JP2006112872A

JP2006112872A - 小型角度センサ

Info

Publication number: JP2006112872A
Application number: JP2004299194A
Authority: JP
Inventors: Isamu Ko; 偉高; Satoshi Kiyono; 慧清野; Hayato Sato; 隼人佐藤
Original assignee: KOYO SEISAKUSHO KK; Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: KOYO SEISAKUSHO KK; Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】小型、高感度の光学式角度センサを提供すること。
【解決手段】点光源１００から出射した拡散光を、偏光ビームスプリッタ１２０、１／４波長板１３０を通した後、コリメートレンズと対物レンズを兼ねるレンズ１７０で平行光束に直して試料面に照射し、反射光をレンズ１７０で収束し、１／４波長板１３０を通り、偏光ビームスプリッタ１２０で反射した光を焦点位置に置かれた光スポット位置検出素子１６０で検出する事を特徴とする光学式角度センサ。少ない部品点数で構成出来、高い感度を得る事ができるので、小型、高感度の光学式角度センサを構成することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は光学式の角度センサに関するものである。

光学機械の利用が広がるにつれ，球面や非球面，円筒および大型平面などの多様な形状の高精度鏡面を必要とする機会が増えている。X線光学，天体観測などに用いられる大型特殊光学素子などはサイズが数百ミリからメートルオーダと大型で，10nmからサブミクロンオーダの高い形状精度が要求される。また近年半導体ウェハや液晶基板などの大型化と高精度化が進んでいる。これらの形状測定には高い計測精度に加え，短時間での測定が求められる。

加工面形状の測定法には従来から面測定法の光波干渉法が用いられている。この方法では一度に面全体が測定できるという利点があるが，測定試料の形状によっては測定が不可能な場合があり，また口径が300mm以上の干渉計の製作及びその精度保証は非常に困難である。それに対してセンサを走査して形状を測定する走査法は，案内の精度の問題を除けば，被測定形状の大型化と多様化に柔軟に対応できる利点を持つ。さらに工作機械上でのオンマシン測定の可能性も期待できる。

角度センサを走査法に用いる場合には，センサあるいは測定試料を走査することによって形状の導関数である局部傾斜(ローカルスロープ)を測定し，積分により形状を復元する。このとき角度センサの出力に誤差が含まれると，積分によりその誤差が累積されて形状を正しく求めることができない。そのため角度センサには高い測定精度が要求される。また，走査するため，センサを小型にする必要がある。現在一般に広く用いられている角度センサにはオートコリメータが挙げられる。オートコリメータは高い測定精度を有するが，局部傾斜ではなく平面全体の傾きを測定するため、光ビームの直径は数十mmと大きい。またCCD素子を使用しているため，応答が遅く，かつ大型であるために走査法による測定には適さない。

一方，超精密加工機，半導体製造・検査装置，精密測定機，ＯＡ機器などに精密ステージが多用されている。これらの精密ステージの運動誤差が機械の性能に大きな影響を与えるため，運動誤差の計測が重要である。運動誤差のうち，移動方向の位置決め誤差は干渉測長機あるいはリニアエンコーダによって計測している。また，移動誤差に直交する方向における並進誤差（真直度）は直定規を基準に計測している。しかし，各軸（ＸＹＺ軸）回りの角度誤差はほとんど計測されていないのが現状である。従来のオートコリメータは応答が遅いため，動的な角度誤差の測定には使えない。さらに，作業空間の制約や機械への組み込みなどから，センサができるだけ小さいことが望ましい。

このような現状の中で，本発明では，高感度，高精度そしてコンパクトな角度センサを提案する。

本発明の角度センサはオートコリメーション法を利用する。その原理を図１に示す。簡略化のため，図１ではX軸回りの回転角を検出する例を示す。

コリメーターレンズに入射する光の光軸に対するX軸回りの角度をΔθ_Xとする。対物レンズの焦点距離をfとし，レンズの焦点面上にY方向におけるスポットの変位をd_Yとすると，Δθ_Xが十分小さいとき以下の関係が成り立つ。

ここで，入射角の変化を距離の変化に置き換えることが出来る。d_Yの値は入射角に依存し，θ_Xが一定であればビームが対物レンズのどこに入射してもかならず焦点面上では同じ点に結像する。光スポットのY方向における位置変化を検出することができるディテクター（光スポット位置検出素子）を用いることによって，d_Yの変化を検する事でX軸回りの角度θ_Xを検出することが可能である。また，光スポットのＹ方向とX方向の位置d_Y，d_Xを同時に検出できるディテクターを用いることによって，X軸回りの回転角Δθ_XとＹ軸回りの回転角Δθ_Yを同時に検出することができる。

