(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の偏光成分をもつ光を放射する光発生手段と、
前記複数の偏光成分をもつ光を各偏光成分の光に分離してそれぞれ集光し、所定の分離距離にて被測定面に照射する偏光分離手段と、
前記被測定面からの各偏光成分の光をそれぞれ検出する受光手段と、
前記偏光分離手段を光軸方向に移動させる駆動手段と、
前記受光手段による各検出値の最大値を得たときの前記駆動手段による移動量に基づいて前記被測定面の各位置をそれぞれ検出する位置検出手段と、
前記所定の分離距離と前記被測定面の各位置とに基づいて前記被測定面の傾斜角度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項２】
複数の偏光成分をもつ光を放射する光発生手段と、
前記複数の偏光成分をもつ光を偏光成分毎に第１および第２の偏光光に分離してそれぞれ集光し、所定の分離距離にて被測定面に照射する偏光分離手段と、
前記被測定面から反射する前記第１および第２の偏光光を合成する合成手段と、
前記合成された光を偏光成分毎に第１および第２の分岐偏光光に分岐する分岐手段と、
前記分岐された第１および第２の分岐偏光光がそれぞれ照射される第１および第２の微小開口と、
前記微小開口を透過した前記第１および第２の分岐偏光光の光量をそれぞれ検出する光量検出手段と、
前記偏光分離手段による前記第１および第２の偏光光の集光位置を変更する変更手段と、
前記変更手段により前記第１および第２の偏光光の集光位置を変更しつつ、前記光量検出手段で検出される前記第１および第２の分岐偏光光の光量がそれぞれ最大値を示す前記被測定面の第１および第２の位置をそれぞれ検出する位置検出手段と、
前記第１および第２の偏光光の分離距離と前記被測定面の第１および第２の位置間の距離とに基づいて前記被測定面の傾斜角度を算出する角度算出手段とを備える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、
前記偏光分離手段と前記合成手段を一体の光学系として構成し、
前記変更手段は、前記一体の光学系を光軸方向に移動して前記集光位置を変更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、
前記偏光分離手段と前記合成手段を一体の光学系として構成し、
前記偏光分離手段の光路の前側にリレー光学系を設け、
前記変更手段は、前記リレー光学系を光軸方向に移動して前記集光位置を変更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１〜４のいずれか１項に記載の位置姿勢計測装置において、
前記光発生手段は、それぞれ異なる偏光成分の光を放射する複数台のレーザ光源を含むことを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の位置姿勢計測装置において、
前記被測定面と前記偏光分離手段との間にハーフミラー部材を前記被測定面と相対的に傾けて設け、前記被測定面および前記ハーフミラー部材から反射する第１および第２の偏光光を前記合成手段に入射させ、
前記位置検出手段は、前記被測定面の前記第１および第２の位置に加えて、前記ハーフミラー部材からの第１および第２の分岐偏光光の光量が最大値を示すときの前記ハーフミラー部材の第１および第２の位置を検出し、
前記角度算出手段は、前記第１および第２の偏光光の分離距離と、前記第１の偏光光に関して前記被測定面の第１の位置と前記ハーフミラー部材の第１の位置の差分である第１の相対距離と、前記第２の偏光光に関して前記被測定面の第２の位置と前記ハーフミラー部材の第２の位置の差分である第２の相対距離とに基づいて、前記被測定面と前記ハーフミラー部材との相対的な傾斜角度を算出することを特徴とする位置姿勢計測装置。
【請求項７】
複数の偏光成分をもつ光を各偏光成分である第１および第２の偏光光に分離した後にそれぞれ集光し、
前記集光する第１および第２の偏光光を被測定面に照射し、
前記被測定面から反射する前記第１および第２の偏光光を合成し、
前記合成された光を前記各偏光成分である第１および第２の分岐偏光光に分岐してそれぞれ第１および第２の微小開口に照射し、
