(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも直角２方向に移動する移動台を有し、該移動台の第１方向における位置を求める第１及び第２の位置検出手段を前記第１方向と直角方向の第２方向の離れた位置に夫々備えると共に、前記移動台の前記第２方向における位置を求める第３の位置検出手段を更に備え、前記第１及び第２の位置検出手段の夫々の検出値と、前記第３の位置検出手段の検出値とに基づいて前記移動台の観察位置における前記第１方向の位置を求める演算手段を有する測長装置において、
前記演算手段は、前記移動台を前記第１方向の位置検出の基準となる基準位置近傍で移動させた複数の位置で前記第１及び第２の位置検出手段が前記移動台の前記第１方向の位置を検出し、前記複数の位置のそれぞれの位置で前記第１の検出手段の検出値と前記第２の検出手段の検出値との差を求め、該差の平均値によって前記基準の補正をすること特徴とする測長装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記移動台が前記基準位置に達したときに基準位置信号を生成する基準位置信号生成手段を有し、前記基準位置信号により前記第１及び第２の位置検出手段をリセットすることを特徴とする測長装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記補正は自身への電源がＯＮされるのにともなって行われることを特徴とする測長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも直角２方向に移動する移動台を有する測長装置において、移動台の基準位置について移動台の姿勢誤差に起因する誤差を除去した測長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直角２方向に移動自在な移動台と該移動台の前記直角２方向における位置を検出する位置検出手段を有するステージ装置は、例えば顕微鏡や投影検査器の載物台部として用いられ、前記位置検出手段によって、顕微鏡や投影検査器の対物レンズで観察している位置、即ち観察位置の２次元座標値を求める。前記２次元座標値に基づいて、前記ステージ装置に載置された被検物の寸法が求められる。
【０００３】
任意の観察位置の２次元座標値は、前記移動台が所定の位置にある時の観察位置を原点とし、前記直角２方向を座標軸方向とする座標における座標値として決定される。
さて、前記ステージ装置の移動台をヨーイング、ピッチング、ローリング等の姿勢誤差なく、完全に真直に移動させることは困難である。従って、前記被検物が観察される位置、即ち前記対物レンズの位置と前記位置検出手段との位置関係がアッベの条件を満足していないとき、換言すれば前記対物レンズと前記位置検出手段の検出方向とが移動台の測定すべき移動方向において一直線上にないときには、測長結果はアッベの１次誤差を含んだものとなる。
【０００４】
特に、載物台の直角２方向のうちの一方向（以下、Ｙ方向と言うことがある）への移動機構が他方向（以下、Ｘ方向と言うことがある）への移動機構上に設けられ、Ｙ方向への移動機構全体がＸ方向に移動する構成のステージ装置においては、Ｘ方向における前記位置検出手段から前記対物レンズまでの距離が変化するので前記距離が大きくなる場合があることを排除できず、結果的に大きな誤差を生じ易い。
【０００５】
