JP2006112872A - Compact angle sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光学式の角度センサに関するものである。 The present invention relates to an optical angle sensor.
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。 As the use of optical machines expands, the opportunity to require high-precision mirror surfaces of various shapes such as spherical surfaces, aspheric surfaces, cylinders and large flat surfaces is increasing. Large special optical elements used for X-ray optics, astronomical observation, etc. are large in the order of several hundreds of millimeters to meters, and high shape accuracy of 10 nm to submicron order is required. In recent years, semiconductor wafers and liquid crystal substrates have been increased in size and accuracy. In addition to high measurement accuracy, these shape measurements require measurement in a short time.
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。 Conventionally, the light wave interferometry of the surface measurement method has been used as a method of measuring the processed surface shape. This method has the advantage that the entire surface can be measured at once, but measurement may not be possible depending on the shape of the measurement sample, and it is very difficult to manufacture an interferometer with a diameter of 300 mm or more and to guarantee its accuracy. is there. On the other hand, the scanning method of measuring the shape by scanning the sensor has the advantage that it can flexibly cope with the enlargement and diversification of the shape to be measured, except for the problem of guidance accuracy. Furthermore, the possibility of on-machine measurement on machine tools can be expected.
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。 When an angle sensor is used for the scanning method, the local slope (local slope), which is a derivative of the shape, is measured by scanning the sensor or the measurement sample, and the shape is restored by integration. At this time, if an error is included in the output of the angle sensor, the error is accumulated by integration, and the shape cannot be obtained correctly. Therefore, high measurement accuracy is required for the angle sensor. In addition, the sensor needs to be small for scanning. An autocollimator is an example of an angle sensor that is currently widely used. Although the autocollimator has high measurement accuracy, the diameter of the light beam is as large as several tens of millimeters because it measures the tilt of the entire plane, not the local tilt. Also, since a CCD element is used, the response is slow and large, so it is not suitable for measurement by the scanning method.
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。 On the other hand, precision stages are frequently used in ultra-precision processing machines, semiconductor manufacturing / inspection equipment, precision measuring machines, office automation equipment, and the like. Since the movement error of these precision stages has a great influence on the performance of the machine, measurement of the movement error is important. Of the movement errors, positioning errors in the moving direction are measured by an interferometer or linear encoder. Moreover, the translation error (straightness) in the direction orthogonal to the movement error is measured based on a straight ruler. However, at present, the angle error around each axis (XYZ axis) is hardly measured. Conventional autocollimators are slow in response and cannot be used to measure dynamic angular errors. Furthermore, it is desirable that the sensor be as small as possible due to constraints on the work space and incorporation into the machine.
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。 Under such circumstances, the present invention proposes a highly sensitive, highly accurate and compact angle sensor.
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。 The angle sensor of the present invention uses an autocollimation method. The principle is shown in FIG. For simplification, FIG. 1 shows an example of detecting the rotation angle around the X axis.
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ΔθX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,ΔθX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,θX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θX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ΔθXとY軸回りの回転角ΔθYを同時に検出することができる。 Here, a change in incident angle can be replaced with a change in distance. The value of d Y depends on the angle of incidence, the beam if theta X is constant is imaged on the same point on always the focal plane be incident anywhere in the objective lens. By using a detector (light spot position detector) that can detect the change in position of the light spot in the Y direction, it is possible to detect the angle θ X around the X axis by detecting the change in d Y. is there. The position d Y in the Y direction and the X direction of the light spot, by using a detector capable of detecting simultaneously d X, is possible to detect the rotation angle [Delta] [theta] X and Y-axis rotation angle [Delta] [theta] Y around the X-axis at the same time it can.
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。 As can be seen from FIG. 1, in the angle sensor based on the autocollimation method, the angle detection sensitivity / resolution is proportional to the position detection sensitivity / resolution of the detector that detects the position of the light spot and the focal length f of the objective lens. When a CCD element is used as a detector, the position detection resolution of the CCD element is about the same as the size of the CCD pixel. Because of the manufacturing principle, the pixel size of the CCD element is limited to the order of microns, so the position detection resolution is low. Therefore, in order to realize a highly sensitive and high resolution angle sensor, it is necessary to increase the focal length. However, if a lens with a long focal length is used, the sensor becomes large. In order to realize a highly sensitive and compact sensor, it is necessary to use a lens with a short focal length. For this purpose, it is necessary to use a light receiving element with high light spot position detection sensitivity.
