(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束を出射し、各反射光を複数の受光素子でそれぞれ受光して各反射光の受光位置を検出し、一の前記受光素子で検出した反射光の受光位置に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出するとともに、少なくとも２以上の他の前記受光素子において検出した反射光の受光位置と算出された前記傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位傾斜測定装置。
【請求項２】
測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、
この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、
この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、
前記反射部材で反射された前記第一光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、
この第一の受光素子と同一面上に設けられ、前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、
前記反射部材上に位置する前記第一光束と前記第二光束との交点に対し、その鉛直方向下方から第三光束を出射する第三光源部と、
前記反射部材で反射された前記第三光束の光路上に設けられ、その第三光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、
この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、
この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、
を備える変位傾斜測定装置。
【請求項３】
前記第三光源部は、前記第一光源部と前記第二光源部とのいずれか一方の光源を併用する請求項２記載の変位傾斜測定装置。
【請求項４】
測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、
この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、
この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、
前記反射部材で反射された前記第一光束の光路上に設けられ、前記第一光束を異なる方向に向けて二つに分離する光分離器と、
この光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けられ、その一方の分離光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、
前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、
前記光分離器により分離された他方の分離光束の光路上に設けられ、その他方の分離光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、
この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、
この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、
を備える変位傾斜測定装置。
【請求項５】
前記光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に低収差レンズを設け、前記第一の受光素子をその低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置にレンズ光軸に対して垂直に設ける請求項４記載の変位傾斜測定装置。
【請求項６】
前記反射部材に対して垂直に設けられ、鏡面反射性を有する第二反射部材と、
この第二反射部材に対して垂直方向から第四光束を出射する第四光源部と、
前記第二反射部材で反射された前記第四光束の光路上に設けられ、その第四光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、
を備える請求項２ないし５のいずれか一記載の変位傾斜測定装置。
【請求項７】
傾斜角度検出手段は、低収差レンズと、この低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子と、で構成される請求項２ないし６のいずれか一記載の変位傾斜測定装置。
【請求項８】
各受光素子は光束の入射によって発生するキャリアを空間的に分離して検出するものであって、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像を計算した後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出する重心位置検出手段を備える請求項２ないし７のいずれか一記載の変位傾斜測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光装置（ステッパ）のステージ等の傾斜角度や三次元位置を測定する変位傾斜測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体露光装置（ステッパ）等においては、基板を載置して位置決めするステージの変位や傾斜の状態を迅速に測定して微小な位置制御を行っている。このようなステージの変位量及び傾斜量の測定・算出を同時にすることができる装置の一例としては、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置がある。ここで、図１１は従来の変位傾斜測定装置の一例を示す斜視図である。図１１に示すように、この特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００は、所定の角度を有して設けられた２つの光源１０１，１０２からそれぞれ光ビームを測定領域に照射し、測定領域でのこれらの光ビームの各反射光を個別に受ける光センサ１０３，１０４を所定の位置に設置して、各光センサ１０３，１０４に入射する光スポットの受光位置情報に基づいて演算処理部１０５において測定領域の変位量及び傾斜量を算出するものである。
【０００３】