前記第１および第２の微小開口を透過した第１および第２の分岐偏光光の光量のそれぞれの最大値を、前記第１および第２の偏光光の各集光位置を変更しつつ検出し、
前記検出された第１および第２の分岐偏光光の光量の最大値を示すときの前記被測定面の各位置をそれぞれ検出し、
前記第１および第２の偏光光の分離距離と前記被測定面の各位置の差分とに基づいて前記被測定面の傾斜角度を算出することを特徴とする位置と姿勢の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシンやマイクロマニピュレータのような微小物体の微小領域において、位置と姿勢を計測する装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシンやＭＥＭＳ（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（Digital Micro-mirror Device）は、１辺が数μｍの微小ミラーを２次元的に敷き詰めた構造をしており、光源からの光をＤＭＤで反射させることでデジタル映像信号をダイレクトにスクリーンに投影するものである。微小ミラーは、各々独立に傾斜角度を変えることができ、光をスクリーンに投射するか否かにより制御される。また、このような微小ミラーアレー技術は、光通信の光スイッチにも用いられる。これは、任意の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ものである。つまり、ある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任意の光ファイバーに入射させるのである。この場合、微小ミラーで反射する角度の精度が悪いと、反射光の全光量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μｍ程度の微小ミラーの位置と傾き（以下、姿勢と呼ぶ）には高い精度が求められる。
【０００３】
このような微小領域の位置を計測する手段として共焦点法がある。共焦点法は、光源と共役な位置にピンホールを配置し、ピンホールを通過する被測定面からの光の光量が最大となるようにレンズを移動させ、そのレンズの移動量から被測定面の位置或いは変位を計測する手法である（例えば、特許文献１参照）。また、微小領域の姿勢を計測する装置として、高精度レーザ角度測定器（型式：LA-2000、メーカー：キーエンス）が知られている。これは、被測定面の傾きが変わると、レーザ光の反射角度が変化して受光位置が変わることから被測定面の傾斜角度を計測するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平７-１１３６１７号公報（第２頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の共焦点法を用いた計測では、試料が傾いていても、被測定面からの反射光がレンズに入射する角度範囲内であれば、その位置を計測することができる。しかし、位置は計測できても姿勢を同時に計測することはできない。また、上記の高精度レーザ角度測定器は、被測定面の傾斜角度は計測できるが、被測定面の位置を計測することはできない。つまり、上記の従来技術では、微小領域の位置と姿勢を同時に計測することはできない。位置と姿勢を同時に計測するためには、位置センサーと角度センサーの２台を組み合わせる手段が考えられるが、数ｍｍ以下のマイクロマシンの微小領域に対して同時に高精度の位置決めをして光を照射することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）請求項１の位置姿勢計測装置は、複数の偏光成分をもつ光を放射する光発生手段と、複数の偏光成分をもつ光を各偏光成分の光に分離してそれぞれ集光し、所定の分離距離にて被測定面に照射する偏光分離手段と、被測定面からの各偏光成分の光をそれぞれ検出する受光手段と、偏光分離手段を光軸方向に移動させる駆動手段と、受光手段による各検出値の最大値を得たときの駆動手段による移動量に基づいて被測定面の各位置をそれぞれ検出する位置検出手段と、所定の分離距離と被測定面の各位置とに基づいて被測定面の傾斜角度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