次に、微小角変位を測定するためのキャリブレーションを行う。この計算は、コンピュータ３４により微小角変位装置３６を作動させて、既知の角度変位を測定対象面２４に与えて、例えば、図６に示すように、測定対象面２４を微小角変位装置３６により−１００ｎｒａｄ．揺動させて（ｓ１１）、このときの測定出力値を、前述の図５に示す処理により演算する（ｓ１２）。この後、測定対象面２４を微小角変位装置３６により＋１００ｎｒａｄ．揺動させて元の０ｎｒａｄ．とし（ｓ１３）、このときの測定出力値を同様に演算する（ｓ１４）。さらに、測定対象面２４を微小角変位装置３６により＋１００ｎｒａｄ．揺動させて（ｓ１５）、このときの測定出力値を同様に演算する（ｓ１６）。これにより、２００ｎｒａｄ．の角度変位の範囲で、３点の出力値が得られ、これを基に、出力値Ａと角度の関係式Ｆ（Ａ）を求める。
【００３９】
これらを基に、微小角変位の測定を行う。微小角変位の測定は、図７に示すように、先ず回転変位前の測定対象面２４について（ｓ２１）、このときの微小角変位測定装置１０の出力値Ａｘ１を求める（ｓ２２）。次に、測定したい微小角変位を測定対象面２４に与え（ｓ２３）、このときの微小角変位測定装置１０の出力値Ａｘ２を求める（ｓ２４）。これらの出力値Ａｘ１，Ａｘ２を基に、出力値Ａと角度の関係式Ｆ（Ａ）より、各位置で測定した角度の差を取って、微小角変位角θを求める（ｓ２５）。
【００４０】
この実施形態の微小角変位測定装置１０によれば、同じレーザ光Ｌの一部の光束であって僅かずつ異なる入射角のレーザ光について、微小角変位の複数の出力値、この実施形態ではｐ個の出力値Ａ１〜Ａｐが得られ、これを基に出力値Ａの平均値や中央値を算出して、微小角変位の測定値を求めることが出来、極めて正確にナノラジアンオーダーの微小角変位を測定することが出来る。さらに、装置も比較的簡単な構造であり、種々の精密部品の測定や検査、その他微小な角変位を検知して動作する装置に利用することが出来る。
【００４１】
次にこの発明の第二実施形態について、図９〜図１１を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の変位測定装置４０も、上記第一実施形態と同様の構成であり、さらに、偏光ビームスプリッタ２０と臨界角プリズム２６の光路中に、ビーム分割手段である偏光ビームスプリッタ２１を設け、偏光ビームスプリッタ２１で反射した光を受ける画像センサ２８を備えた撮像装置２９を設けたものである。
【００４２】
ここで、偏光ビームスプリッタ２１を追加した理由を以下に説明する。偏光ビームスプリッタ２１での光の透過と反射の割合が等しいとすると、偏光ビームスプリッタ２１で反射したレーザ光Ｌは、臨界角プリズム２６で分離される反射光と透過光の各光強度の和と等しいものとなる。また、臨界角プリズム２６での反射光の画像センサ３０の各区画での光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐに対応して、偏光ビームスプリッタ２１での反射光を受光する画像センサ２８の各区画の光強度を求めるため、図１０に示すように、入射するレーザ光Ｌの各区画Ａａ１〜Ａａを定める。この後、画像センサ２８の、各区画Ａａ１〜Ａａｐの光強度ＩＡａ１〜ＩＡａｐを求める。なお、偏光ビームスプリッタ２１でのレーザ光の反射と透過の割合が等しくなくても、その比率が分かれば、比率に合わせて透過と反射の光量や光強度を演算可能であるので、偏光ビームスプリッタ２１の透過と反射の比率が分かればよい。
【００４３】
画像センサ２８で受光する画像は歪みがなく、臨界角プリズム２６での反射光が入射する画像センサ３０の入射画像に近いものとなる。各区画Ａａ１〜Ａａｐは、画像センサ３０の各区画Ａｒ１〜Ａｒｐに対応し、ここでは便宜上各区画の画素数が画像センサ３０と同様にｍであるとし、各画素ｉの出力をAｉ（ｉ＝１〜ｍ）とする。ここで、画像センサ２８へ入射するレーザ光Ｌの光強度ＩＡａと、画像センサ３０に入射するレーザ光の光強度ＩＡｒとの関係は、偏光ビームスプリッタ２１での光の透過と反射の割合が等しいので、以下の式（１）、（２）で表される。
偏光ビームスプリッタ２１で反射したレーザ光強度ＩＡａは、
ＩＡａ＝ＩＡｒ＋ＩＡｔ      （１）
従って、臨界角プリズム２６での反射光と透過光の差は、
ＩＡｒ−ＩＡｔ＝２ＩＡｒ−ＩＡａ      （２）
と表される。これにより、臨界角プリズム２６の透過光の光強度ＩＡｔを用いなくても、画像センサ２８の出力を基に、上記実施形態と同様に各々出力値Ａ１〜Ａｐを求めることができる。
【００４４】
次に、この実施形態の微小角変位測定方法の処理について、図１１に示すフローチャートを基にして説明する。例えば発散光のレーザ光Ｌについて、偏光ビームスプリッタ２１の反射光と臨界角プリズム２６の反射光について、画像センサ２８，３０に入射した画像を基に、上述のように、各区画Ａｒ１〜Ａｒｐについての各画素のｉの位置ａｒ１〜ａｒｍの出力ARi（i=1〜m）から、臨界角プリズム２６での反射光の各区画の光強度ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐを求める（ｓ３１）。さらに、偏光ビームスプリッタ２１での反射光の各画素ｉの位置aa1〜aamでの各出力Aa１〜Aamの合計を、その区画の光強度として、各区画の光強度ＩＡａ１〜ＩＡａｐを求める（ｓ３２）。
【００４５】
この後、測定した各区画の光強度を基に、出力値の演算を行う。各区画の出力値の計算は、図５記載の式と上記式（２）より、図１１に示すように、画像センサ３０の各区画Ａｒ１〜Ａｒｐの光強度（ＩＡｒ１〜ＩＡｒｐ）を２倍した値と、画像センサ２８の各区画Ａａ１〜Ａａｐの光強度（ＩＡａ１〜ＩＡａｐ）の値の各々の差を、画像センサ２８の各区画Ａａ１〜Ａａｐの光強度（ＩＡａ１〜ＩＡａｐ）の値で除したものが、各々出力値Ａ１〜Ａｐとなる。このようにして、区画Ａｒ１〜Ａｒｐ、区画Ａａ１〜Ａａｐまでの各光強度を演算し、ｐ個の出力値Ａ１〜Ａｐを求めて、例えばこれの平均値や中央値をその角変位に対する出力値とする（ｓ３３）。