また、物体の変位量及び傾斜量の測定・算出を同時にすることができる装置の他の一例としては、特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサがある。ここで、図１２は従来の変位センサの一例を示す斜視図である。図１２に示すように、この特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサ２００は、変位測定用光源２０１から光ビームを出射し、この出射された光ビームをダイクロイックミラー２０２を透過させた後に集光レンズ２０３で集光してから測定領域に照射する。また、測定領域からの反射光を集光レンズ２０４で集光し、ダイクロイックミラー２０５を透過させた後に変位測定用受光素子２０６に光スポットとして結像させ、その結像位置に基づいて測定領域の移動量を算出する。一方、変位測定用光源２０１から出射される光ビームとは波長が異なる光ビームを傾斜測定用光源２０７から出射し、この出射された光ビームをダイクロイックミラー２０２で反射させた後に集光レンズ２０３で集光してから測定領域に照射する。また、測定領域からの反射光を集光レンズ２０４で集光し、ダイクロイックミラー２０５で反射させた後に傾斜測定用受光素子２０８に光スポットとして結像させ、その結像位置に基づいて測定領域の傾斜量を算出する。加えて、この変位センサ２００は、これらの測定領域の移動量と測定領域の傾斜量とに基づいて測定領域の変位量を算出するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００によれば、演算処理部１０５における測定領域の変位量及び傾斜量を光路長に基づいて算出しているために、測定対象物毎に光路長を予め測定等しておく必要があるので、汎用性や実用性に問題がある。
【０００５】
また、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００や特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサ２００によれば、測定領域の変位量を算出することができる変位方向は一方向のみであり、三次元方向について算出することはできないという問題がある。
【０００６】
さらに、原理的に測定対象物の測定領域は光ビームの光スポットが基準になるため、並進運動によって測定領域は変化してしまうことになり、測定対象物の三次元的な動きが正確に測定できないという問題もある。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができ、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【０００８】
本発明の目的は、小型・軽量な変位傾斜測定装置を得ることである。
【０００９】
本発明の目的は、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１０】
本発明の目的は、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみを単独で算出することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１１】
本発明の目的は、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出制度の劣化を低減することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束を出射し、各反射光を複数の受光素子でそれぞれ受光して各反射光の受光位置を検出し、一の前記受光素子で検出した反射光の受光位置に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出するとともに、少なくとも２以上の他の前記受光素子において検出した反射光の受光位置と算出された前記傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する。
【００１３】
したがって、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束がそれぞれ出射される。測定対象物の所定領域で反射された各光束は、複数の受光素子でそれぞれ受光されて各受光位置が検出される。測定対象物の所定領域の傾斜角度が一の受光素子で検出された反射光の受光位置に基づいて算出され、その傾斜角度と少なくとも２以上の他の受光素子において検出された反射光の受光位置とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、前記反射部材で反射された前記第一光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、この第一の受光素子と同一面上に設けられ、前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、前記反射部材上に位置する前記第一光束と前記第二光束との交点に対し、その鉛直方向下方から第三光束を出射する第三光源部と、前記反射部材で反射された前記第三光束の光路上に設けられ、その第三光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、を備える。
【００１５】
したがって、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように、第一光源部と第二光源部と第三光源部とからそれぞれ光束が出射される。各光束は反射部材において反射され、第一光源部から出射された第一光束と第二光源部から出射された第二光束とは第一の受光素子と第二の受光素子とにおいて各々受光され、それらの受光位置が検出される。一方、反射部材上に位置する第一光束と第二光束との交点に対してその鉛直方向下方から出射される第三光束からは、傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出され、角度演算手段によってその傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度が算出される。また、変位量演算手段によって各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の変位傾斜測定装置において、前記第三光源部は、前記第一光源部と前記第二光源部とのいずれか一方の光源を併用する。
【００１７】
したがって、第三光源部の光源が、第一光束を出射する第一光源部と第二光束を出射する第二光源部とのいずれか一方の光源と併用されることにより、部品点数が削減されるとともに、装置の小型・軽量化が図られる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、前記反射部材で反射された前記第一光束の光路上に設けられ、前記第一光束を異なる方向に向けて二つに分離する光分離器と、この光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けられ、その一方の分離光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、前記光分離器により分離された他方の分離光束の光路上に設けられ、その他方の分離光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、を備える。