の位置姿勢計測装置は、複数の偏光成分をもつ光を放射する光発生手段と、複数の偏光成分をもつ光を偏光成分毎に第１および第２の偏光光に分離してそれぞれ集光し、所定の分離距離にて被測定面に照射する偏光分離手段と、被測定面から反射する第１および第２の偏光光を合成する合成手段と、合成された光を偏光成分毎に第１および第２の分岐偏光光に分岐する分岐手段と、分岐された第１および第２の分岐偏光光がそれぞれ照射される第１および第２の微小開口と、微小開口を透過した第１および第２の分岐偏光光の光量をそれぞれ検出する光量検出手段と、偏光分離手段による第１および第２の偏光光の集光位置を変更する変更手段と、変更手段により第１および第２の偏光光の集光位置を変更しつつ、光量検出手段で検出される第１および第２の分岐偏光光の光量がそれぞれ最大値を示す被測定面の第１および第２の位置をそれぞれ検出する位置検出手段と、第１および第２の偏光光の分離距離と被測定面の第１および第２の位置間の距離とに基づいて被測定面の傾斜角度を算出する角度算出手段とを備えることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２の位置姿勢計測装置において、偏光分離手段と合成手段を一体の光学系として構成し、変更手段は、一体の光学系を光軸方向に移動して集光位置を変更することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項２の位置姿勢計測装置において、偏光分離手段と合成手段を一体の光学系として構成し、偏光分離手段の光路の前側にリレー光学系を設け、変更手段は、リレー光学系を光軸方向に移動して集光位置を変更することを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの位置姿勢計測装置において、光発生手段は、それぞれ異なる偏光成分の光を放射する複数台のレーザ光源を含むことを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれかの位置姿勢計測装置において、被測定面と偏光分離手段との間にハーフミラー部材を被測定面と相対的に傾けて設け、被測定面およびハーフミラー部材から反射する第１および第２の偏光光を合成手段に入射させ、位置検出手段は、被測定面の第１および第２の位置に加えて、ハーフミラー部材からの第１および第２の分岐偏光光の光量が最大値を示すときのハーフミラー部材の第１および第２の位置を検出し、角度算出手段は、第１および第２の偏光光の分離距離と、第１の偏光光に関して被測定面の第１の位置とハーフミラー部材の第１の位置の差分である第１の相対距離と、第２の偏光光に関して被測定面の第２の位置とハーフミラー部材の第２の位置の差分である第２の相対距離とに基づいて、被測定面とハーフミラー部材との相対的な傾斜角度を算出することを特徴とする。
（７）請求項７の位置と姿勢の計測方法は、複数の偏光成分をもつ光を各偏光成分である第１および第２の偏光光に分離した後にそれぞれ集光し、集光する第１および第２の偏光光を被測定面に照射し、被測定面から反射する前記第１および第２の偏光光を合成し、合成された光を各偏光成分である第１および第２の分岐偏光光に分岐してそれぞれ第１および第２の微小開口に照射し、第１および第２の微小開口を透過した第１および第２の分岐偏光光の光量のそれぞれの最大値を、第１および第２の偏光光の各集光位置を変更しつつ検出し、検出された第１および第２の分岐偏光光の光量の最大値を示すときの被測定面の各位置をそれぞれ検出し、第１および第２の偏光光の分離距離と被測定面の各位置の差分とに基づいて被測定面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の偏光成分をもつ光を被測定面の近接した各点に照射し、被測定面からの各々の光の検出光量が最大となったときの被測定面の各位置を検出し、被測定面の各点の距離と被測定面の各位置の差とに基づき被測定面の傾斜角度を算出するので、１台の装置で被測定面の位置と姿勢を同時に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明による位置と姿勢の計測装置（以下、計測装置と言う）について図１〜６を参照しながら説明する。図１〜６において、共通の構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。