前記アッベの１次誤差を除去するために、前記Ｙ方向の位置を検出する位置検出手段をＸ方向に所定の距離隔てた２カ所に備え、前記２つの位置検出手段が夫々検出した値Ｙ１、Ｙ２と、その時の前記Ｘ方向における前記位置検出手段から前記対物レンズまでの距離とに基づく内挿又は外挿演算によって、前記観察位置に対する値を求める測長機が知られている（特公昭５０−２３３０４）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記アッベの１次誤差を除去した装置では、前記Ｘ方向の座標軸、即ちＸ軸を、移動台が所定の基準位置にあるときの前記２つの位置検出手段の検出値Ｙ１、Ｙ２に基づいて、前記２つの位置検出手段がＹ１、Ｙ２を検出した前記位置検出手段の位置を結ぶ直線として決定している。この為、前記Ｘ軸を決定する時に移動台に姿勢誤差が発生していると、前記決定したＸ軸は本来のＸ軸に対して傾いたものとなり、直角度誤差を有する座標系が設定されてしまう。その結果、任意の観察位置を示す座標値もこの座標系の直角度誤差を含む値となるという問題があった。その詳細は、発明の実施の形態の説明の中で説明する。
【０００７】
本発明の目的は、上記アッベの１次誤差を除去した装置における前記直角度誤差を排除した高精度な測長装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明装置は、少なくとも直角２方向に移動する移動台を有し、該移動台の第１方向における位置を求める第１及び第２の位置検出手段を前記第１方向と直角方向の第２方向の離れた位置に夫々備えると共に、前記移動台の前記第２方向における位置を求める第３の位置検出手段を更に備え、前記第１及び第２の位置検出手段の夫々の検出値と、前記第３の位置検出手段の検出値とに基づいて前記移動台の観察位置における前記第１方向の位置を求める演算手段を有する測長装置において、前記演算手段は、前記移動台を前記第１方向の位置検出の基準となる基準位置近傍で移動させた複数の位置で前記第１及び第２の位置検出手段が前記移動台の前記第１方向の位置を検出し、前記複数の位置のそれぞれの位置で前記第１の検出手段の検出値と前記第２の検出手段の検出値との差を求め、該差の平均値によって前記基準の補正をすることを特徴とする測長装置である。
【０００９】
上記装置において、前記移動台が前記基準位置に達したときに基準位置信号を生成する基準位置信号生成手段を有し、前記基準位置信号により前記第１及び第２の位置検出手段をリセットすることができる。
上記装置において、前記補正は自身への電源がＯＮされるのにともなって行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を説明するが、本発明の技術的範囲はこれによって限定されるものではない。
図１は、本発明の１実施の形態例としてのステージ装置を備えた測定装置の斜視図である。測定装置１００は載置された図示しない被検物を水平面内で直角２方向に移動させるステージ装置１０と、前記被検物を光学的に観察する観察部１２とを備える。観察部１２は、その光学系の光軸上に位置する被検物を観察する。ステージ装置１０は観察中の被検物の前記光軸上の点、即ち測定点の位置を求める位置検出手段としてリニアエンコーダ及びカウンタを備え、該求めた位置に基づいて被検物の寸法が求められる。
【００１１】
図２は前記ステージ装置１０である。この図を用いてステージ装置１０について詳説する。ステージ装置１０の下板１０Ｘは測定装置１０の基台１０Ａ（図１も参照）に支持・案内され左右方向（Ｘ方向）に移動自在である。ステージ装置１０の上板１０Ｙは下板１０Ｘに支持・案内され前後方向（Ｙ方向）に移動自在である。従って上板１０ＹはＸ、Ｙ方向に移動自在である。
【００１２】