【００１９】
したがって、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部とからそれぞれ光束が出射され、各光束は反射部材において反射される。第一光源部から出射された第一光束は反射部材で反射された後にその光路上に設けられた光分離器によって異なる方向に向けて二つに分離される。そして、一方の分離光束は第一の受光素子において受光され、その受光位置が検出される。また、他方の分離光束からは、傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出され、角度演算手段によってその傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度が算出される。一方、第二光源部から出射された第二光束は第二の受光素子において受光され、その受光位置が検出される。さらに、変位量演算手段によって各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の変位傾斜測定装置において、前記光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に低収差レンズを設け、前記第一の受光素子をその低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置にレンズ光軸に対して垂直に設ける。
【００２１】
したがって、第一の受光素子が、光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けられた低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置に設けられる。これにより、たとえ低収差レンズにおける分離光束の入射位置にずれが生じた場合であっても、第一の受光素子に対するそのずれ量は縮小投影されるので、より小型の受光素子を適用することが可能になる。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項２ないし５のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、前記反射部材に対して垂直に設けられ、鏡面反射性を有する第二反射部材と、この第二反射部材に対して垂直方向から第四光束を出射する第四光源部と、前記第二反射部材で反射された前記第四光束の光路上に設けられ、その第四光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、を備える。
【００２３】
したがって、第四光源部から出射された第四光束は、反射部材に対して垂直に設けられた第二反射部材に対して垂直方向から入射して反射される。この第二反射部材において反射された第四光束からは、その光路上に設けられた傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出される。これにより、この傾斜角度情報に基づいて反射部材の法線方向回りの傾斜角度が算出されるので、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することが可能になる。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項２ないし６のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、傾斜角度検出手段は、低収差レンズと、この低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子と、で構成される。
【００２５】
したがって、傾斜角度検出手段が、低収差レンズと、この低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子とで構成されることにより、測定対象物の所定領域の変動分が低収差レンズにより補正されるので、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみが単独で算出される。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項２ないし７のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、各受光素子は光束の入射によって発生するキャリアを空間的に分離して検出するものであって、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像を計算した後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出する重心位置検出手段を備える。
【００２７】
したがって、光束の入射によって発生するキャリアが空間的に分離され、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像が計算された後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置が検出されることにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化が低減される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
【００２９】
ここで、図１は変位傾斜測定装置１の構成を概略的に示す斜視図である。図１に示すように、変位傾斜測定装置１は、半導体露光装置（ステッパ）のステージ等である測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度や三次元位置を測定するものに適用されており、第一光源部２と第二光源部３とを同一平面上に備えている。なお、第一光源部２と第二光源部３とを備える平面は、便宜上、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面であるものとする。第一光源部２は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ（レーザダイオード）４と、このＬＤ４から出射された直線偏光のレーザ光を略平行光とするコリメータレンズ５と、入射光の一部を透過して一部を反射するハーフプリズム６とにより構成されている。一方、第二光源部３は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ７と、このＬＤ７から出射された直線偏光のレーザ光を略平行光とするコリメータレンズ８と、レーザ光を所定の方向に反射するプリズム９とにより構成されている。これらの第一光源部２と第二光源部３とは、ＬＤ４から出射されるレーザ光とＬＤ７から出射されるレーザ光とが９０゜の角度をなすように設けられている。
