JPH11118422A - モアレ縞を用いた寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二つの異なる格子ピッチをもつ格子から形成
されるモアレ縞を用いて寸法を測定するとき、格子の移
動方向判定を簡素な構成で高速、容易に行うとともに、
格子位置の検出精度を高めて、高精度な寸法測定装置を
実現すること。 【解決手段】 格子ピッチが異なる移動格子と固定格子
でモアレ縞を発生させるとともに、移動格子と等しい格
子ピッチで強度分布が異なる移動方向判定格子を設け
る。該移動方向判定格子が移動しているとき、それを透
過した光を単一の受光面をもった受光器で受光し、光強
度の変化から格子の移動方向と移動格子数を検出する。
移動格子が停止しているときは、移動格子と固定格子を
透過してできたモアレ縞をラインセンサーで検出し、移
動格子の格子ピッチ以下の移動距離をモアレ縞の基準位
置の移動から検出する。以上検出した格子の移動個数と
格子ピッチ以下の移動距離とから寸法を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモアレ干渉法を応用
した寸法測定装置に関し、特に、格子ピッチの異なる二
つの格子を重ね合わせたときに生じるモアレ縞を用いた
寸法測定装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細加工を要する生産ラインでは、被加
工物（ワーク）の寸法、形状などを、その場でサブミク
ロン領域の精度で測定するニーズがある。小型で簡易型
の寸法測定器として、光学スケール（リニアーエンコー
ダ）を用いたものが多く用いられている。これはガラス
基板上に白黒の二値強度からなる格子パターンを形成し
た光学スケールを用いるもので、触針に取り付けられた
光学スケールが移動するときに格子で反射、あるいは格
子を透過した光強度の変化を測定し、格子の移動距離を
検出して寸法を測定する装置である。光学スケール方式
の測定分解能は、格子の１ピッチの長さ、及び格子の１
ピッチ内を細かく分割して格子位置を検出するときの分
割数によって決まる。通常は格子の１ピッチ長は１０μ
ｍ程度で、それを１０分割して検出すれば測定分解能は
１μｍである。

【０００３】光学スケール法以外の例として、前述の白
黒格子が多数形成された格子を２枚重ね合わせたときに
生じるモアレ縞を検出する装置も提案されている。従来
の一般的なモアレ干渉法の原理を図５に示す。図５
（ａ）と（ｂ）に示した格子５１と５２は共に同一の格
子幅と格子ピッチをもつ。なお、二つの格子５１と５２
を構成する白のパターンの幅と黒のパターンの幅はそれ
ぞれ等しい。格子５１は水平方向に設置した状態、格子
５２は水平方向から角度θ傾かせて設置した状態を示
す。図５（ｃ）に示したモアレ縞５３は格子５１と５２
を重ね合わせたときに発生し、二つの格子の光透過強度
の積でその強度分布が決まる。格子５２の傾き角度θが
小さいときのモアレ縞は、幅の広い黒パターンがほぼ垂
直方向に周期的に形成され、その間に菱形の白パターン
が生じている形状である。幅の広い黒パターンの垂直方
向へのピッチｗは、ｗ＝Ｐ／θである。ただし、Ｐは格
子の一周期の長さである。ピッチｗは格子５２の傾き角
度θに応じて変化し、θが大きいほどピッチｗは短くな
り、モアレ縞の幅の広い黒パターンの幅も短くなる。

【０００４】格子５２の傾き角度θを一定に保持したま
まで固定しておき、格子５１を水平方向に移動すると、
モアレ縞は格子の移動方向と直角方向（図の上下方向）
に移動する。このとき、格子を１ピッチＰだけ移動させ
ると、モアレ縞は１ピッチｗだけ移動する。すなわち、
格子の動きが拡大検出されることになり、その拡大率が
１／θである。例えばθが５度のときは、格子の１ピッ
チの移動が１１倍程度に拡大される。例えば、格子の１
ピッチが１０μｍの場合、モアレ縞の一周期はほぼ１１
０μｍになる。したがって、モアレ縞の移動を１μｍの
精度で検出すれば、格子５１の０．１μｍ程度の動きが
検出できる。このように、モアレ縞を用いれば格子の微
小な移動をモアレ縞の大きな動きに拡大して検出でき、
高分解能の寸法測定ができるという特徴がある。