【０００９】
先ず、図５，６を参照して、本発明の計測装置に応用されている共焦点法の原理を説明する。図５の光路図に示されるように、光源１から射出した光はハーフミラー２と対物レンズ４を透過した後、結像式(1)を満たす位置、この場合、対物レンズ４からの距離がｓ２の面で集光する。図５では、この集光面は、試料Ｓの被測定面Ａである。なお、ｓ１は光源１から対物レンズ４までの距離、fは対物レンズ４の焦点距離である。
１／ｓ１＋１／ｓ２＝１／ｆ・・・(1)
【００１０】
集光面で反射された光は、再び対物レンズ４を透過した後、ハーフミラー２で反射し、ピンホール板８に設けられたピンホール８Ａを通過して光電変換素子９に入射する。共焦点法では、ピンホール８Ａを光源１と共役の位置に配置する。つまり、対物レンズ４のハーフミラー２側の主点からの距離がｓ１となる位置にピンホール８を配置し、ピンホール８Ａを通過した光のみを光電変換素子９で検出する。対物レンズ４は、レンズ駆動装置５を用いて、光軸方向（図中、上下方向）に精密に移動させることができる。
【００１１】
図６は、対物レンズ４を透過した光が、被測定面Ａで合焦している場合と合焦していない場合の光検出状態を説明する模式図である。図６（ａ）において、実線で示す光線Ｂ１は、図５と同様、被測定面Ａで合焦している場合であり、破線で示す光線Ｂ２は、被測定面Ａで合焦していない場合である。
【００１２】
図６（ｂ）のグラフは、光電変換素子９の検出光量を示している。被測定面Ａが合焦位置にある場合は、光源１から射出する光はピンホール８Ａを最も多く通過する。ピンホール８Ａの穴径ｄは、光源１から射出する光の波長をλ、対物レンズ４の数値開口数をＤとすると、解像度を表す式から導出される式(2)から適切に設定できることが知られている。
ｄ＝０．６１×λ／Ｄ・・・(2)
【００１３】
一方、図５において、例えば対物レンズ４を上方に移動させて、被測定面Ａが合焦位置にない場合は、光源１から射出する光は、すべてがピンホール８Ａを通過できず、ピンホール板８によって遮られる部分が生ずる。その結果、光電変換素子９で検出される光量は、被測定面Ａが合焦位置にあった場合に比べて小さな値となる。図５において、対物レンズ４を下方に移動させた場合も同様の現象を生じる。つまり、図６（ｂ）のグラフで示されるように、被測定面Ａが合焦位置にある場合が最も光電変換素子９の検出光量は大きくなり、合焦位置から離れるにつれて検出光量は減少していく。
【００１４】
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態による計測装置の全体構成図である。なお、図１では、光軸による光路図で装置構成を示しており、以降の実施の形態においても同様である。
本実施の形態の計測装置１０は、レーザ光源１１、ハーフミラー１２、ウォラストンプリズム１３、対物レンズ１４、駆動装置１５、偏光ビームスプリッタ１６、集光レンズ１７ａ，１７ｂ、ピンホール板１８ａ，１８ｂおよび光電変換素子１９ａ，１９ｂを有する。
【００１５】
レーザ光源１１は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザであり、Ｓ偏光とＰ偏光の両偏光成分をもつレーザ光Ｌ１を放射する。Ｓ偏光とＰ偏光は、互いに直交する直線偏光である。以下、Ｓ偏光、Ｐ偏光をもつ光をそれぞれＳ偏光光、Ｐ偏光光と言う。レーザ光Ｌ１は、コリメート光（光束が平行である光）であるが、図５に示すような非コリメート光を用いてもよい。また、放射時にコリメート光でなくても、レンズ等を用いて放射後にコリメート光に変換してもよい。
【００１６】
レーザ光Ｌ１は、ハーフミラー１２を透過した後、偏光成分毎に光路を分離するウォラストンプリズム１３に入射する。ウォラストンプリズム１３は、Ｓ偏光光とＰ偏光光で屈折率が異なる複屈折の原理に基づき、偏光成分毎に光路を分離することができる。ウォラストンプリズム１３は、対物レンズ１４の焦点位置に配設されている。そのため、Ｓ偏光とＰ偏光の光軸は、対物レンズ１４を透過した後は平行となり、被測定面Ａの近接した２点に照射される。この２点間の距離ΔＬは、ウォラストンプリズム１３の分離角と対物レンズ１４の焦点距離を適切に選定することにより、サブミクロン程度からｍｍ程度、或いはそれ以上の任意の値となるように設計することが可能である。なお、偏光分離機能を有する光学素子であれば、ウォラストンプリズムに限らず適用できる。