【００３０】
これら第一光源部２と第二光源部３とが備えられている面と同一の平面上には、ビームスプリッタ１０が設けられている。なお、このビームスプリッタ１０は、便宜上、Ｚ軸上に位置するものとする。このビームスプリッタ１０には第一光源部２のハーフプリズム６を透過した第三光束であるレーザ光Ｌ３が入射し、進行方向をＺ軸方向に変更される。つまり、本実施の形態の第三光源部は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ４を光源として第一光源部２と併用し、ハーフプリズム６とビームスプリッタ１０とを主体に構成されている。これにより、第三光源部に専用の光源を設けた場合に比べて、部品点数が削減されるとともに、装置の小型・軽量化が図られる。そして、測定対象物Ａは、その測定対象物Ａの測定対象領域である所定領域をビームスプリッタ１０の鉛直方向（Ｚ軸上）上方に位置させて測定されることになる。
【００３１】
また、この測定対象物Ａの所定領域には、反射部材である円盤形状のマーカ１１が配設される。ここで、マーカ１１について図２を参照して説明する。マーカ１１は、その中心部１１ａを鏡面反射性を有するように形成され、中心部１１ａ以外の部分には無反射性部材１１ｂがコーティングされている。このマーカ１１を配設した部分が測定対象物Ａの測定対象領域となる。なお、無反射性部材１１ｂの代わりとして、マーカ１１の中心部１１ａ以外の部分の表面を粗くして、散乱面形状にしても良い。
【００３２】
ここで、ビームスプリッタ１０によって進行方向をＺ軸方向に変更されたレーザ光Ｌ３とハーフプリズム６によって反射されてＸ−Ｚ平面上を進行する第一光束であるレーザ光Ｌ１とプリズム９によって反射されてＹ−Ｚ平面上を進行する第二光束であるレーザ光Ｌ２とが交差する交点を標準点ＳＰとする。
【００３３】
さらに、変位傾斜測定装置１には、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合において、そのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１を中心位置に入射させるように第一の受光素子であるＰＳＤ（Position Sensitive light Detector：半導体位置検出素子）１２がＸ−Ｙ平面上のＸ軸上にその中心位置を位置させて配設されるとともに、マーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ２を中心位置に入射させるように第二の受光素子であるＰＳＤ１３がＸ−Ｙ平面上のＹ軸上にその中心位置を位置させて配設されている。これらのＰＳＤ１２，１３は、入射した各レーザ光Ｌ１，Ｌ２の光スポットの位置であるスポット位置情報ａ，ｂ（図４参照）をそれぞれ検出するものである。
【００３４】
また、ビームスプリッタ１０の下方であって、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸との交点である原点Ｏには、傾斜角度検出用の受光素子であるＰＳＤ１４が配設されている。このＰＳＤ１４は、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合において、そのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ３の反射光Ｌ３´をＺ軸上に位置する中心位置に入射させるように配設されている。このＰＳＤ１４は、入射した反射光Ｌ３´の光スポットの位置であるスポット位置情報ｃ（図４参照）を検出するものである。
【００３５】
さらに、ビームスプリッタ１０とＰＳＤ１４との間であって反射光Ｌ３´の光軸上には、低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ１５が設けられている。ここで、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との関係について図３を参照して説明する。図３に示すように、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との間の距離は、集光レンズ１５の焦点距離ｆとされている。
【００３６】
ここで、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設されたマーカ１１の中心部１１ａでレーザ光Ｌ３が反射された場合におけるその反射光Ｌ３´は、図３に実線で示すように、ＰＳＤ１４上の中心位置に位置する原点Ｏに入射・収束するようになっている。これに対し、測定対象物Ａが傾斜している状態で配設されたマーカ１１の中心部１１ａでレーザ光Ｌ３が反射された場合におけるその反射光Ｌ３´は、図３に破線で示すように、ＰＳＤ１４上の原点Ｏ以外の位置Ｄに入射・収束するようになる。なお、低収差な性質を有する集光レンズ１５を設けることで、仮にマーカ１１の中心部１１ａの三次元位置が変位した場合（例えば、平行移動した場合）であっても、ＰＳＤ１４に入射する反射光Ｌ３´の光スポット位置の変動分を集光レンズ１５により補正することができるので、測定対象物Ａの所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度のみをＰＳＤ１４に入射した光スポット位置に基づいて算出することが可能になる。つまり、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５とによって、傾斜角度検出手段が形成されている。
【００３７】
また、変位傾斜測定装置１には、信号処理回路１６が内蔵されている。次に、変位傾斜測定装置１に内蔵される信号処理回路１６の一例について図４を参照して説明する。図４に示すように、信号処理回路１６には、ＰＳＤ１４において検出された反射光Ｌ３´の光スポットの位置であるスポット位置情報ｃに基づいて測定対象物Ａの傾斜角度を算出する角度演算器１７と、この角度演算器１７において算出された測定対象物Ａの傾斜角度とＰＳＤ１２，１３において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ａ，ｂとに基づいてその測定対象物Ａの三次元位置の変位量を算出する空間位置演算器１８とが設けられている。
【００３８】
ここで、角度演算器１７における測定対象物Ａの傾斜角度の算出について説明する。なお、この場合においては、図５に示すように、ＰＳＤ１４において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ｃをスポット位置Ｄ（Ｘａ，Ｙａ）とする。このスポット位置Ｄ（Ｘａ，Ｙａ）とＸ−Ｙ平面上のＸ軸とのなす角度φは、以下に示す式▲１▼から算出される。
【００３９】
ｔａｎφ＝Ｙａ／Ｘａ            ・・▲１▼