【００４６】
この後、上記実施形態と同様に出力値の関係式を求めて、微小角変位の測定値を求めることが出来る。
【００４７】
この実施形態の変位測定装置４０も、上記第一実施形態と同様の効果を有するものであり、さらに、偏光ビームスプリッタ２１を設けたことにより、臨界角プリズム２６の透過光を測定しなくても、変位測定のための出力値を求めることができる。これにより、歪みの多い臨界角プリズム２６の透過光を利用することなく正確な測定が可能となる。さらに、臨界角プリズム２６を利用した測定を補正して精度を上げることも可能となる。
【００４８】
次にこの発明の第三実施形態について、図１２，図１３を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の変位測定装置４２も、上記第一実施形態と同様の構成であり、撮像装置３３の画像センサ３２の向きを、臨界面２６ａに対して直交する仮想の面上に受光面を直角に起立させるとともに、透過光のレーザ光Ｌの光軸に対して角度αだけ傾けて配置し、透過光が画像センサ３２に斜めに入射するようにしている。これは、図８（ｂ）に示すような透過光画像の長手方向の中心軸を中心に、画像センサ３２を回動させ、反射光と同様に丸に近い形状に入射画像が形成されるようにしたものである。その結果、図８（ａ）の円形の反射光と同様に、図１３（ａ）に示すようなほぼ円形の透過光の画像が得られる。
【００４９】
さらに、微小角変位測定に先立ち、レーザ光Ｌの光路のレーザ光源１２と臨界角プリズム２６との間に、図１２の仮想線で示すように、レーザ光Ｌの光束を区切る格子３８を挿入しても良い。これにより、図１３（ｂ）の反射光と図１３（ｃ）の透過光の画像に示すような縞状の光強度の画像を得て、同じレーザ光Ｌの一部の光束から分岐したレーザ光が照射された画像センサ３０，３２の各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ，Ａｔ１〜Ａｔｐの対応を、予め確認できるようにしている。各区画Ａｒ１〜Ａｒｐ，Ａｔ１〜Ａｔｐの対応を確認した後は、格子３８を光路から外して、上記実施例と同様に微小角変位の測定を行う。
【００５０】
画像センサ３２を斜めに配置することにより、画像センサ３０，３２の各区画Ａｒｐ，Ａｔｐの画素数をほぼ等しくすることが出来、透過光の区画Ａｔｐの画素数が増えて、より容易に正確な測定が可能となる。なお、光学系の配置等により画像センサ３２を斜めに置くと、画像センサ３２の画素を有効に利用できない場合には、上記第二実施形態の構成を用いることにより、測定精度を上げることができる。
【００５１】
次にこの発明の第四実施形態について、図１４を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の変位測定装置４４は、上記第二実施形態と同様の構成であって、臨界角プリズム２６からの透過光を撮像する撮像装置３３及び画像センサ３２を省いたものである。さらに、上記第三実施形態と同様に、レーザ光Ｌの光束を区切る格子３８を挿入して、図１３（ｂ）の透過光の画像に示すような縞状の光強度の画像を得て、同じレーザ光Ｌの一部の光束から分岐したレーザ光が照射された画像センサ２８，３０の各区画Ａａ１〜Ａａｐ、Ａｒ１〜Ａｒｐの対応関係を、予め確認できるようにしている。
【００５２】
この実施形態の変位測定装置４４によっても上記実施形態と同様の効果を得ることができ、装置を小型化することができる。
【００５３】
なお、この発明の微小角変位測定方法と装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、レーザ光Ｌは、収束光を用いても良く、平行光以外であれば良い。さらに、絞り１４の開口部の形状を四角形にして、格子３８がきれいに撮像される部分の画像を各画像センサで撮るようにしても良い。レーザ光Ｌは、ｐ偏光の他、ｓ偏光を用いても良く、ｐ偏光の方がより微小な角変位を検出可能であり、ｓ偏光を用いる場合は、角度変位が大きい場合に利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
ＩＣウエハー作成時の傾き測定など、部品の傾きの測定および制御に用いられる。また、ＨＤＤのプラッターの取り付け誤差、ＨＤＤヘッドの傾き測定、その他精密機器の取り付け精度の測定に使われる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  微小角変位測定装置
１２  レーザ光源
１４  絞り
１５，１６  ミラー
１８  レンズ
２０，２１  偏光ビームスプリッタ
２２  １／４波長板
２４  測定対象面
２６  臨界角プリズム
２６ａ  臨界面
２８，３０，３２  画像センサ
２９，３１，３３  撮像装置
３４  コンピュータ
３６  微小角変位装置
ｉ  画素
Ｌ  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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１４】
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【図４】
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【図８】
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【図１３】
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【図１５】
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