【０００５】図６にモアレ縞を用いた従来の寸法測定装
置の構成例を示す。ハロゲンランプなどの光源６０から
発せられた光はコリメートレンズ６１を介して移動格子
６２を照射する。移動格子６２は図５（ａ）に示した格
子５１から構成され、図示していないが触針に取り付け
られ、触針の動きに応じて移動する。固定格子６３は図
５（ｂ）の格子５２から構成され、移動格子６２の近く
に固定して設置する。このとき、移動格子６２と固定格
子６３の格子ピッチは等しく、固定格子６３は水平方向
から角度θ傾けて設置する。移動格子６２と固定格子６
３の両方を透過した光は固定格子６３の後方にモアレ縞
を作り、このモアレ縞を集光レンズ６４を介して受光器
６５で検出する。

【０００６】モアレ縞を検出する受光器６５は複数の受
光面からなり、個々の受光面で検出した光強度信号を各
々が出力する。例えば、受光器６５を二つの受光面から
構成した場合、その受光面の中心間距離をモアレ縞ピッ
チｗの１／４に相当する距離だけ離して、モアレ縞の光
強度を個別に検出して２つの光強度信号を出力する。他
の方法として、モアレ縞のピッチを４分割したそれぞれ
の位置に４個の受光器を設置し、４つの光強度信号を出
力する方法も用いられている。信号処理部６６は、受光
器６５から出力された複数の光強度信号から移動格子６
２の動きを検出して寸法を測定する。寸法測定のために
は、移動格子６２の移動方向の検出と格子の移動個数の
検出、及び測定開始時と測定終了時に移動格子６２が停
止していた位置の検出が必要である。格子移動方向の検
出は複数の光強度信号の相互の位相の進み遅れで判定す
る。格子位置の検出では、格子６２が停止中の光強度信
号がモアレ縞の一周期のどの位相状態にあるかを判定す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一つの光学スケールを
用いる場合は、格子位置検出における格子１ピッチ幅の
分割数が１０程度であるため、格子の１ピッチが１０μ
ｍの場合は１μｍの分解能となる。そのためにサブミク
ロンの測定精度が得られないという精度上の問題点があ
る。従来のモアレ縞法の場合は、移動格子の移動方向を
検出するために複数の受光器を必要とし、その各々の受
光面の位置をモアレ縞の一周期内の特定の位置に合わせ
て設定する必要があった。そのため、受光器の位置調整
が複雑になるという調整上の課題がある。また、得られ
た複数の光強度信号から移動方向を判定するとき、信号
相互の位相の進み遅れを判定する信号処理回路が複雑に
なるという回路構成上の課題もある。

【０００８】モアレ縞の作成では一方の固定格子を角度
θだけ傾ける必要があり、その設定角度への取り付け、
調整が困難であるという問題もある。角度θが数度とい
う小さい値の場合は、取り付け角度のわずかのズレでも
モアレ縞のピッチの変動が大きくなる。そのため、モア
レ縞のピッチを寸法へ変換するときの変換係数が変わっ
てしまい、寸法測定に誤差が発生するという問題が生じ
る。さらには、移動格子が停止しているときの格子位置
の検出精度が低いという問題もある。モアレ縞の幅の広
い黒パターンとその間にある幅の狭い黒と白の菱形パタ
ーンは、菱形パターン部を画像処理により幅の広い白パ
ターンに変換すれば、近似的にはピッチｗで方形波的に
変化する強度パターンと見なせる。そのため、二つ、あ
るいは四つ程度の受光面をもった受光器で光強度を検出
したのでは方形波の位相検出、すなわち格子位置の検出
精度が低くなり、寸法測定精度が悪い。

