(57)【要約】【課題】測定精度を向上させたマーク位置検出装置を提供する。【解決手段】ラインスケール３の目盛線に照明光を照射する照明光学系ＬＳ１と、目盛線からの反射光を集光して目盛線の像を結像させる結像光学系ＬＳ２と、目盛線と結像光学系ＬＳ２との間の光路中に配されて、検出光を通す開口部３０を有する開口絞り２５と、結像光学系ＬＳ２で集光された検出光を検出する光電センサ２８と、光電センサ２８による検出情報に基づいて目盛線の測定方向の位置を算出する検出センサ９および信号処理部１１とを備え、開口絞り２５に形成される開口部３０は、測定方向の開口幅よりも、この測定方向に直交する非測定方向の開口幅が大きく構成される。【選択図】図１
2009145306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定マークの所定の測定方向の位置を検出するマーク位置検出装置であって、
前記測定マークに照明光を照射する照明光学系と、
前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を結像させる結像光学系と、
前記測定マークと前記結像光学系との間の光路中に配されて、前記検出光を通す開口部を有する制限部材と、
前記結像光学系で集光された検出光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段による検出情報に基づいて、前記測定マークの前記測定方向の位置を算出する演算部とを備え、
前記制限部材に形成される開口部は、前記測定方向の開口幅よりも、前記測定方向に直交する非測定方向の開口幅が大きく構成されることを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項２】
前記制限部材の前記開口部は、開口絞りを形成していることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置。
【請求項３】
前記制限部材の前記開口部は、前記測定方向に短辺を有し、前記非測定方向に長辺を有する長方形状の開口を有して構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマーク位置検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマーク位置検出装置と、
前記測定方向に複数の前記測定マークを有する被検物を支持する支持部と、
前記マーク位置検出装置と前記被検物を支持した前記支持部とを前記測定方向に相対移動させる駆動部と、
前記相対移動時に前記被検物上の前記複数の測定マークの間隔を測長する測長部とを備えることを特徴とする１次元測長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ガラスや金属などの表面に目盛り線を刻んだラインスケール（標準尺とも言われる）の目盛り線の位置検出を行うマーク位置検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のマーク位置検出装置として、測定方向に移動可能な移動台と、この移動台に載置された被写体（ラインスケール）の目盛線を検出する顕微鏡と、移動台の位置を計測するレーザ干渉測長器とを備える測長装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような測長装置を用いて、ラインスケールの精度を評価する場合、レーザ干渉測長器により検出された移動台の変位量を基準として、顕微鏡により検出される目盛線間隔の偏差を算出することにより、ラインスケールの精度評価が行われる。このような測長装置に用いられる顕微鏡は、一般的に円形開口を有し、測定方向と非測定方向の開口数が等しくなっている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０８４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記測長装置によりラインスケールの目盛線の位置検出を行う場合、ラインスケールの平面度の誤差や、ラインスケールを保持した際の自重変形によって、目盛線のある表面が撓んで水平平面ではない場合が一般的である。目盛線が刻印されている表面が水平平面でない場合には、顕微鏡がピントのずれた状態となり、目盛線位置の測定精度を悪化させるおそれがある。このいわゆるピンボケ状態を回避するためには、一般的に、顕微鏡の開口数を小さくして焦点深度を深くすることが行われる。光学系の焦点深度ＤＯＦは、
ＤＯＦ＝λ／２ＮＡ2
で表すことができる。ここで、λは顕微鏡の照明波長であり、ＮＡは顕微鏡の開口数である。このことからもわかるように焦点深度ＤＯＦは開口数ＮＡの２乗に反比例しており、開口数が小さくなれば焦点深度ＤＯＦは大きくなる。すなわち、焦点深度が深くなりピントのずれの影響が小さくなる。