【００１７】
駆動装置１５は、ウォラストンプリズム１３と対物レンズ１４とを一体として精密に移動することができる。駆動装置１５は、例えばピエゾ素子により駆動する移動ステージでもよいし、従来知られている共焦点法の駆動方法、例えば音叉の振動によるものでもよい。対物レンズ１４を透過したＳ偏光光とＰ偏光光の光束は、対物レンズ１４を透過する前にコリメート光であることから、対物レンズ１４の被測定面Ａ側の焦点位置で集光する。この集光位置が合焦位置となる。
【００１８】
Ｓ偏光光とＰ偏光光は、被測定面Ａ上の異なる２点から別々に反射され、再び対物レンズ１４を透過した後、ウォラストンプリズム１３により合成される。合成された光Ｌ２は、ハーフミラー１２により反射して偏光ビームスプリッタ１６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。本実施の形態では、偏光ビームスプリッタを用いているが、偏光成分毎に光路を偏向する手段であれば他の手段でもよい。
【００１９】
反射したＳ偏光光Ｌ３の光軸上には、集光レンズ１７ａ、ピンホール板１８ａ、光電変換素子１９ａが順次配置され、透過したＰ偏光光Ｌ４の光軸上には、集光レンズ１７ｂ、ピンホール板１８ｂ、光電変換素子１９ｂが順次配置される。ピンホール板１８ａ，１８ｂのピンホール１８Ａ，１８Ｂは、それぞれ集光レンズ１７ａ，１７ｂの焦点位置に配置されている。光電変換素子１９ａ，１９ｂとしては、例えばフォトダイオードを用いればよい。
【００２０】
次に、以上のように構成された計測装置の作用を説明する。図１（ａ）において、駆動装置１５によりウォラストンプリズム１３と対物レンズ１４を光軸に沿って移動させると、対物レンズ１４の被測定面Ａ側の焦点位置もそれに応じて移動する。従って、対物レンズ１４の焦点位置を被測定面Ａに合致するように、ウォラストンプリズム１３と対物レンズ１４を光軸に沿って移動させれば、Ｓ偏光光については光電変換素子１９ａの検出光量が最大となり、Ｐ偏光光については光電変換素子１９ｂの検出光量が最大となる。検出光量は、合焦位置から離れるにつれて減少する。
【００２１】
図１（ｂ）は、駆動装置１５による移動量と光電変換素子１９ａ，１９ｂの検出光量との関係を示すグラフである。横軸は駆動装置１５による移動量、縦軸は光電変換素子１９ａまたは１９ｂによる検出光量である。試料Ｓの被測定面Ａが光軸と垂直、つまり傾斜していない場合は、Ｓ偏光光のピーク位置とＰ偏光光のピーク位置は一致する。ウォラストンプリズム１３と対物レンズ１４の移動量は、例えば静電容量センサで測定でき、試料Ｓの位置や変位が計測できる。また、図示のように、試料Ｓの被測定面Ａが角度θだけ傾斜している場合は、被測定面Ａ上の測定地点に応じてＳ偏光光、Ｐ偏光光それぞれの検出光量のピーク位置が異なる。これらのピーク位置から被測定面Ａ上の各地点を計測することが可能である。このピーク位置の差Δｈと近接した２点間の距離ΔＬから式(3)により角度θを算出することができる。式(3)による角度θの算出は、不図示の演算装置によって実行される。
θ＝tan−１（Δｈ／ΔＬ）・・・(3)
以上により、被測定面Ａの位置と姿勢（傾斜角度）を計測することができる。
【００２２】
被測定面Ａの位置や姿勢の計測精度は、対物レンズ１４の焦点深度が支配的であるから、対物レンズ１４の数値開口数をできるだけ大きくとり、ピンホール１８Ａ、１８Ｂの穴径ｄを式(2)で求まる適切な値にすればよい。勿論、短波長の光を発光する光源を用いることも焦点深度を浅くする効果がある。また、被測定面Ａの傾斜角度θの計測精度は、近接した２点間の距離ΔＬを大きくすることにより向上する。すなわち、ウォラストンプリズム１３の分離能を大きくし、対物レンズ１４の焦点距離を長くすることにより、近接した２点間の距離ΔＬを大きく設計すればよい。
【００２３】
〈第２の実施の形態〉
本実施の形態も第１の実施の形態と同様に共焦点法の原理を基礎とするものである。図２に示される本実施の形態の計測装置については、説明の重複を避け、第１の実施の形態と異なる点のみを説明する。