【０００９】以上の諸課題の主原因は、移動格子と固定
格子の格子ピッチが等しいためである。格子ピッチが等
しいため、モアレ縞を発生させるのに一方の格子を傾け
る必要があり、発生したモアレ縞はそのピッチ方向に対
称な強度分布となっていた。そのために複数の受光面を
もつ受光器を使用して複数の光強度信号を検出し、移動
方向を判定したり、格子の停止位置を検出していた。本
発明は格子ピッチの異なる二つの格子と共に、特殊な強
度分布を有する第３の格子を新たに採用することで上記
の諸課題を解決し、簡素な構成の高精度な寸法測定装置
を実現することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明による寸法測定装置は以下の構成をなす。触
針と共に移動する第１の格子ピッチを有する移動格子と
前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチを有
する固定格子を有し、該固定格子を前記移動格子の近傍
に固定して設置して前記移動格子と固定格子を光源から
の光で照明し、発生するモアレ縞を検出して寸法を測定
するモアレ縞を用いた寸法測定装置であって、前記移動
格子と、前記第１の格子ピッチと同じピッチを有して前
記移動格子とは異なる強度分布を有する移動方向判定格
子とから構成され、光源から光を照射される移動光学ス
ケールと、該移動光学スケールが移動しているときに前
記移動方向判定格子を透過した光を検出する第１の受光
器と、該第１の受光器で検出された第１の光強度信号か
ら前記移動方向判定格子の移動方向を検出する移動方向
判定部と、前記移動方向判定格子の移動によって生じる
前記第１の光強度信号のパルス数を検出する移動格子カ
ウント部と、前記移動光学スケールが停止しているとき
に前記移動格子と前記固定格子を透過した光により形成
されるモアレ縞を検出する第２の受光器と、該第２の受
光器で検出された第２の光強度信号から前記移動格子の
移動の前後についてモアレ縞の予め設定された位置を検
出するモアレ縞位置検出部と、前記移動格子カウント部
で検出した前記移動方向判定格子の移動格子数に対応す
る格子移動距離情報と前記モアレ縞位置検出部で検出し
た前記移動格子の移動前後における格子の位置情報とか
ら測定する寸法値を算出する寸法算出部とを備え、前記
移動方向判定格子と移動格子の移動によって生じる光強
度変化とモアレ縞の移動とから寸法を測定することを特
徴とする。

【００１１】以上の構成の移動方向判定格子は、該格子
を構成する光透過率の低い黒のパターン幅と光透過率の
高い白のパターン幅の比率を少なくとも３種類の比率に
設定するとともに、該比率に応じて黒のパターン幅を広
い幅から狭い幅まで順次同じ方向に変化させ、該パター
ン幅の変化を一つの単位として周期的に繰り返した構成
とし、格子が形成された方向に関して非対称な強度パタ
ーンとする。さらには、第１の受光器は単一の受光面を
有し、該受光面には前記移動方向判定格子の第１の格子
ピッチのほぼ半分の幅の格子部分からの光強度を検出す
るためのスリットを取り付け、該スリットを透過した前
記移動方向判定格子からの光強度を検出して単一の前記
第１の光強度信号を出力する構成とする。また、第２の
受光器は多分割された複数の受光面を有するラインセン
サーであって、モアレ縞の強度分布を検出して第２の光
強度信号を出力する構成である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、格子ピッチの異なる二
つの格子を重ね合わせたときに生じるモアレ縞から寸法
を測定する装置の構成に関する。等間隔で直線状の白黒
パターン（明暗パターン）から構成される格子（白のパ
ターン幅と黒のパターン幅は等しい）において、格子ピ
ッチが異なる二つの格子を互いに平行に保持した状態で
重ね合わせたときに発生するモアレ縞は、二つの格子ピ
ッチの差に応じた周期を持ち、二つの格子のピッチ差が
小さいほどモアレ縞の周期が長くなる特性をもつ。モア
レ縞の強度は二つの格子の光透過強度の積となり、黒パ
ターンと白パターンが交互に現れ、黒のパターン幅と白
のパターン幅が周期的に増減を繰り返すパターンとな
る。全体としては黒パターンの幅が広がった強度分布と
なり、幅の広い黒パターンの近くでは白パターンの幅が
小さくなる。

【００１３】一方の格子を固定しておいて他方の格子を
移動させれば、モアレ縞が格子の移動方向に移動する。
このとき、格子が１ピッチ移動すればモアレ縞の１周期
分の長さが移動する。二つの格子のピッチ差が小さいと
き、モアレ縞の１周期は格子ピッチの数１０倍程度ある
ため、移動する格子の微小な動きを数１０倍にまで拡大
して検出できる。すなわち、格子ピッチの異なる格子に
よるモアレ縞には格子の動きの拡大作用があり、寸法測
定に応用すれば測定感度と分解能が向上する。このと
き、二つの格子は平行に設置すればよいため、両者を設
定するときの位置関係の調整などが簡単になるという利
点がある。