下板１０Ｘと基台１０Ａとの間には図示しないリニアエンコーダ（以下、リニアエンコーダＸと言う）が設けられ、下板１０Ｘの移動信号を検出し、該移動信号を受けたカウンタが下板１０ＸのＸ方向の位置を表す座標値を求める。下板１０Ｘと上板１０Ｙとの間にはリニアエンコーダ２２、２４が設けられている。リニアエンコーダ２２は上板１０Ｙの左端面に、リニアエンコーダ２４は右端面に、互いに距離Ｗ隔てて配置され、それぞれのリニアエンコーダ２２、２４は上板１０Ｙの左右両端面の移動量を検出する。そして、リニアエンコーダ２２、２４から移動信号を受けたカウンタが上板のＹ方向の位置を表す座標値を求める。
【００１３】
上板１０Ｙは下板１０Ｘと共にＸ方向にも移動するから、前記カウンタは上板１０Ｙの２次元的位置を２次元座標値として検出する。この２次元座標値は前記測定点の２次元座標を示すものである。
なお、前記２次元座標値は、リニアエンコーダＸの所定の位置、及びリニアエンコーダ２２、２４の一方の所定の位置にそれぞれ設けられた基準位置信号生成手段の位置を基準としている。
【００１４】
前記カウンタは後述する処理部３０に設けられている。前記カウンタの詳細については後述する。
図３は、リニアエンコーダＸ、リニアエンコーダ２２、２４の移動信号に基づいて前記測定点の位置を求める処理部３０の構成の概要を示す図である。処理部３０は前述したカウンタ２１を有する。前記カウンタ２１はリニアエンコーダＸの信号Ｌｘを受けるカウンタ２１Ａと、リニアエンコーダ２２の信号Ｌｙ１を受けるカウンタ２１Ｂと、リニアエンコーダ２４の信号Ｌｙ２を受けるカウンタ２１Ｃとで構成される。
【００１５】
カウンタ２１Ａは、リニアエンコーダＸの検出範囲の所定の位置、例えば左端に設けられた基準位置信号発生手段からの基準位置信号によってゼロリセットされ、その位置を基準とする測定点のＸ座標値を求める。
以上説明した内容は、従来のステージ装置も同様である。
さて、従来のステージ装置においては、カウンタ２１Ｂ、２１Ｃは、リニアエンコーダ２２又は２４の基準位置信号発生手段からの基準位置信号Ｒｅｆによって同時にゼロリセットされ、その位置を基準とする測定点のＹ座標値を求めていた。つまり、カウンタ２１Ｂ、２１Ｃが求める測定点のＹ座標値は、前記基準位置信号の生成位置を基準とする座標値であり、両者の値は本来的には常に一致するものである。
【００１６】
しかし、リニアエンコーダ２２と２４とが検出する移動量は、上板１０Ｙの移動に伴う姿勢誤差（ヨーイング）のためにわずかに異なる値となることがある。即ち、１つの測定点に対して２種類のＹ座標値Ｙ１、Ｙ２が求められる。
そこで、前記姿勢誤差の影響を除去したＹ座標値を求めるために、処理部３０で前記特許公告公報に記載の技術である、以下の処理を行っていた。即ち、各カウンタ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが求めた座標値Ｘ、Ｙ１、Ｙ２をそれぞれ演算手段３２に入力し、演算手段３２で前記入力された座標値Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に基づいて、
Ｙ＝Ｙ１＋Ｘ＊（Ｙ２−Ｙ１）／Ｗ      …式１
を演算して上板１０Ｙの観察位置におけるＹ方向の位置を表す座標値を求めていた。
【００１７】
図４は、式１による観察位置のＹ座標値の算出原理を説明する図である。同図においてＲｅｆＡ、ＲｅｆＢは基準位置信号Ｒｅｆが検出されたときのリニアエンコーダ２２、２４の検出位置（以下、リセット位置という）である。Ｏｂは観察装置１２の観察位置である。その他の構成等は図２及び式１と符号を一致させて説明は省略する。そして、式１で求めたＹ座標値と前記Ｘ座標値とによって前記観察位置Ｏｂの２次元座標（Ｘ、Ｙ）が表される。この２次元座標値はヨーイングに起因する誤差が除かれたものである。