【０００５】
しかし、開口数を小さくする場合には位置検出器が受光する受光光量との関係で問題となる。ここで、顕微鏡の受光光量は開口数ＮＡとの間で、
受光光量∝ＮＡ2
の関係がある。すなわち受光光量は開口数の２乗に比例しており、開口数が小さくなれば受光光量は小さくなる。したがって、ピントのずれをなくすために開口数を小さくすると、位置検出顕微鏡の受光光量が小さくなり、Ｓ／Ｎ比が低下するため測定精度を悪化させるおそれがある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させたマーク位置検出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】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係るマーク位置検出装置は、測定マーク（例えば、実施形態におけるラインスケール３の目盛線）の所定の測定方向の位置を検出するマーク位置検出装置であって、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、測定マークからの反射光を集光して測定マークの像を結像させる結像光学系と、測定マークと結像光学系との間の光路中に配されて、検出光を通す開口部を有する制限部材（例えば、実施形態における開口絞り２５）と、結像光学系で集光された検出光を検出する光検出手段（例えば、実施形態における光電センサ２８）と、光検出手段による検出情報に基づいて測定マークの測定方向の位置を算出する演算部（例えば、実施形態における検出センサ９および信号処理部１１）とを備え、制限部材に形成される開口部は、測定方向の開口幅よりも、測定方向に直交する非測定方向の開口幅が大きく構成される。
【０００８】
このような本発明に係るマーク位置検出装置において、制限部材の開口部は、開口絞りを形成していることが好ましい。
【０００９】
さらに、制限部材の開口部は、測定方向に短辺を有し、非測定方向に長辺を有する長方形状の開口を有して構成されることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る１次元測長装置は、上記構成のマーク位置検出装置と、測定方向に複数の測定マークを有する被検物を支持する支持部（例えば、実施形態における被検物台２）と、マーク位置検出装置と被検物を支持した支持部とを測定方向に相対移動させる駆動部と、相対移動時に被検物上の複数の測定マークの間隔を測長する測長部（例えば、実施形態における信号処理部１１）とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るマーク位置検出装置によれば、受光光量を維持しつつ焦点深度の深いマーク検出ができ、マーク位置の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明を標準尺（ラインスケール）の目盛線の位置検出を行う測長装置に適用した場合の実施の形態について説明する。本実施形態に係る測長装置を図２に示している。なお、以下の説明では、図２に示すＸＹＺ直交座標系を設定し、この座標系を参照しつつ説明する。ＸＹＺ直交座標系は、ラインスケール３の目盛線の測定方向（以下、測定方向と称する）に対して平行にＸ軸が、この測定方向に直交しラインスケール３の目盛線が延びる方向（以下、非測定方向と称する）に対して平行にＹ軸が、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向にＺ軸がそれぞれ設定されている。
【００１３】
測長装置は、ラインスケール３の精度評価に用いられるもので、本体ベース１、被検物台２、顕微鏡８、駆動機構１０、レーザ干渉測長器ＬＩ、信号処理部１１および主制御装置１２を備えている。
【００１４】
本体ベース１は、花崗岩などの堅牢な材質で形成され本測長装置全体の本体定盤となっており、この本体ベース１上には被検物台２、駆動機構１０およびレーザ干渉測長器ＬＩが載置されている。
【００１５】
被検物台２には、測定対象とされるラインスケール３が目盛面を上に向けて載置（支持）されている。ラインスケール３は、例えばガラス板にクロムで目盛線（図１参照）を刻んだものである。
【００１６】
駆動機構１０は、この駆動機構１０に取り付けられた顕微鏡８を被検物台２上でＸ軸方向（矢印Ａ方向）へ水平移動可能なよう駆動する。そして、ラインスケール３は、顕微鏡８の移動方向（Ｘ軸方向）と平行、且つ、測定軸に一致するように被検物台２上に載置される。なお、駆動機構１０は、信号処理部１１に電気的に接続され、この信号処理部１１からの指令により駆動する。
【００１７】
顕微鏡８は、ラインスケール３の目盛線を検出する。目盛線の検出は、詳細は後述するが、顕微鏡装置８において光源からの光を被写体である目盛面に照射し、目盛面からの反射光の光量が最大となる位置（ピーク位置）を検出センサ９により目盛線の位置として検出することにより行う。