【００１４】上記のモアレ縞を発生させる各々の格子
は、格子が形成される方向には対称的な強度分布をもっ
ている。そのため、このような格子パターンから格子の
移動方向を検出するのは従来例と同様の不都合がある。
また、モアレ縞から格子の移動方向を検出するのも信号
処理が複雑になって不都合が生じる。そこで、モアレ縞
発生用の格子とは別の形状をした移動方向判定用の専用
の格子を新たに設ける。この移動方向判定格子は、モア
レ縞発生用の移動格子の格子ピッチと同じピッチをも
ち、その１ピッチ内の黒のパターン部の幅を少なくとも
３種類以上に変化させた構成とする。格子ピッチが一定
のため、白のパターン部の幅も同様な変化をする。この
とき、黒のパターン幅が広い幅から狭い幅まで、例えば
幅が狭くなる方向に順次変化させ、それを周期的に繰り
返したパターンとする。すなわち、移動方向判定格子は
格子が形成される方向に非対称な強度分布とする。

【００１５】モアレ縞を発生させる一方の格子である移
動格子と移動方向判定格子は触針と共に移動する移動光
学スケールの別々の位置に形成し、光源からの光で両者
を照明する。このとき、移動格子を透過した光と移動方
向判定格子を透過した光は、別々の位置に設けた別個の
受光器で検出して、別の信号処理を行う。移動光学スケ
ールが移動中は、移動方向判定格子からの光強度信号を
検出し、移動方向の判定とともに移動した格子数を計測
する。このとき、移動格子を透過した光については計測
を行わない。移動光学スケールが停止しているときは、
移動格子と固定されている他方の格子（固定格子）で形
成されたモアレ縞を検出し、移動格子が停止していたと
きの格子位置情報を計測する。このように、格子の移動
中と停止中では測定モードを変えて、異なる信号処理を
行う。

【００１６】移動光学スケールが触針と共に移動すると
き、移動方向判定格子を透過した光強度は、黒パターン
の幅に応じて光強度が低レベルとなる信号幅が変化す
る。この信号幅が変化する方向、例えば信号幅が大→
小、あるいは小→大へと変化する方向を検出することで
移動光学スケールの移動方向が判別できる。これは、移
動方向判定格子の強度分布を非対称にすることで可能と
なる。さらには、移動方向判定格子が移動しているとき
は、格子の１ピッチの移動毎に光強度信号から１パルス
を発生させる回路を用いて、光強度信号のパルス数も同
時に測定して移動格子数Ｎを検出する。この移動格子数
検出により、移動格子の１ピッチのＮ倍の移動距離が測
定される。

【００１７】以上の検出は１つだけの光強度信号でよい
ため、単一の受光面をもった受光器で光強度を検出して
単一の光強度信号を出力する。受光器による光強度の検
出では、移動方向判定格子の格子１ピッチの半分程度の
幅から透過した光強度だけを選択して検出する必要があ
る。そこで、受光器の受光面には前記の幅に相当するス
リットを張り付け、そのスリットを通して光強度を検出
する。

【００１８】移動光学スケールが停止しているときはモ
アレ縞の強度パターンを計測して、移動格子の停止位置
を検出する。この検出は測定開始時点と測定終了時点の
２回行う。モアレ縞の強度分布は黒パターンの幅が周期
的に増減を繰り返すパターンで、一定の倍率に拡大した
モアレ縞をラインセンサーなどの多分割受光面からなる
受光器で検出する。固定格子に対する移動格子の格子位
置に応じてモアレ縞の位置がシフトするため、モアレ縞
位置変化から格子の停止位置が検出できる。そこで、モ
アレ縞の特定の位置、例えば幅の広い黒パターンの近く
にある白パターンのパターン幅が最小になる位置を基準
位置とし、この基準位置が移動の前後でどれだけ変化し
たかを検出する。この位置の検出は移動格子の１ピッチ
幅以下の検出である。この位置検出感度で寸法測定の分
解能が決まる。そこで、測定開始の前後における格子位
置情報と格子が移動中に検出した格子移動数による距離
情報とから寸法を測定する。