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。 Therefore, the present invention proposes a method using an optical position detection element PSD (non-divided type) and a divided type PD, which can achieve high sensitivity even when using a lens with a short focal length. In addition, in the optical system of the angle sensor, a compact optical system has been devised that replaces two lenses with a single lens: a collimating lens for collimating the point light source and an objective lens for an autocollimation unit.
本発明の実施例を以下に説明する。 Examples of the present invention will be described below.
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次元半導体位置検出素子(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LPし,それによって検出される光スポットの2次元位置をdX,dYとすると,dX,dYはPSDの光電流出力IX1, IX2, IY1, IY2によって計算される。2次元PSDのX,Y出力xout_PSD,yout_PSDから次のように求めることができる。
FIG. 2 shows the principle of a two-dimensional semiconductor position detecting element (PSD). PSD is a non-divided element, has excellent linearity, and can continuously detect a two-dimensional position of the center of gravity of a spot in the XY direction with one element. There is also a feature that is not affected by the light intensity distribution. The width of the light receiving surface of the two-dimensional PSD XY directions together To L P, when the two-dimensional position of the light spot detected thereby d X, and d Y, d X, d Y is PSD optical current output I X1 , I X2 , I Y1 , I Y2 . From the two-dimensional PSD X, Y output x out_PSD , y out_PSD, it can be obtained as follows.
以上の式から分かるように,xout_PSD/ dX 及びxout_PSD/θY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θY (or θX)に対応するPSD上のスポット移動量dX (or dY)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。 As can be seen from the above equations, the PSD position detection sensitivity defined by x out_PSD / d X and x out_PSD / θ Y is mainly determined by the width of the light receiving surface. Since the position detection sensitivity is inversely proportional to the width of the light receiving surface, a shorter light receiving surface width is more advantageous for higher sensitivity. In other words, the angle sensor can be made highly sensitive by reducing the PSD light receiving surface width. In addition, it is necessary to determine the PSD's light-receiving surface width from the required sensor resolution and sensitivity. For example, when the focal length of the objective lens is 40 mm, the spot movement amount d X (or d Y ) on the PSD corresponding to the inclination θ Y (or θ X ) of the sample surface of 0.01 seconds is 4 nm. If the required angular resolution of the sensor is 0.01 seconds and the dynamic range of the sensor (ratio of the measurement range to the resolution) is 10,000, the required light-receiving surface width is up to about 40 μm. Although the figure shows a two-dimensional PSD, the same can be said for a one-dimensional PSD.
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。
Next, a description will be given of the enhancement of sensitivity when a split PD is used.
FIG. 3 shows the principle of the quadrant PD that detects the light spot position. The quadrant PD can detect the beam spot position by measuring the current from each element in proportion to the home of the beam when the beam is incident on each light receiving element.
ここで,各素子A,B,C,Dからの出力をそれぞれIA,IB,IC,IDとし,X方向出力Xout_PDおよびY方向出力YOUT_PDをそれぞれ次のように定義する。
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。 The spot needs to be incident on all the elements of the quadrant PD. Since the element is sufficiently larger than the spot size, the measurement range is determined by the spot size.
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dX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dXだけ変位している。dX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
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
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。 In other words, sensitivity does not depend on the focal length. It can be seen that this depends only on the wavelength of the light incident on the objective lens and the incident beam diameter. That is, the angle sensor can be made highly sensitive by shortening the wavelength of light to be used and increasing the incident beam diameter of the objective lens. This makes it possible to select a lens without worrying about a decrease in sensitivity due to the focal length.
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。
The downsizing of the angle sensor will be described.
