JP2011106920A - Rotation/inclination measuring device and method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】物体に簡便で小型な反射センサーを取り付け、回転・傾斜を精密にリモート計測する方法を提供する。
【解決手段】リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける反射センサーと、該反射センサーに円偏光を照射する光源装置から成り、且つ、該円偏光の照射角度範囲の設定によって、該反射センサーで所定の範囲の入射角度分布で正反射せしめ、その正反射せしめることで、該正反射光束を偏光反射の既知の入射角依存性に従う所定の空間分布の発散する楕円偏光光束を成さしめ、その楕円偏光光束を検出して、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円から該反射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測する。
【選択図】図３Provided is a method for remote measurement of rotation and inclination precisely by attaching a simple and small reflection sensor to an object.
A polarization detector installed and fixed in a remote observation direction, a reflection sensor attached to an object, and a light source device for irradiating the reflection sensor with circularly polarized light, and by setting an irradiation angle range of the circularly polarized light. The reflection sensor regularly reflects the incident angle distribution within a predetermined range, and reflects the specularly reflected light beam to a divergent elliptically polarized light beam having a predetermined spatial distribution according to the known incident angle dependence of polarization reflection. Then, the elliptically polarized light beam is detected, and the rotation angle θ around the remote observation optical axis of the reflection sensor and the tilt angle φ formed by the observation optical axis are measured from the polarization ellipse of the light component toward the remote observation direction.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、回転・傾斜計測装置および方法に関し、特にリモート回転センサー、リモート傾斜センサー、アライメントスコープなどに好適な、回転・傾斜計測装置およびその計測方法に関する。 The present invention relates to a rotation / tilt measurement device and method, and more particularly to a rotation / tilt measurement device and a measurement method thereof suitable for a remote rotation sensor, a remote tilt sensor, an alignment scope, and the like.
従来技術による回転角の計測は、専ら磁気目盛りや光学目盛りを読み取る機械式エンコーダによるために、リモート計測には向かない。光学的に物体の傾斜角を計測する方法としては、各種の干渉計測法、モアレトポグラフィーなどの縞投影法、光てこ法などが広く実用化されている。これらの光計測法では、基本的に距離の計測によって三角測量法で傾斜角を算出する。 The rotation angle measurement according to the prior art is not suitable for remote measurement because it is mainly based on a mechanical encoder that reads a magnetic scale or an optical scale. As methods for optically measuring the tilt angle of an object, various interference measurement methods, fringe projection methods such as moire topography, and an optical lever method have been widely put into practical use. In these optical measurement methods, the inclination angle is basically calculated by the triangulation method by measuring the distance.
一方、発明者は、偏光を利用した形状・傾斜の精密計測法として、エリプソメーター技術を利用し、試料の光学特性を既知として、試料面法線の幾何学的な方位を未知とする新たな発明を完成した〔特許文献１: 特願2008-211895、非特許文献１: 「正反射による物
体表面の傾斜エリプソメトリー−精密実時間形状計測への基本概念−」、光学、Vol.38、No.4 (2009) pp.204-212、特許文献６: 国際特許出願PCT/JP2009/003995〕。
On the other hand, the inventor uses an ellipsometer technology as a precise shape / tilt measurement method using polarized light to make the optical characteristics of the sample known and to make the geometric orientation of the sample surface normal unknown. Completed the invention [Patent Document 1: Japanese Patent Application No. 2008-211895, Non-Patent Document 1: “Inclined ellipsometry of object surface by specular reflection-Basic concept for precise real-time shape measurement-”, Optics, Vol.38, No .4 (2009) pp.204-212, Patent Document 6: International Patent Application PCT / JP2009 / 003995].