図１から分かるように、オートコリメーション法を原理とする角度センサでは，角度の検出感度・分解能は光スポットの位置を検出するディテクターの位置検出感度・分解能と対物レンズの焦点距離fに比例する。ＣＣＤ素子をディテクターとして用いる場合，ＣＣＤ素子の位置検出分解能はＣＣＤピクセルの大きさと同程度である。製造原理上，ＣＣＤ素子のピクセルのサイズはミクロンオーダに制限されているので，位置検出分解能が低い。そのため，高感度・高分解能の角度センサを実現させるには，焦点距離を大きくとる必要がある。しかし，焦点距離が長いレンズを用いる場合は，センサが大きくなってしまう。高感度かつコンパクトなセンサを実現させるには，焦点距離の短いレンズを使う必要がある。そのためには，光スポット位置検出感度の高い受光素子を利用する必要がある。

そこで本発明では，焦点距離の短いレンズを用いる場合でも高感度化が可能な，光位置検出素子PSD（非分割型）と分割型PDを用いる手法を提案する。また，角度センサの光学系において，点光源を平行光にするためのコリメートレンズ及びオートコリメーションユニット用対物レンズという二つのレンズを一つのレンズで代替する小型光学系も合わせて考案した。

本発明の実施例を以下に説明する。

まず、ＰＳＤを用いた場合の高感度化について説明する。
図２に２次元半導***置検出素子（PSD）の原理を示す。PSDは非分割型の素子で，直線性に優れ，ＸＹ方向のスポットの重心位置をの２次元の位置を一つの素子で連続して検出することができる。また，光の強度分布に影響されない特徴もある。２次元PSDの受光面の幅をXY方向共にとL_Pし，それによって検出される光スポットの２次元位置をd_X，d_Yとすると，d_X，d_YはPSDの光電流出力I_X1, I_X2, I_Y1, I_Y2によって計算される。２次元PSDのX,Y出力x_{out_PSD}，y_{out_PSD}から次のように求めることができる。

以上の式から分かるように，x_{out_PSD}/ d_X 及びx_{out_PSD}/θ_Yで定義されるPSDの位置検出感度は主に受光面の幅によって決まる。位置検出感度は受光面の幅に反比例するため，短い受光面幅のほうが高感度化に有利である。つまり，PSD受光面幅を短くすることによって，角度センサを高感度にすることができる。また，要求されるセンサの分解能・感度から，PSDの受光面幅を決める必要がある。例えば，対物レンズの焦点距離を40mmとした場合，0.01秒の試料面の傾斜θ_Y (or θ_Ｘ)に対応するPSD上のスポット移動量d_X (or d_Y)は4nmである。要求されるセンサの角度分解能を0.01秒とし，センサのダイナミックレンジ（測定範囲と分解能との比）を10000とすると，必要な受光面幅が約40μmまでとなる。なお，図では２次元PSDを示しているが，１次元PSDについても同様なことがいえる。

次に分割型ＰＤを用いた場合の高感度化について説明する。
光スポット位置を検出する４分割ＰＤの原理を図３に示す。4分割ＰＤは各受光素子にビームが入射するとビームの郷土に比例してそれぞれの素子から電流を測定する事でビームスポット位置を検出可能である。

ここで，各素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの出力をそれぞれI_A，I_B，I_C，I_Dとし，Ｘ方向出力X_{out_PD}およびY方向出力Y_{OUT_PD}をそれぞれ次のように定義する。

ここで全素子からの出力でわることで光量の変化の影響を補正している。

スポットは4分割ＰＤのすべての素子に入射している必要がある。素子はスポットサイズに比べて十分大きいのでスポットサイズによって測定範囲が決定される。

次に，分割ＰＤによる光スポットの位置検出感度とPD上の光スポットサイズとの関係について考える。図４にはd_Xを検出する例を示す。図４のように直径2wでスポット中心がＸ方向にd_Xだけ変位している。d_Xが小さいとき，スポットが中心にある時から変化した部分を長方形と近似できる。Ｘ軸上で左右２組のPD素子に光が当たっている部分の面積はそれぞれ

となる。それぞれのPD上の光スポットの面積はPD素子の出力電流と比例しているので，式(6)(7)を式(4)に代入すると

となる。

さらに，図5に示すように，光回折の理論に基づき，対物レンズの焦点距離をf，光ビームの波長をλ，レンズに入射するビーム径をＤとすると，焦点面上のスポットサイズ2wは

となる。ここで，式（１），（８），（９）を用いて角度の検出感度を計算すると

となり整理すると

となる。

つまり，感度は焦点距離には依存せず。対物レンズに入射する光の波長と入射ビーム径にのみ依存するという事がわかる。つまり，使用する光の波長を短く，対物レンズの入射ビーム径を大きくすることによって，角度センサを高感度にすることができる。これにより焦点距離による感度の低下を気にせずレンズを選定することが可能となる。