【００１８】
信号処理部１１は、駆動機構１０および検出センサ９に電気的に接続されており、被検物であるラインスケール３の目盛線が刻印されている範囲をＸ軸方向に顕微鏡８が移動できるよう駆動機構１０を駆動させるとともに、検出センサ９からの検出信号を処理する。これにより、顕微鏡８はラインスケール３の測定範囲全体にわたって目盛線を観察・測定することが可能である。また、信号処理部１１はこの測長装置全体の動作を統轄制御する主制御装置１２に電気的に接続され、主制御装置１２からの指令により作動する。
【００１９】
レーザ干渉測長器ＬＩは、レーザ光源４、レーザ干渉計５、移動鏡６，７、参照鏡（図示せず）、検出器１３を備えて構成される。
【００２０】
レーザ光源４は、支持台を介して本体ベース１に取り付けられており、レーザ干渉計５に向けてレーザ光を出射する。レーザ干渉計５は、本体ベース１上に載置され、レーザ光源４からのレーザ光を分岐して、移動鏡６，７にそれぞれ導かれる。また、レーザ干渉計５内には参照鏡が備えられている。
【００２１】
移動鏡６は、ラインスケール３の測定軸とレーザ光軸とが一直線又は平行になるよう被検物台２の左端に取り付けられている。また、移動鏡７は、ラインスケール３の測定軸とレーザ光軸とが平行になるように顕微鏡８の左側部に取り付けられている。そして、レーザ干渉計５から導かれたレーザ光は移動鏡６，７でそれぞれ反射する。
【００２２】
移動鏡７で反射される反射光は、再び、レーザ干渉計５に入射されたのち、レーザ干渉計５内の参照鏡からの反射光との干渉が発生し、例えば、半波長の移動毎に干渉は明暗を繰り返すので、明暗の計数により検出器１３によって移動鏡７（顕微鏡８）の移動量を検出できる。
【００２３】
一方、移動鏡６で反射される反射光は、再び、レーザ干渉計５に入射されたのち、レーザ干渉計５内の参照鏡からの反射光と干渉し、検出器１３により移動鏡６の移動量（熱などによる被検物台２の変形量）を検出できる。
【００２４】
したがって、このような測長装置を用いて、ラインスケール３の精度評価を行う場合には、まず、被検物台２にラインスケール３を取り付け、顕微鏡８によりラインスケール３の目盛線を検出する。そして、レーザ干渉測長器ＬＩを用いて検出された顕微鏡８の移動量および被検物台２の変形量を基準とし、顕微鏡８により検出される目盛線間隔の偏差を算出することにより、ラインスケール３の精度評価を行うことができる。
【００２５】
次に、このように構成された測長装置において、顕微鏡８の構成について説明する。図１は顕微鏡８の概略構成図である。顕微鏡８は、光源２１、レンズ２２、ハーフミラー２３、対物レンズ２４、開口絞り２５、第２対物レンズ２６、スリット２７および光電センサ２８から構成される。
【００２６】
このうち、光源２１、レンズ２２、ハーフミラー２３、対物レンズ２４および開口絞り２５が照明光学系ＬＳ１を構成しており、対物レンズ２４、開口絞り２５、ハーフミラー２３、第２対物レンズ２６およびスリット板２７が観察光学系ＬＳ２を構成している。なお、照明光学系ＬＳ１と観察光学系ＬＳ２とは、対物レンズ２４からハーフミラー２３までの光路を共有している。
【００２７】
光源２１から出射された照明光は、レンズ２２で平行光束となり、ハーフミラー２３で垂直下方へ（折り曲げられるように）反射したのち、対物レンズ２４の瞳位置（対物レンズ２４の後側焦点位置）に設けられた開口絞り２５を通過する。
【００２８】
開口絞り２５は、遮光性の基板中に光軸を中心として、図３（Ａ）に示すようにＸ方向（測定方向）の幅をＳｘ、Ｙ方向（非測定方向）の幅をＳｙとするＸ方向に短辺を有し、Ｙ方向に長辺を有する長方形状の開口部３０を有する。このため、開口絞り２５の開口部３０はＸ方向とＹ方向とで開口の幅が異なるよう形成されているため、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、開口絞り２５を通過する光束の範囲がＸ方向とＹ方向とで異なることとなる。
【００２９】
そして、開口絞り２５を通過した光は、対物レンズ２４を介してラインスケール３の目盛線上に照射されるようになっている。ラインスケール３の目盛線より反射された光は、再び対物レンズ２４に入射し平行光に変換され開口絞り２５を通過したのち、ハーフミラー２３を透過して、第２対物レンズ２６により像面に置かれたスリット板２７上に結像される。
【００３０】
スリット板２７には、開口絞り２５の開口部３０に対応させて、開口部（スリット）３１がＸ方向（測定方向）に短辺を有し、Ｙ方向（非測定方向）に長辺を有する長方形状の開口が形成される。
【００３１】
開口部３１を通過した光は、光電センサ２８で受光され、検出センサ９により光量が最大となるピーク位置を目盛線の位置として検出される。
【００３２】