計測を高速で行いたい場合には、駆動装置を高速で駆動する必要がある。第１の実施の形態では、ウォラストンプリズム１３と対物レンズ１４を駆動装置１５により駆動するが、これら２つの部品の合計重量よりも軽い部品を駆動すれば、高速応答性能を得ることができる。
【００２４】
図２に示されるように、本実施の形態では、ハーフミラー１２とウォラストンプリズム１３の間の光路上にリレーレンズ２１を配設する。それに伴い、リレーレンズ２１を移動するための駆動装置２５を設ける。駆動装置２５は、例えばピエゾ素子や音叉であり、リレーレンズ２１を光軸方向に沿って精密に移動させることができる。リレーレンズ２１を配設すると、被測定面Ａを照射するＳ偏光光の焦点位置およびＰ偏光光の焦点位置は、リレーレンズ２１と対物レンズ１４の合成焦点距離によって決まる。試料Ｓがこの合成焦点距離の位置にあるときに、光電変換素子１９ａ，１９ｂの検出光量は最大となる。本実施の形態の計測装置２０では、駆動装置２５が駆動するのはリレーレンズ２１のみとなるから、慣性質量が軽減され、高速応答を実現することができる。
【００２５】
〈第３の実施の形態〉
本実施の形態も第１、第２の実施の形態と同様に共焦点法の原理を基礎とするものである。図３に示される本実施の形態の計測装置については、説明の重複を避け、第２の実施の形態と異なる点のみを説明する。
【００２６】
計測装置を小型化する方策として、光源の小型化が挙げられる。第２の実施の形態では、Ｓ偏光とＰ偏光の両偏光成分をもつレーザ光を放射するＨｅ−Ｎｅガスレーザが用いられている。図３に示されるように、本実施の形態では、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザに比べて寸法の小さい半導体レーザを２つ用いている。半導体レーザ３１ａは、Ｓ偏光成分の光のみを放射し、半導体レーザ３１ｂは、Ｐ偏光成分の光のみを放射する。偏光ビームスプリッタ３２は、半導体レーザ３１ａからのＳ偏光成分の光と半導体レーザ３１ｂからのＰ偏光成分の光とを合成し、合成された光Ｌ５をハーフミラー１２へ導く。ハーフミラー１２から後の光路は、第２の実施の形態の計測装置２０とすべて同じである。本実施の形態の計測装置３０は、光源を小型化することで装置全体の小型化を実現したものである。なお、本実施の形態の計測装置３０は、第２の実施の形態の計測装置２０を基本にしているが、図１に示された第１の実施の形態の計測装置１０を基本にしてもよい。
【００２７】
〈第４の実施の形態〉
本実施の形態も第１〜第３の実施の形態と同様に共焦点法の原理を基礎とするものである。本実施の形態の計測装置については、説明の重複を避け、第１〜第３の実施の形態と異なる点のみを説明する。
【００２８】
図４に示されるように、上述した計測装置１０、２０または３０と試料Ｓとの間に、ハーフミラー部材４１が配設されている。ハーフミラー部材４１は、石英ガラス等の透明板にＳｉＮ（窒化シリコン）膜やＳｉＯ２(酸化シリコン)膜等を形成したものである。特に、ＳｉＮ膜を形成すると、膜形成時の内部残留応力として引張り力が働き、膜に皺が寄り難くなるので適切である。また、ハーフミラー部材４１から適切な反射光量を得るために、ハーフミラー部材４１の計測したい面に反射膜を形成すること、例えば金蒸着を施すのも効果的である。ハーフミラー部材４１は、計測装置１０、２０または３０内に配置された対物レンズ１４から射出されるＳ偏光成分の光とＰ偏光成分の光のそれぞれ一部分を対物レンズ１４側に反射するとともに残りの部分を透過させて試料Ｓの被測定面Ａへ入射させる。被測定面Ａは、各偏光光の光軸に垂直に配置されており、ハーフミラー部材４１の表面は、被測定面Ａに対して角度φだけ傾斜している。
【００２９】
この場合、ハーフミラー部材４１の表面からの反射光（Ｓ偏光成分の光Ｌ６とＰ偏光成分の光Ｌ７）と被測定面Ａからの反射光（Ｓ偏光成分の光Ｌ８とＰ偏光成分の光Ｌ９）が対物レンズ１４へ再入射する。各反射光は、最終的に、Ｓ偏光光とＰ偏光光にそれぞれ対応して設けられた２つの光電変換素子（不図示）により光量が検出される。
【００３０】