また、マーカ１１の中心部１１ａは鏡面反射性を有するように形成されていることから正反射の関係が成立しており、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との間の距離は集光レンズ１５の焦点距離ｆとされていることにより、マーカ１１の中心部１１ａの法線ベクトルであるベクトルｎとＺ軸とのなす角度θは、以下に示す式▲２▼から算出される。
【００４０】
ｆ・ｔａｎ２（π−θ）＝√（（Ｘａ）2＋（Ｙａ）2）      ・・▲２▼
これらの▲１▼式及び▲２▼式により、角度φ及び角度θが算出され、ベクトルｎが算出されることになる。つまり、このようにして算出されたベクトルｎは、測定対象物Ａの法線ベクトルであることにより、このベクトルｎのＺ軸に対する角度（π−θ）が測定対象物Ａの傾斜角度になる。ここに、角度演算手段が実現されている。
【００４１】
次に、空間位置演算器１８における測定対象物Ａの三次元位置の変位量の算出について説明する。マーカ１１の中心部１１ａは鏡面反射性を有するように形成されていることから正反射の関係が成立し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の方向ベクトルであるベクトルａi（ｉ＝１，２）に対してマーカ１１の中心部１１ａにおける反射ビームの方向ベクトルであるベクトルｒi（ｉ＝１，２）と、角度φ及び角度θに基づいて算出された法線ベクトルであるベクトルｎとの間には、以下に示す関係が成り立つ。
【００４２】
ベクトルｒi＋（−ベクトルａi）＝ｋ・ベクトルｎ
（｜ｒi｜＝１よりｋ＝−２（ベクトルｎ・ベクトルａi））      ・・▲３▼加えて、ＰＳＤ１２，１３におけるスポット位置情報ａ，ｂをスポット位置Ｐi（ｉ＝１，２）とした場合、マーカ１１の中心部１１ａで反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光軸が示す直線の式は、それぞれ以下に示すように表される。
【００４３】
ベクトル（ＯＰi）＋ｔi・ベクトルｒi  （ｔiは任意の実数）      ・・▲４▼
よって、このように▲４▼式に基づくｉ＝１，２の直線の交差する点が、測定対象物Ａに配設されたマーカ１１の中心部１１ａの三次元位置として算出される。ここに、変位量演算手段が実現されている。
【００４４】
なお、実際には、ｉ＝１，２の直線の交差する点が一点に決まらない場合があるが、その場合には、二つの直線が最も接近する各直線上の二点の内の一方を測定点とするか、その二点間の中間位置を観測点としても大きな誤差は生じない。
【００４５】
これにより、簡単な構成で測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物Ａの所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００４６】
次いで、本発明の第二の実施の形態を図６に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００４７】
ここで、図６は変位傾斜測定装置２０の構成を部分的に示す側面図である。図６に示すように、変位傾斜測定装置２０は、第一光源部２のＬＤ４から出射された直線偏光のレーザ光をコリメータレンズ５によって略平行光としたレーザ光Ｌ１をプリズム（図示せず）を介してマーカ１１の中心部１１ａにおいて反射させる。
【００４８】
一方、マーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１の反射光路上には光分離器であるビームスプリッタ２１が設けられており、そのビームスプリッタ２１には、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合においてそのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ１´を中心位置に入射させるＰＳＤ１２が配設されている。加えて、ビームスプリッタ２１の下方には、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５とが設けられている。
【００４９】
そして、マーカ１１の中心部１１ａによって反射された反射光Ｌ１´は、ビームスプリッタ２１によって二つに分離され、一方の分離光束はＰＳＤ１２に入射し、他方の分離光束は集光レンズ１５を介してＰＳＤ１４に入射することになる。
【００５０】
なお、ここでは特に図示しないが、第一の実施の形態と同様に、第二光源部３のＬＤ７から出射された直線偏光のレーザ光Ｌ２は、コリメータレンズ８によって略平行光とされた後にプリズム９を介してマーカ１１の中心部１１ａにおいて反射され、ＰＳＤ１３に入射することになる。
【００５１】
このような構成により、ＰＳＤ１４において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ｃに基づいて測定対象物Ａの傾斜角度が算出され、この測定対象物Ａの傾斜角度とＰＳＤ１２，１３におけるスポット位置情報ａ，ｂとに基づいて測定対象物Ａの三次元位置の変位量が算出される。
【００５２】
これにより、簡単な構成で測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物Ａの所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。また、本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置１に比べ、第三光源部が不用になるので、より簡単な構成になっており、装置の小型・軽量化が図られる。
【００５３】
次いで、本発明の第三の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態又は第二の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態の変位傾斜測定装置３０は、本発明の第二の実施の形態の変位傾斜測定装置２０と比較して、集光レンズ３１を備えた点で異なるものである。
【００５４】
ここで、図７は変位傾斜測定装置３０の構成を部分的に示す側面図である。図７に示すように、ビームスプリッタ２１とＰＳＤ１２との間であって、ビームスプリッタ２１によって二つに分離された一方のレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ１´の光軸上には、低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ３１が設けられている。ここで、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との関係について図８を参照して説明する。図８に示すように、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との間の距離は、集光レンズ３１の焦点距離ｆよりも所定の距離Δｆだけ長く設定されている。つまり、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との間の距離を“ｆ＋Δｆ”とした場合において、マーカ１１の中心部１１ａによって反射された反射光Ｌ１´とレンズ光軸とのなす角をβ、反射光Ｌ１´のレンズ中心からのずれ量をｓとすると、ＰＳＤ１２における反射光Ｌ１´の光スポット位置のずれ量Δｄは、以下に示す式▲５▼から算出される。