【００１９】

【実施例】図１に本発明の寸法測定装置に用いる格子パ
ターンの例を示す。図１（ａ）は移動光学スケール１０
に形成した移動格子１１（下側）と移動方向判定格子１
２（上側）の格子パターン例で、両者は同じ移動光学ス
ケール１０の別々の位置に形成する。移動格子１１は第
１の格子ピッチを有し、モアレ縞を発生させるための格
子である。移動方向判定格子１２は第１の格子ピッチと
同じ格子ピッチで移動格子１１の格子パターンとは異な
る強度分布を有し、移動光学スケール１０が触針ととも
に移動するときの移動方向の判定とともに移動した格子
数を検出するための格子である。移動格子１１は格子１
ピッチ幅がＰ₁で、格子を構成する黒いパターン部と白
いパターン部の幅が等しく、格子が形成された方向には
対称な強度分布である。

【００２０】移動方向判定格子１２は黒いパターン部の
幅と白いパターン部の幅の比率を少なくとも３種類以上
に変化させ、その比率に応じて黒のパターン幅を広い幅
から狭い幅まで順次変化させた形状とする。図の例は黒
いパターン幅を格子１ピッチの７５％、５０％、２５％
の３種類に設定したもので、この３種類のパターンを周
期的に繰り返して格子を形成する。格子ピッチが一定で
あるため、白いパターン部の幅も狭い幅から広い幅まで
周期的に変化する。したがって、格子が形成された方向
に非対称な強度分布をもったパターンとなる。非対称な
強度分布とすることで、後述する移動方向の判定が容易
になる。

【００２１】図１（ｂ）はモアレ縞を発生させるための
他方の格子である固定格子１３の格子パターンである。
固定格子１３は移動格子１１と同様に黒いパターン部と
白いパターン部の幅が等しく、格子が形成された方向に
は対称な強度分布である。固定格子１３は移動格子１１
とは異なった第２の格子ピッチＰ₂を有する。移動格子
１１と固定格子１３を互いに平行状態に設置すると、両
者を透過した光によりモアレ縞が発生する。このとき、
移動格子１１と固定格子１３の間をフーリエイメージ条
件が成り立つ距離Ｌに設定する。移動格子１１のピッチ
をｄ、照明光の波長をλとしたとき、Ｌ＝ｎｄ²／λが
成り立つ距離Ｌがフーリエイメージ条件である。ここで
ｎは整数１、２などの次数である。ｄ＝２０μｍ、λ＝
０．５μｍの場合のＬは、０．８ｍｍ（ｎ＝１）、１．
６ｍｍ（ｎ＝２）である。すなわち、移動格子１１を透
過した光の強度分布が移動格子１１の本来の光透過強度
分布に比例する位置がＬである。そこで、固定格子１３
を移動格子１１の後方Ｌの位置に置けば、コントラスト
のよいモアレ縞を作成できる。

【００２２】図２にモアレ縞の例を示す。モアレ縞のパ
ターン２０は移動格子１１と固定格子１３の格子ピッチ
の差に応じた周期をもつ。二つのピッチＰ₁、Ｐ₂の関係
を、Ｐ₁＝Ｐ₂（１＋ε）で表す。ここでεは１より小さ
い微小な値で、ピッチの比に相当する。このとき生じる
モアレ縞の１周期の長さは〜Ｐ₁／εであり、モアレ縞
の周期がもとの格子ピッチの１／εに拡大される。した
がって、二つの格子ピッチの差が小さいときはモアレ縞
の周期は長く、ピッチ差が大きくなるとモアレ縞の周期
は短くなる。図２の例はε＝０．１の場合で、モアレ縞
の二周期分を示しており、モアレ縞の一周期は点２１と
２２の間の距離に相当する。モアレ縞は格子パターンが
形成される方向に形成され、黒のパターンと白のパター
ンが交互に現れ、そのパターン幅がそれぞれ周期的に変
化する形状である。