角度センサの小型化について説明する。
まず，これまでの2次元角度センサの光学系のレイアウト例を図６に示す。レーザダイオード（LD）などの点光源から出た直線P偏光の光ビームはコリメートレンズで平行光にされ，偏光ビームスプリッタ(PBS)，四分の一波長板(1/4λ)を通り円偏光となって，測定試料に照射される。試料面の角度情報を持った反射光は再び四分の一波長板を通り，偏光状態がS偏光と変わる。その光は偏光ビームスプリッタで反射された後，対物レンズとその焦点面位置に置かれる光スポット位置検出素子からなるオートコリメーションユニットに入る。光スポット位置検出素子で光スポットの変位を測定することによって，試料面の角度を求めることができる。ここでいう光スポット位置検出素子はPSD、分割型PD、CCD素子、CMOS素子などが利用される。

図７に，小型な角度センサが実現可能な光学系を示す。コンパクトな設計にする為に点光源の光を平行光にする為のコリメートレンズとオートコリメーションユニットの対物レンズの二つを一枚のレンズによって行うということである。これまで，二つ必要であったレンズを一枚にすることが出来るので部品点数を減らす事ができ尚且つ,全体の小型化にも繋がっている。この光学系では，レーザダイオード（LD）などの点光源から出た直線P偏光の光ビームはレンズで平行光にされ，偏光ビームスプリッタ，四分の一波長板を通り円偏光となって，測定試料に照射される。試料面の角度情報を持った反射光が再び同じレンズに入り，四分の一波長板を通った後，S偏光となる。その光は偏光ビームスプリッタで反射され，レンズの焦点面位置に置かれる光スポット位置検出素子に集光される。光スポット位置検出素子で光スポットの変位を測定することによって，試料面の角度を求めることができる。ここでいう光スポット位置検出素子はPSD、分割型PD、CCD素子あるいはCMOSエリアセンサCMOSエリアセンサ（例えば浜松ホトニクス株式会社製プロファイルセンサＳ９１３２）などが利用される。

このとき、ＰＢＳの１辺の長さをＬ、１／４λ板の厚みをＴ１、レンズの厚みをＴ２，レンズの焦点距離をｆとすると、レンズがＰＢＳの中で焦点を結ばないためには、
ｆ≧Ｌ＋Ｔ１＋Ｔ２/２
でなければならない。Ｔ１＞０、Ｔ２＞０であるから、
ｆ＞Ｌ
でなければならない。また、レンズによりコリメートされた光束の直径をＤ、ＬＤから出た光の拡がり角をφとすると、
Ｄ＝２・ｆ・tanφ
となる。ＬＤから出た光がＰＢＳの側面に漏れないためには
Ｌ≧Ｄ
でなければならない。よって、ｆ、Ｌ、φを設計パラメータにすると、
ｆ＞Ｌ≧２・ｆ・tanφ
の関係を満たす必要がある。

図７に示す光学系を元に，図８のように，光スポット位置検出素子が作り込まれた半導体シリコン基板の上に，ＬＤ、ＰＢＳ、１／４λ板、レンズが直接配置する設計にすると，センサがコンパクトに実現できる。

また，図９，１０のように，PBSのサイズを小さいものにすることによって，短い焦点距離のレンズが利用できるようになり，小型なセンサが実現できる。

本発明により小型でしかも高精度の測定が可能な光学式角度センサを安価に構成できるので、角度センサ単体で用いるほかに、各種測定器，工作機械，ＯＡ機器などのステージに組み込んでステージの角度運動誤差をリアルタイムで測定し，誤差補正にも可能である。

オートコリメーション法の原理を示す図である。 PSDによる光スポット位置検出原理を説明する図である。分割型PDによる光スポット位置検出原理を説明する図である。分割型PDによる光スポット位置検出感度とスポット径との関係。対物レンズ焦点面上でのスポット径を説明する図。従来の角度センサの光学系の例。本発明の小型角度センサの光学系。半導体シリコン基板上部品を直接配置した小型角度センサの例。短い焦点距離のレンズを利用した小型センサ例（実施例２）。短い焦点距離のレンズを利用した小型センサ例（実施例３）。

符号の説明

１００点光源
１０１レーザーダイオード
１０２ＬＤケース
１１０コリメートレンズ
１２０ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
１３０１／４波長板
１４０試料面
１５０対物レンズ
１６０光スポット位置検出素子
１７０コリメート/対物レンズ
１８０スペーサー
２００光ビーム
３００シリコン基板

Claims

点光源１から出射した拡散光を、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板を通した後、コリメートレンズと対物レンズを兼ねるレンズで平行光束に直して試料面に照射し、反射光をコリメートレンズと対物レンズを兼ねるレンズで収束し、１／４波長板を通り、偏光ビームスプリッタで反射した光を焦点位置に置かれた光スポット位置検出素子で検出する事を特徴とする光学式角度センサ。
請求項１の光学式角度センサにおいて、拡散光の拡がり角をφ、偏光ビームスプリッタの１辺の長さをＬ、コリメートレンズと対物レンズを兼ねるレンズの焦点距離をｆとするとき、ｆ＞Ｌ≧２・ｆ・tanφの関係を満たす光学式角度センサ。