ところで、ラインスケール３の目盛線の位置検出を行う場合、ラインスケール３の平面度の誤差や、ラインスケール３を保持した際の自重変形によって、目盛線のある表面が撓んで平面ではない場合が一般的である。このように目盛線が刻印されている目盛面が撓んで平面でない場合、例えば、被検対称をこの目盛線中の一部を構成する円形の微小部分（撓んだ部分）４１を考えた場合に、この微小部分４１では顕微鏡の焦点がずれて、いわゆるピンボケ状態となって円形がぼけた像となってしまう。このため、この微小部分４１を含め目盛線を構成する部分全てが結像された像も焦点のずれた像となり、目盛線位置の測定精度を悪化させるおそれがある。
【００３３】
このような場合、ピンボケ状態を回避するため顕微鏡の開口数を小さくして焦点深度を深くすることが考えられる。上述の微小部分４１については、図４（Ｂ）に示すように焦点の合った円形の像が得られるが、開口数を小さくすると、その反面、目盛面の反射光から十分な受光光量を得られず暗い像となり、観察に必要な十分なＳ／Ｎ比を得ることができないため、結果的には測定精度を悪化させることになる。そこで、本実施形態に係る顕微鏡８の開口絞り２５には、上述したように、Ｘ方向（測定方向）とＹ方向（非測定方向）とで開口数が異なるよう形成された長方形状の開口部３０が備えられている。
【００３４】
この開口絞り２５に形成される開口部３０は、Ｘ方向（測定方向）の幅Ｓｘを、Ｙ方向（非測定方向）の幅Ｓｙよりも小さくして、測定方向の開口数を比較的小さく設定しているため、測定方向における焦点深度を深くすることができる。また、開口部３０は、Ｙ方向（非測定方向）の幅ＳｙをＸ方向（測定方向）の幅Ｓｘよりも大きくして、非測定方向の開口数を比較的大きく設定しているため、ラインスケール３の目盛面からの反射光の受光光量を多く得ることができる。ここで、非測定方向における焦点深度は浅くなるが、非測定方向に焦点ズレが生じても、目盛線の位置検出は専ら測定方向に対して行われるため、測定方向に対する測定精度には影響がほとんどない。このため、上述した微小部分４１については、図４（Ｃ）に示すように、開口の大きい方向であるＹ方向にはぼけてしまうが、目盛線の位置検出に必要なＸ方向には焦点のあった像が得られる。そして、これらの微小部分の像が全て結像されることにより、測定方向に焦点が合い、且つ、受光光量の大きい目盛線の像が得られることとなる。
【００３５】
この結果、本実施形態の測長装置によれば、開口絞り２５に形成される開口部３０は、測定方向の開口数を小さくして焦点深度を深くすることにより測定精度を向上させながら、非測定方向の開口数は大きくして受光光量を十分に得ることにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３６】
また、開口部３０が長方形に形成され、当該長方形における短辺をＸ軸方向、長辺をＹ軸方向に対応する方向となるよう構成されることで、上述のような効果が得られる開口部を容易に形成することができる。
【００３７】
また、上述の実施形態において、開口絞り２５の開口部３０は長方形状に形成されているが、これに限られるものではなく、例えば、開口部を楕円形に形成してもよく、当該楕円の短軸の方向がＸ方向に対応し、長軸の方向がＹ方向に対応して構成されていればよい。
【００３８】
さらに、上述の実施形態において、開口絞り２５は、ラインスケールの撓みの違いなどに対応して、開口の幅を調整する（もしくは、開口絞り２５そのものを切り替えてしまう）調整器を有して構成されるようにしてもよい。このようにすれば、ラインスケールの平面度や自重変形による撓み具合が変更されても迅速に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る測長装置が備える顕微鏡の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る測長装置の構成図である。
【図３】（Ａ）は、開口絞りを示す平面図であり、（Ｂ）は、図１の光学系の一部をＹ方向に見た図であり、（Ｃ）は、図１の光学系の一部をＸ方向に見た図である。
【図４】顕微鏡の開口の相違による被検対象と像との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
３  ラインスケール      ８  顕微鏡      ９  検出センサ（演算部）      
１１  信号処理部（演算部）      ２５  開口絞り（制限部材）      
２８  光電センサ（光検出手段）      ３０  開口部      
ＬＳ１  照明光学系      ＬＳ２  結像光学系      ＬＩ  レーザ干渉測長器      
【図１】
2009145306.tif 000003
【図２】
2009145306.tif 000004
【図３】
2009145306.tif 000005
【図４】
2009145306.tif 000006