【００２３】モアレ縞で特徴的なことは、本来の黒の格
子パターンの幅よりも広い幅を持った黒パターン領域２
３が現れることで、その黒パターンの近傍に幅の狭い白
パターン２４が生じる。後述するモアレ縞の位置計測に
おいて、この最小幅の白パターン２４をモアレ縞の基準
位置とし、この基準位置を検出する。移動格子１１が移
動すると固定格子１３との位置関係が変わってモアレ縞
が図の左右方向に移動する。移動格子１１が１ピッチだ
け移動すればモアレ縞の一周期分の長さがシフトし、Ｐ
₁／εだけ移動する。すなわち、ε＝０．１の場合は移
動格子１１の微小な動きが１０倍に拡大される。例え
ば、二つの格子パターンの１ピッチ長が２０μｍ、２２
μｍのとき、モアレ縞の一周期は〜２００μｍで、格子
が２０μｍ移動すれば、モアレ縞は〜２００μｍ移動す
る。したがって、モアレ縞の１μｍの移動を検出すれ
ば、格子の０．１μｍの移動が検出できる。

【００２４】図３に本発明のモアレ縞を用いた寸法測定
装置の構成ブロック図を示す。照明用光源３０は発光ダ
イオードなどから構成され、コリメートレンズ３１を介
して移動光学スケール１０を照明する。移動光学スケー
ル１０は図１（ａ）に示した移動格子１１と移動方向判
定格子１２が別々の位置に形成されたもので、図示して
いないが触針の動きに応じて移動する。移動格子１１を
透過した光は固定格子１３に入射する。なお、固定格子
１３は移動格子１１の後方のフーリエイメージ条件が成
り立つ位置に固定して設置する。移動方向判定格子１２
を透過した光は固定格子１３には入射せず、直接に第１
の受光器３２で検出する。移動格子１１と固定格子１３
を透過した光は第２の受光器３３で検出する。移動光学
スケール１０が移動しているときは、第１の受光器３２
で透過光を検出して第１の光強度信号３２０を出力す
る。移動光学スケール１０が停止しているときは、第２
の受光器３３でモアレ縞を検出してその強度パターンを
表す第２の光強度信号３３０を出力する。

【００２５】移動光学スケール１０が移動中は、その移
動する方向を移動方向判定部３４で検出する。移動方向
判定格子１２を透過した光強度は格子の光透過強度分布
に応じて変化する。移動方向判定格子１２は図１（ａ）
に示したように非対称な強度分布を持つため、格子の移
動に応じて第１の光強度信号３２０が非対称に変化す
る。その信号の非対称性が現れる方向から移動方向を判
定する。移動光学スケール１０が移動中は、さらに移動
格子カウント部３５により移動方向判定格子１２の移動
格子数Ｎをカウントし、信号３５０でカウント数Ｎを出
力する。このＮにより、移動方向判定格子１２の格子の
１ピッチの長さを単位とした整数倍の長さである移動距
離ＮＰ₁が求められる。

【００２６】移動方向の判定と移動格子数のカウントは
一つの光強度信号３２０だけで行えるため、第１の受光
器３２は単一の受光面をもつ構成でよい。一般には、照
明用光源３０は広がりをもち、第１の受光器３２も広い
面積を有するため、移動方向判定格子１２を透過して受
光される光には多くの格子からの光透過強度が含まれて
いる。そこで、受光器３２の直前にある特定の１つの格
子からの光透過強度だけを選択的に検出するために、受
光面にスリットを張り付け、そのスリットを通して光強
度を検出する。このときのスリット幅は移動方向判定格
子１２の格子ピッチの半分程度の幅からの光強度を検出
できる幅に設定する。このように、スリットによるマス
キング効果を利用し、測定対象でない格子からの光強度
を検出しない構成とし、移動方向の判定と移動格子数の
カウントの精度を向上させる。

【００２７】前述の動作を説明するために、図４に移動
方向判定格子１２が移動するときに検出される光強度信
号の例を示す。波形４１は第１の受光器３２で検出され
る光強度信号である。光強度が低い領域４２は黒のパタ
ーン部を透過した光による。光強度が高い領域４３は白
のパターン部を透過した光による。波形４１は光強度が
低い領域の幅が右側方向に、大→中→小→大→中→の方
向に変化する。この場合は移動方向判定格子１２が左側
に移動していると判定する。逆に右側に移動すれば、大
→小→中→大→小→の方向に変化する。この変化の仕方
から移動方向を判定する。図４の波形４４は光強度信号
がＨレベルからＬレベルに変化するときにパルスを発生
する回路により得た波形で、移動方向判定格子１２の移
動する格子の個数をカウントする。なお、測定の開始位
置４５と最初のパルス４６との間の距離Ｌａと、測定の
終了位置４７と最後のパルス４８との間の距離Ｌｂはと
もに格子１ピッチ幅以下の距離であるため、Ｌａ、Ｌｂ
は後述するモアレ縞から検出する。