【００１８】
なお、各カウンタ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃは、ステージ装置の電源がＯＮされたときに同時にゼロリセットされるので、前記基準位置信号に基づくゼロリセットをしない場合であっても上記と同様となる。
しかしながら、前述のように、式１の処理によってもまだ除去できない姿勢誤差に起因する誤差が存在する。即ち、式１からわかるように、カウンタ２１Ｂ、２１Ｃの値Ｙ１、Ｙ２が等しい位置を結んだ直線上においては、Ｘの値に関わらず前記式１で求めたＹの値は一定である。換言すれば前記直線はＸ軸に平行な直線であり、前記Ｙの値が「０」の直線、即ちリセット位置ＲｅｆＡ、ＲｅｆＢを結んだ直線はＸ軸である。そして、基準位置信号Ｒｅｆが入力されたとき、ヨーイングが発生していなければ前記直線は下板１０Ｘの移動方向と平行である。
【００１９】
ところが、上板１０Ｙは基準位置信号Ｒｅｆが入力される位置においてもヨーイングをもって移動する。これが前記式１によっても除去しきれない誤差の原因である。図５は基準位置信号Ｒｅｆが入力される位置においてヨーイングが発生したときのリニアエンコーダ２２、２４の検出位置を説明する図である。
同図において、基準位置信号Ｒｅｆが入力されたとき、角Δのヨーイングが発生すると、前記基準位置信号Ｒｅｆによるリニアエンコーダ２４のリセット位置ＲｅｆＢはＲｅｆＢ’となる。その結果、基準位置信号Ｒｅｆによるリニアエンコーダ２２、２４のリセット位置ＲｅｆＡとＲｅｆＢ’とを結ぶ直線Ｌ１は、ヨーイングが発生していない場合のリセット位置ＲｅｆＡとＲｅｆＢとを結ぶ直線Ｌ２に対して角Δをなす。つまり、基準位置信号Ｒｅｆが入力されたとき角Δのヨーイングが発生すると、Ｘ軸の方向が左右の移動方向に対して角Δだけ傾き、直角度誤差Δを有する２次元座標系が設定されてしまう。その結果、図５に示したように、Ｘ座標値がｘである任意点の座標値（Ｘ、Ｙ）のＹ座標値Ｙは (Δ*ｘ)の誤差を含むものとなる。
【００２０】
以下、本発明において、この誤差を除去するために式１の処理に加えて行う処理の詳細を説明する。なお、本発明においては、リニアエンコーダ２２または２４からの基準位置信号Ｒｅｆは図３に示したように処理部３０の演算手段３２に入力される。
前記上板１０Ｙのヨーイングは、その発生状況の観察からヨーイング誤差＝０を中心としてほぼ正規分布することが知られている。そこで、基準信号Ｒｅｆの生成位置の付近の所定の範囲におけるリニアエンコーダ２２、２４のそれぞれ複数の検出値ｙ１１〜ｙ１ｎ（カウンタ２１Ｂの値）、ｙ２１〜ｙ２ｎ（カウンタ２１Ｃの値）の差ｙ１ｎ−ｙ２ｎの平均値ｙを求め、カウンタ２１Ｃの値に−ｙを加算する。即ち、（現在の値−ｙ）にプリセットする。これによって基準位置信号Ｒｅｆが生成された位置におけるカウンタ２１Ｂの値とカウンタ２１Ｃの値とが平均的に一致する。なお、ｙの期待値は０である。
【００２１】
なお、前記−ｙの加算に際し、基準位置信号Ｒｅｆが生成された位置におけるカウンタ２１Ｂおよびカウンタ２１Ｃの値が０になるようにプリセットすることが好ましい。その結果、カウンタ２１Ｂが「０」となる位置と２１Ｃが「０」となる位置とを結ぶ直線、即ちＸ軸は図５のＲｅｆＡとＲｅｆＢとを結ぶ直線となる。ｙの期待値は０であるから前記直線（Ｘ軸）は左右の移動方向と平行になると期待される。
【００２２】
したがって、これ以降、前記プリセット値を含むカウンタ２１Ｂ、２１Ｃの値を式１の演算に用いれば、求めた測定点のＹ座標値は前記座標系の直角度誤差も除去された値となる。