【００５５】
Δｄ＝（ｆ＋Δｆ）ｔａｎβ−（Δｆ／ｆ）・ｓ              ・・▲５▼
したがって、“Δｆ＜ｆ”の場合においては、反射光Ｌ１´のレンズ中心からのずれ量ｓは縮小投影されることになるので、ＰＳＤ１２に小型で高分解能なものを適用することができる。
【００５６】
また、たとえ集光レンズ３１における反射光Ｌ１´の入射位置にずれが生じた場合であっても、ＰＳＤ１２に対するそのずれ量は縮小投影されるので、高分解能な受光位置の検出が可能になる。
【００５７】
次いで、本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態の変位傾斜測定装置４０は、本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置１と比較して、法線方向傾斜角度検出部４１を備えた点で異なるものである。
【００５８】
ここで、図９は変位傾斜測定装置４０の構成を概略的に示す斜視図である。図９に示すように、変位傾斜測定装置４０は、法線方向傾斜角度検出部４１を備えている。
【００５９】
ここで、法線方向傾斜角度検出部４１について詳細に説明する。法線方向傾斜角度検出部４１は、測定対象物Ａの所定の位置にマーカ１１に対して垂直に設けられた第二反射部材である平面反射鏡４２と、傾斜角度検出部４３とにより構成されている。傾斜角度検出部４３は、第四光源部を構成するＬＤ４４とコリメータレンズ４５とビームスプリッタ４６とを備えている。このような構成により、ＬＤ４４から出射された直線偏光のレーザ光は、コリメータレンズ４５において略平行光とされてからビームスプリッタ４６によって平面反射鏡４２へと第四光束であるレーザ光Ｌ４として照射された後、平面反射鏡４２において反射されて再びビームスプリッタ４６に入射する。
【００６０】
加えて、傾斜角度検出部４３は傾斜角度検出手段を構成する低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ４７と傾斜角度検出用の受光素子であるＰＳＤ４８とを備えており、ビームスプリッタ４６に再び入射したレーザ光Ｌ４の反射光Ｌ４´は、ビームスプリッタ４６を透過して集光レンズ４７を介してＰＳＤ４８に入射することになる。
【００６１】
このような構成により、ＰＳＤ４８において検出された反射光Ｌ４´の光スポットの位置に基づいて測定対象物Ａの所定の位置にマーカ１１に対して垂直に設けられた平面反射鏡４２の傾斜角度が算出される。そして、平面反射鏡４２とマーカ１１との幾何学的関係により、この平面反射鏡４２の傾斜角度に基づいてマーカ１１の法線方向回りの傾斜角度が算出されることになる。すなわち、測定対象物Ａの三次元方向の傾斜量が検出されることになる。
【００６２】
これにより、この傾斜角度情報に基づいてマーカ１１の法線方向回りの傾斜角度が算出されるので、マーカ１１の六軸方向の三次元位置を算出することが可能になる。
【００６３】
なお、各実施の形態においては、受光素子としてＰＳＤ（Position Sensitive light Detector：半導体位置検出素子）を用いたが、これに限るものではなく、例えばレーザ光の入射によって発生するキャリアを空間的に分離して検出するＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）を用いても良い。ここで、図１０はＣＣＤ５０による光スポットのスポット位置情報の検出を示す模式図である。図１０に示すように、ＣＣＤ５０における光スポットのスポット位置情報の検出は、ＣＣＤ５０において受光したレーザ光の所定の受光光量レベル以上のスポット像５１を計算した後、そのスポット像５１のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出することによって行われる。ここに、重心位置検出手段が実現されている。これにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化が低減されることになる。
【００６４】
また、第一光源部２と第二光源部３との光源としてＬＤ４，７をそれぞれ適用し、第四光源部の光源としてＬＤ４４を適用したが、ＬＥＤ（発光ダイオード）を適用しても良い。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束をそれぞれ出射し、測定対象物の所定領域で反射した各光束を複数の受光素子でそれぞれ受光して各受光位置を検出し、測定対象物の所定領域の傾斜角度を一の受光素子で検出された反射光の受光位置に基づいて算出し、その傾斜角度と少なくとも一以上の他の受光素子において検出した反射光の受光位置とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができ、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６６】
請求項２記載の発明によれば、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部と第三光源部とからそれぞれ光束を出射し、各光束を反射部材において反射し、第一光源部から出射された第一光束と第二光源部から出射された第二光束とを第一の受光素子と第二の受光素子とにおいて各々受光してそれらの受光位置を検出する一方、反射部材上に位置する第一光束と第二光束との交点に対してその鉛直方向下方から出射する第三光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出し、その傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出し、また、各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができるとともに、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６７】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の変位傾斜測定装置において、第一光束を出射する第一光源部と第二光束を出射する第二光源部とのいずれか一方の光源と第三光源部の光源とを併用することにより、部品点数を削減するとともに、装置の小型・軽量化を図ることができる。
【００６８】