【００２８】次に、図３を用いて移動光学スケール１０
が停止しているときの測定動作を説明する。寸法測定に
おいては移動格子１１のパターンピッチが測定の基準目
盛りである。高精度で寸法を測定するためには基準目盛
りの間を細かく分割し、格子ピッチの幅以下の位置検出
精度で格子の停止位置を検出する必要がある。この分割
精度で全体の測定精度が決定される。モアレ縞位置検出
部３６は、測定開始時と測定終了時の２回にわたって、
移動格子１１が停止しているときの格子位置をモアレ縞
から検出する。移動格子１１が１ピッチ以内の距離を移
動したとき、モアレ縞が１周期以内の長さだけシフト
し、モアレ縞の位置が変化する。そこで、モアレ縞の基
準位置を設定しておき、その基準位置がどのように変化
したかを測定することで、移動格子１１の１ピッチ以下
の格子移動を検出する。モアレ縞の基準位置として、図
２に示した幅の広い黒のパターンの間にある最小幅の白
パターン２４の位置を採用する。

【００２９】第２の受光器３３はラインセンサーなどの
多分割受光面からなり、一定の倍率で拡大したモアレ縞
を検出する。モアレ縞を発生させる移動格子１１と固定
格子１３の格子ピッチが２０μｍ、２２μｍのとき、固
定格子１３の直後の位置でのモアレ縞の一周期は〜２０
０μｍである。このモアレ縞を、固定格子１３と第２の
受光器３３との間にレンズを置いて、ラインセンサーの
検出面の幅に合わせた倍率までに拡大してモアレ縞の強
度分布を測定し、モアレ縞の基準位置を検出する。この
とき、ラインセンサーの中央部の画素位置を検出基準点
とし、モアレ縞の基準位置との差の画素数から格子停止
位置を検出する。測定開始時に検出した格子位置情報を
信号３６０で出力し、測定終了時に検出した格子位置情
報を信号３６５で出力する。なお、測定分解能について
は、例えばラインセンサーの画素が５１２の素子を用
い、モアレ縞の一周期を１ピクセルの精度で検出した場
合、２０／５１２≒０．０４μｍの分解能で格子位置が
検出できる。

【００３０】寸法算出部３７は、移動格子カウント部３
５から出力される格子移動距離情報信号３５０と、モア
レ縞位置検出部３６から出力される格子位置情報信号３
６０及び３６５から測定すべき寸法を算出する。モアレ
縞位置検出部３６で検出された格子位置情報は格子位置
の絶対位置を検出しているのではなく、相対位置の検出
である。そこで、寸法が予め既知の試料を用いて、信号
３６０と３６５で検出した格子位置情報と実際の寸法の
相関を測定して変換係数を算出しておき、その変換係数
を用いて実際の寸法値を算出する。以上述べた構成によ
り、簡素な構成でサブミクロン精度をもった寸法測定装
置が実現できる。

【００３１】

【発明の効果】上記のごとく本発明によるモアレ縞を用
いた寸法測定装置は、格子ピッチの異なる移動格子と固
定格子、及び移動格子と同じ格子ピッチを有して強度分
布の異なる移動方向判定格子の３つの格子を用いた構成
である。移動方向判定格子は格子が形成される方向に非
対称な強度分布をもたせたことにより、光強度信号の変
化が非対称となって直接に移動方向の判定ができる。そ
のため、光強度を単一の受光面からなる受光器で検出す
ることができ、一つの光強度信号を出力するだけでよ
い。その結果、移動方向の判定のための受光器と判定回
路の構成が簡素化されると共に、受光器位置設定の調整
も簡素化できる。

【００３２】本発明では格子が移動中と停止中では測定
モードを変える。格子が移動中は第１の受光器による光
強度のみを検出する。この検出は高速で行われるため、
格子の移動が高速でも十分に追従でき、高速な測定が可
能になって測定の信頼性が向上する。また、格子が停止
中は第２の受光器でモアレ縞を計測する。この計測をラ
インセンサーで行えば、モアレ縞の１周期を５００程度
に分割できるため、格子の１ピッチの１／５００程度の
分解能で格子位置が検出でき、サブミクロン精度での寸
法測定が可能である。また、モアレ縞の計測は測定開始
前と後の２回だけでよいため、全体としては測定の高速
化が計れる。