前記プリセットに用いられる、前記検出値の差の平均値ｙを求める処理は第１の処理と第２の処理とからなり、演算手段３２によって行われる。
【００２３】
前記第１の処理において、演算手段３２は、リニアエンコーダ２２または２４の基準位置検出手段が設けられた側のリニアエンコーダに対応するカウンタの値が所定量変化する毎にカウンタ２１Ｂ及び２１Ｃの値ｙ１、ｙ２を読み込んで両者の差ｙ１−ｙ２を求め、該差の値を最新の値から過去の所定の数量、ｎ個を記憶する。演算手段３２はカウンタ２１Ｂ、２１Ｃから最新の差の値を求めると、最も古い記憶値を放棄し、最新の値を記憶に加える。前記第１の処理は、ステージ装置の電源がＯＮされ、カウンタ２１Ａ〜２１Ｃが夫々ゼロリセットされたときに開始される。
【００２４】
前記第２の処理は、外部からの割り込み信号によって起動され、該割り込み信号以降に記憶した前記差ｙ１−ｙ２の数、ｍを計数し、ｍ＝ｎ／２となったときに、記憶しているｎ個の差ｙ１−ｙ２の平均値ｙを求め、該平均値ｙを出力する。ｎが奇数の時、ｍの端数は切り捨て又は切り上げとする。
演算処理手段３２は、更に、第３の処理として前記座標系の直角度誤差に起因する誤差を除去するための処理、即ち前記プリセット及び測定点における姿勢誤差に起因する誤差を除去するための処理を行う。図６は、演算手段３２による第３処理の手順を説明するフローチャートである。
【００２５】
ステージ装置の電源がＯＮされ、第１の処理が開始されると演算手段３２は、リニアエンコーダからの基準位置信号Ｒｅｆが既に検出済みであるか否かを判断し（Ｓ１１）、検出済みであればＳ２１以降の測定点における姿勢誤差に起因する誤差を除去するための処理に進む。未検出であればＳ１２に進み、基準位置信号Ｒｅｆの検出を待つ（Ｓ１２）。
【００２６】
ステージ装置の電源ＯＮ直後は基準位置信号Ｒｅｆは未検出であるから、まずはＳ１２に進む。そして、基準位置信号Ｒｅｆが検出されたならばＳ１３に進む。Ｓ１３では、基準位置信号Ｒｅｆが検出されたときのカウンタ２１Ｂ、２１Ｃの値ｙ１ｒｅｆ、ｙ２ｒｅｆを記憶し、Ｓ１４に進む。Ｓ１４では、第２の処理に対して平均値の算出及び出力を行わせる割り込み信号を出力し、第２の処理から出力される前記平均値ｙを受け取る。そしてＳ１５に進む。
【００２７】
Ｓ１５では、現在のカウンタ２１Ｂ、カウンタ２１Ｃの値ｙ１、ｙ２を夫々ｙ１−ｙ１ｒｅｆ、ｙ２−ｙ２ｒｅｆ−ｙにプリセットしてＳ１１に戻る。Ｓ１５の処理によって、姿勢誤差が発生していない状態で基準位置信号Ｒｅｆが生成されたときの、リニアエンコーダ２２及び２４の検出位置ＲｅｆＡ、ＲｅｆＢに対応するカウンタ２１Ｂ、２１Ｃの値は共に０となる。
【００２８】
Ｓ１５から戻ったＳ１１では、基準位置信号Ｒｅｆは検出済みであるからＳ２１に進み、カウンタ２１ＡからＸを、カウンタ２１Ｂ、２１ＣからＹ１、Ｙ２を読み込む（Ｓ２１）。読み込んだＹ１、Ｙ２は前記プリセット値を含む値である。そして、これらの値を前記式１に適用して、観察位置におけるＹ座標値を算出する（Ｓ２２）。そして、２次元座標値（Ｘ、Ｙ）を、例えば座標表示部や外部の装置に出力し（Ｓ２３）、Ｓ２１に戻る。
【００２９】
上記処理中に求めた差の平均ｙを記憶しておき、次回以降のステージ装置使用開始時にはこの値を用いることができる。第１、第２の処理をステージ装置を初めて使用する時だけとすることができるので、日常の装置の立ち上げ時間が短縮される。
次に、前記検出値の差の平均ｙを求める処理に用いる差（ｙ１−ｙ２）の数についてｔ−検定を用いて検討する。基準位置信号Ｒｅｆが検出されたときのリニアエンコーダ２２、２４それぞれの検出位置の差（ｙ１−ｙ２）を求めることをｎ回実行した時のｎ個の差（ｙ１−ｙ２）の平均値Ｄは、Δ＝０の時を基準とすると、式２である。