First, FIG. 6 shows a layout example of the optical system of the conventional two-dimensional angle sensor. A linear P-polarized light beam emitted from a point light source such as a laser diode (LD) is collimated by a collimating lens, and passes through a polarizing beam splitter (PBS) and a quarter-wave plate (1 / 4λ) to be circularly polarized. The measurement sample is irradiated. The reflected light with the angle information of the sample surface passes through the quarter-wave plate again, and the polarization state changes to S-polarized light. The light is reflected by the polarization beam splitter, and then enters an autocollimation unit comprising an objective lens and a light spot position detecting element placed at the focal plane position. The angle of the sample surface can be obtained by measuring the displacement of the light spot with the light spot position detecting element. As the light spot position detecting element here, PSD, split type PD, CCD element, CMOS element or the like is used.
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。 FIG. 7 shows an optical system capable of realizing a small angle sensor. In order to achieve a compact design, the collimating lens for collimating the light from the point light source and the objective lens for the auto-collimation unit are performed by a single lens. Up to now, two required lenses can be combined into a single lens, so the number of parts can be reduced and the overall size can be reduced. In this optical system, the linear P-polarized light beam emitted from a point light source such as a laser diode (LD) is converted into parallel light by a lens, passes through a polarization beam splitter and a quarter-wave plate, and becomes circularly polarized light. The sample is irradiated. Reflected light with the angle information of the sample surface enters the same lens again, passes through the quarter-wave plate, and becomes S-polarized light. The light is reflected by the polarization beam splitter and focused on the light spot position detecting element placed at the focal plane position of the lens. The angle of the sample surface can be obtained by measuring the displacement of the light spot with the light spot position detecting element. As the light spot position detection element here, a PSD, a split type PD, a CCD element, or a CMOS area sensor CMOS area sensor (for example, profile sensor S9132 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) is used.
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。
At this time, if the length of one side of the PBS is L, the thickness of the 1 / 4λ plate is T1, the thickness of the lens is T2, and the focal length of the lens is f, the lens is not focused in PBS. ,
f ≧ L + T1 + T2 / 2
Must. Since T1> 0 and T2> 0,
f> L
Must. Also, if the diameter of the light beam collimated by the lens is D, and the divergence angle of the light emitted from the LD is φ,
D = 2 · f · tanφ
It becomes. In order that the light emitted from the LD does not leak to the side of the PBS, L ≧ D
Must. Therefore, if f, L, and φ are design parameters,
f> L ≧ 2 · f · tanφ
It is necessary to satisfy the relationship.
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。 Based on the optical system shown in FIG. 7, as shown in FIG. 8, when the LD, PBS, 1 / 4λ plate, and lens are directly arranged on the semiconductor silicon substrate on which the light spot position detecting element is built, , The sensor can be realized in a compact manner.
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。 As shown in FIGS. 9 and 10, by reducing the size of PBS, a lens having a short focal length can be used, and a small sensor can be realized.
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。 According to the present invention, an optical angle sensor capable of measuring with a small size and high accuracy can be constructed at low cost. In addition to using the angle sensor alone, the angle of the stage can be incorporated into a stage of various measuring instruments, machine tools, OA equipment, etc. It is possible to measure the movement error in real time and correct the error.
100 点光源
101 レーザーダイオード
102 LDケース
110 コリメートレンズ
120 PBS(偏光ビームスプリッタ)
130 1/4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
100 point
130 1/4 wavelength plate 140 Sample surface 150 Objective lens 160 Light spot position detection element 170 Collimator / Objective lens 180 Spacer 200 Light beam 300 Silicon substrate
Claims (2)
2. The optical angle sensor according to claim 1, wherein the divergence angle of the diffused light is φ, the length of one side of the polarizing beam splitter is L, and the focal length of the lens serving as the collimating lens and the objective lens is f. An optical angle sensor satisfying the relationship of ≧ 2 · f · tanφ.
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Cited By (3)
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CN100451557C (en) * | 2006-07-07 | 2009-01-14 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | A semi-circle absolute type polarization angle sensor |
JP2010534824A (en) * | 2007-07-19 | 2010-11-11 | ウォーター リソーシズ エンジニアリング コーポレーション | 3D geographic information acquisition device for underground pipes |
CN114252028A (en) * | 2022-01-12 | 2022-03-29 | 内蒙古工业大学 | Compact four-light-spot two-dimensional corner detection device combined with laser triangulation method |
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2004
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