【００３３】以上のモアレ縞は格子ピッチがわずかに異
なる二つの格子を互いに平行に設置すれば得られる。そ
のため、従来のモアレ縞作成のように一方の格子を数度
という微小な角度に傾けて設定する必要がなく、格子設
定が簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による格子の光透過強度パターンを説明
する図である。

【図２】本発明による格子によって得られるモアレ縞の
パターンを示す図である。

【図３】本発明によるモアレ縞を用いた寸法測定装置の
構成を示すブロック図である。

【図４】正弦波の強度を説明する図である。

【図５】従来のモアレ縞の発生を説明する図である。

【図６】従来のモアレ縞を用いた寸法測定装置の構成を
示す図である。

【符号の説明】

１０ 移動光学スケール １１ 移動格子 １２ 移動方向判定格子 １３ 固定格子 ２０ モアレ縞 ３２ 第１の受光器 ３３ 第２の受光器 ３４ 移動方向判定部 ３５ 移動格子カウント部 ３６ モアレ縞位置検出部 ３７ 寸法算出部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触針と共に移動する第１の格子ピッチを
   有する移動格子と前記第１の格子ピッチとは異なる第２
   の格子ピッチを有する固定格子を有し、該固定格子を前
   記移動格子の近傍に固定して設置して前記移動格子と固
   定格子を光源からの光で照明し、発生するモアレ縞を検
   出して寸法を測定するモアレ縞を用いた寸法測定装置で
   あって、 前記移動格子と、前記第１の格子ピッチと同じピッチを
   有して前記移動格子とは異なる強度分布を有する移動方
   向判定格子とから構成され、光源から光を照射される移
   動光学スケールと、 該移動光学スケールが移動しているときに前記移動方向
   判定格子を透過した光を検出する第１の受光器と、該第
   １の受光器で検出された第１の光強度信号から前記移動
   方向判定格子の移動方向を検出する移動方向判定部と、
   前記移動方向判定格子の移動によって生じる前記第１の
   光強度信号のパルス数を検出する移動格子カウント部
   と、 前記移動光学スケールが停止しているときに前記移動格
   子と前記固定格子を透過した光により形成されるモアレ
   縞を検出する第２の受光器と、該第２の受光器で検出さ
   れた第２の光強度信号から前記移動格子の移動の前後に
   ついてモアレ縞の予め設定された位置を検出するモアレ
   縞位置検出部と、 前記移動格子カウント部で検出した前記移動方向判定格
   子の移動格子数に対応する格子移動距離情報と前記モア
   レ縞位置検出部で検出した前記移動格子の移動前後にお
   ける格子の位置情報とから測定する寸法値を算出する寸
   法算出部とを備え、前記移動方向判定格子と移動格子の
   移動によって生じる光強度変化とモアレ縞の移動とから
   寸法を測定することを特徴とするモアレ縞を用いた寸法
   測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の移動方向判定格子にお
   いて、該格子を構成する光透過率の低い黒のパターン幅
   と光透過率の高い白のパターン幅の比率を少なくとも３
   種類の比率に設定するとともに、該比率に応じて黒のパ
   ターン幅を広い幅から狭い幅まで順次同じ方向に変化さ
   せ、該パターン幅の変化を一つの単位として周期的に繰
   り返した構成とし、格子が形成された方向に関して非対
   称な強度パターンとすることを特徴とするモアレ縞を用
   いた寸法測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の第１の受光器は単一の
   受光面を有し、該受光面は前記移動方向判定格子の第１
   の格子ピッチのほぼ半分の幅の格子部分からの光強度を
   検出するためのスリットを有し、該スリットを透過した
   前記移動方向判定格子からの光強度を検出して単一の前
   記第１の光強度信号を出力するように構成したことを特
   徴とするモアレ縞を用いた寸法測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の第２の受光器は多分割
   された複数の受光面を有するラインセンサーであって、
   モアレ縞の強度分布を検出して第２の光強度信号を出力
   するように構成したことを特徴とするモアレ縞を用いた
   寸法測定装置。