図４（ｂ）は、駆動装置による移動量と光電変換素子の検出光量との関係を示すグラフである。図４（ｂ）に示されるように、Ｓ偏光光とＰ偏光光の２本の曲線のそれぞれに２つの検出光量のピークが観測される。すなわち、ハーフミラー部材４１の表面からの反射光によるものと被測定面Ａからの反射光によるものである。被測定面Ａは、各偏光光の光軸に垂直なので光Ｌ８とＬ９のピーク位置は一致している。ハーフミラー部材４１の表面は、被測定面Ａに対して角度φだけ傾斜しているので、光Ｌ６とＬ７のピーク位置は一致していない。
【００３１】
これらのピーク位置からハーフミラー部材４１と被測定面Ａの相対距離ΔｈｓとΔｈｐを計測することが可能である。相対距離Δｈｓは、Ｓ偏光光についてのハーフミラー部材４１と被測定面Ａとの差、相対距離Δｈｐは、Ｐ偏光光についてのハーフミラー部材４１と被測定面Ａとの差である。また、相対距離の差（Δｈｓ−Δｈｐ）と近接した２点間の距離ΔＬからハーフミラー部材４１と被測定面Ａの相対的な傾きφを式(4)により算出することができる。式(4)による角度φの算出は、不図示の演算装置によって実行される。
φ＝tan−１｛（Δｈｓ−Δｈｐ）／ΔＬ｝・・・(4)
以上により、ハーフミラー部材４１と被測定面Ａの相対距離と相対的な傾きを計測することができる。本実施の形態の計測装置４０は、マイクロマシンなどの微小部分の位置と姿勢を計測したい場合に有効に用いられる。
【００３２】
以下、変形例について説明する。
上述した第１〜第４の実施の形態では、被測定面Ａに入射させるＳ偏光光とＰ偏光光の各光軸は平行（入射角０度）であるが、入射角が０度でなくとも既知の値であれば最終的に演算装置で補正することができる。
また、第１〜第４の実施の形態では、焦点情報検出手段としてピンホールを用いたが、ＣＣＤカメラやＤＭＤを用いて特定の受光領域の強度変化を検出し、各検出値の最大値を得る手法を用いてもよい。ＣＣＤカメラの場合は特定の画素の受光光量を、ＤＭＤでは特定の微小ミラーにより光電変換素子に受光させた光量を検出することで同様の測定を可能とするものである。
【００３３】
また、上述した第１〜第４の実施の形態では、被測定面Ａの１軸方向の傾斜角度を計測するものとして説明したが、被測定面Ａの２軸方向の傾斜角度を計測する計測装置にも本発明が適用できる。例えば、被測定面Ａの１軸方向の傾斜角度を計測した後に、ウォラストンプリズム１３を光軸廻りに所定角度だけ回転させ、同様の計測を行うことにより、被測定面Ａの３次元空間での姿勢を計測することができる。また、被測定面Ａ上の直線上にない異なる３点に分離された偏光光を照射し、これらの３点からの偏光光を受光するように装置を構成すれば、被測定面Ａの３次元空間での姿勢を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る位置姿勢計測装置の全体構成図であり、図１（ｂ）は、駆動装置による移動量と検出光量との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る位置姿勢計測装置の全体構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る位置姿勢計測装置の全体構成図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係る位置姿勢計測装置の概略構成図であり、図４（ｂ）は、駆動装置による移動量と検出光量との関係を示すグラフである。
【図５】共焦点法の原理を説明するための光路図である。
【図６】共焦点法の集光位置と検出光量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０，２０，３０，４０：位置姿勢計測装置
１１：レーザ光源
１２：ハーフミラー
１３：ウォラストンプリズム
１４：対物レンズ
１５，２５：駆動装置
１６：偏光ビームスプリッタ
１７ａ，１７ｂ：集光レンズ
１８ａ，１８ｂ：ピンホール板
１８Ａ，１８Ｂ：ピンホール
１９ａ，１９ｂ：光電変換素子
２１：リレーレンズ
３１ａ，３１ｂ：半導体レーザ
４１：ハーフミラー部材
Ａ：被測定面
Ｓ：試料
【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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