請求項４記載の発明によれば、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部とからそれぞれ光束を出射し、各光束を反射部材において反射し、第一光源部から出射された第一光束を反射部材で反射した後にその光路上に設けた光分離器によって異なる方向に向けて二つに分離し、一方の分離光束を第一の受光素子において受光してその受光位置を検出し、また、他方の分離光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出し、その傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する一方、第二光源部から出射した第二光束を第二の受光素子において受光してその受光位置を検出し、さらに、各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができるとともに、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６９】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の変位傾斜測定装置において、第一の受光素子を光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けた低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置に設けることにより、たとえ低収差レンズにおける分離光束の入射位置にずれが生じた場合であっても、第一の受光素子に対するそのずれ量は縮小投影されるので、より小型の受光素子を適用することができる。
【００７０】
請求項６記載の発明によれば、請求項２ないし５のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、第四光源部から出射された第四光束を反射部材に対して垂直に設けた第二反射部材に対して垂直方向から入射させて反射し、この第二反射部材において反射された第四光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出することにより、この傾斜角度情報に基づいて反射部材の法線方向回りの傾斜角度を算出することができるので、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することができる。
【００７１】
請求項７記載の発明によれば、請求項２ないし６のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、傾斜角度検出手段を低収差レンズとこの低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子とで構成することにより、測定対象物の所定領域の変動分を低収差レンズにより補正することができるので、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみを単独で算出することができる。
【００７２】
請求項８記載の発明によれば、請求項２ないし７のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、光束の入射によって発生するキャリアを空間的に分離し、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像を計算した後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出することにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】マーカを示す断面図である。
【図３】ＰＳＤと集光レンズとの関係を模式的に示す説明図である。
【図４】変位傾斜測定装置に内蔵される信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【図５】角度演算器における測定対象物の傾斜角度の算出について示す説明図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を部分的に示す側面図である。
【図７】本発明の第三の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を部分的に示す側面図である。
【図８】ＰＳＤと集光レンズとの関係を模式的に示す説明図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】ＣＣＤにおける光スポットのスポット位置情報の検出を示す模式図である。
【図１１】従来の変位傾斜測定装置の一例を示す斜視図である。
【図１２】従来の変位センサの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０    変位傾斜測定装置
２                      第一光源部
３                      第二光源部
４，７                  光源
６，１０                第三光源部
１１                    反射部材
１２                    第一の受光素子
１３                    第二の受光素子
１４，４８              傾斜角度検出用の受光素子
１５，４７              低収差レンズ
１７                    角度演算手段
１８                    変位量演算手段
２１                    光分離器
３１                    低収差レンズ
４２                    第二反射部材
４４，４５，４６        第四光源部
５０                    受光素子
Ａ                      測定対象物
Ｌ１                    第一光束
Ｌ２                    第二光束
Ｌ３                    第三光束
Ｌ４                    第四光束
ＳＰ                    交点
【図１】
0003921004.tif 000002
【図２】
0003921004.tif 000003
【図３】
0003921004.tif 000004
【図４】
0003921004.tif 000005
【図５】
0003921004.tif 000006
【図６】
0003921004.tif 000007
【図７】
0003921004.tif 000008
【図８】
0003921004.tif 000009
【図９】
0003921004.tif 000010
【図１０】
0003921004.tif 000011
【図１１】
0003921004.tif 000012
【図１２】
0003921004.tif 000013