【００３０】
Ｄ ＝Σ（ｙ１−ｙ２）ｋ／ｎ            …式２
但し、ｋはｎ個の差（ｙ１−ｙ２）の夫々を識別する添え字で、１〜ｎ。
ここで、ｎ個の差（ｙ１−ｙ２）のバラツキの巾が２σで１μｍ（σは前記バラツキの標準偏差）、要求される基準位置の再現性を０．０１μｍとすると、前記平均値Ｄの分布はｔ−分布となり、そのバラツキの標準偏差σ（Ｄ）は式３である。
【００３１】
σ（Ｄ）＝σ／√ｎ＝０．５／√ｎ           …式３
ｔ−分布の９５％信頼値ｔは式４である。
±ｔ＝ｔ０．０５・σ（Ｄ）＝ｔ０．０５・σ／√ｎ   …式４
ｔ０．０５の値は９５％信頼値を与えるｔ分布表の値で、ｎが無限大の時１．９６である。そこで、ｔ０．０５＝２とし、ｔを前記要求される基準位置の再現性から０．０１μｍとして平均化に用いるデータの数ｎを求める。
【００３２】
０．０１＝２・０．５／√ｎ                 …式５
ｎ＝１０，０００                           …式６
即ち、基準位置信号Ｒｅｆによって検出されるリニアエンコーダ２２、２４それぞれの位置の差（ｙ１−ｙ２）が、その近傍における上板１０Ｙ移動時のヨーイングによって２σ＝１μｍのバラツキがあっても、本発明の演算部３２によって前記検出位置の近傍１０，０００点の値を平均化することによって０．０１μｍの再現性を得ることができる。その結果、前記ヨーイングのためにＸ座標軸が傾いて設定され、求める２次元座標値に直角度誤差に起因する誤差が生ずることを防止することができる。
【００３３】
リニアエンコーダ２２、２４が、共に基準位置信号発生手段を有する場合、先に検出された基準位置信号Ｒｅｆ１によって前記説明した処理を行い、後に検出された基準位置信号Ｒｅｆ２は無効とする。
上記説明の基準位置信号Ｒｅｆの位置は、ステージ装置の電源がＯＮにされたときの位置に代えても良い。この場合は、基準位置信号の位置を再現することができないので、ステージ装置の使用時毎に演算手段３２の第１の処理、第２の処理を行う必要がある。
【００３４】
なお、本発明は測長装置に限定されるものではなく、対象物を載置して直角２方向に移動すると共に、該２方向への移動量を検出する移動台を有する装置全般、例えば所定の１カ所で切削等の各種加工を行う加工装置や所定の１カ所でマーキングを行うマーキング装置にも適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
アッベの１次誤差を除去した装置において、更に基準位置近傍の複数の位置で２つの位置検出手段の測定値の差を求め、差の平均値で測定基準のヨーング誤差を補正して、高精度な測長装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、位置実施の形態例としたのステージ装置を備える測定装置の斜視図。
【図２】図１の装置のステージ装置の斜視図。
【図３】処理部の構成の概要を示す図。
【図４】処理部の演算手段による演算の原理を説明する図。
【図５】直角度誤差発生の様子を説明する図。
【図６】演算手段による演算の手順の流れ図。
【符号の説明】
１０……………ステージ装置
１０Ｘ…………下板
１０Ｙ…………上板
２１Ａ〜Ｃ……カウンタ
２２、２４……リニアエンコーダ
３２……………演算手段
３３……………記憶手段
【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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