従来技術のエリプソメトリーは、直線偏光をプローブとして平面試料に斜め入射し、反射の偏光状態の変化から試料の光学的性質や薄膜の厚さを精密計測する。このエリプソメトリー分野では、偏光反射特性の入射角依存性を精密計測に利用する主入射角法〔非特許文献２: 「偏光測定と偏光解析法」、光工学ハンドブック、朝倉書店1986、 pp. 411-427〕が知られているが、試料の光学特性を計測するという標準的な目的の手法であり、計測対象は平面試料に限定されている。 Conventional ellipsometry obliquely enters a planar sample using linearly polarized light as a probe, and precisely measures the optical properties of the sample and the thickness of the thin film from changes in the polarization state of reflection. In this ellipsometry field, the main incident angle method using the incident angle dependence of polarization reflection characteristics for precise measurement [Non-Patent Document 2: "Polarization measurement and ellipsometry", Optical Engineering Handbook, Asakura Shoten 1986, pp. 411 -427] is known, but it is a standard purpose technique of measuring the optical characteristics of a sample, and the object to be measured is limited to a flat sample.
発明者は、主入射角法に基づく偏光解析法の発明〔特許文献２:特公昭52-46825号公報
、特許文献３:特公昭60-41732号公報、特許文献４:特公平2-16458号公報〕と応用を通し
て、反射の偏光状態の入射角依存性に関する光学特性を熟知している。この知見をもとに、逆転の発想で、上記の新たな形状・傾斜計測技術の発明を完成した。
The inventors have invented ellipsometry based on the main incident angle method [Patent Document 2: Japanese Patent Publication No. 52-46825, Patent Document 3: Japanese Patent Publication No. 60-41732, Patent Document 4: Japanese Patent Publication No. 2-16458. Through the application, the optical characteristics relating to the incident angle dependence of the polarization state of reflection are well known. Based on this knowledge, the invention of the above new shape / tilt measurement technique was completed with the idea of reversal.
この形状・傾斜計測法開発研究の過程で、計測精度は、計測対象物体の表面の粗さの増大とともに低下することを明らかにした。また、反射面として、理想的に平滑な面を用いれば、傾斜角度の計測精度は0.1°を一桁から二桁改善できることも見出せた。 In the course of research and development of this shape / tilt measurement method, it was clarified that the measurement accuracy decreases as the surface roughness of the object to be measured increases. It was also found that if an ideally smooth surface is used as the reflective surface, the measurement accuracy of the tilt angle can be improved by 0.1 to 2 digits from 0.1 °.
さらに、新たな高密度光記録方式の技術領域では、記録ピットを直角プリズム型の２回反射で構成すれば、円偏光照明の往復光路型で観測光軸周りの回転角を多値化できることを見出した〔特許文献５: 特開2009−099192号公報（特願2007-269457)〕。直角プリズムの２回反射で角度分解能を評価した実験例〔非特許文献４: Toshihide Tsuru, Masaki Yamamoto： “Multi-bits coding by multi-directional valley pits permitting stamper
mass-production and remote direction readout by polarization reflection”, Optics Express 16, pp.9622-9627 (2008)〕を次に示す。
Furthermore, in the technical area of the new high-density optical recording system, if the recording pit is constituted by a right-angle prism type double reflection, the rotation angle around the observation optical axis can be multivalued with a circularly polarized illumination reciprocating optical path type. [Patent Document 5: Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-099192 (Japanese Patent Application No. 2007-269457)]. Example of evaluating angular resolution by reflection of a right-angle prism twice [Non-Patent Document 4: Toshihide Tsuru, Masaki Yamamoto: “Multi-bits coding by multi-directional valley pits permitting stamper
mass-production and remote direction readout by polarization reflection ”, Optics Express 16, pp.9622-9627 (2008)].
実験装置の構成を図１に示す。図１において、Ｄは検出器（ディテクター）で、Ａは回転検光子（回転式アナライザー）で、Ｐは偏光子（ポラライザー）で、ＱＷＰは1/4波長
板(quarter-wave plate)で、ＢＳはビームスプリッター(beam splitter)で、Ｓは直角プ
リズムサンプル（測定対象試料）であり、本例ではＶ字形状のピット（記録ピット）を想定している。上記実験装置を使用し、円偏光を落射照明で稜辺5mm角の直角プリズムの斜
面に垂直入射し、反射偏光の楕円形状を回転検光子法で検知した。円偏光入射時の直角プリズム反射光の偏光楕円実測値を図２に示す。図２において、余弦信号の振幅比が楕円率角を示し、位相が楕円長軸方位角を示す。図２に示すように、検光子方位角変化による強度変化はプリズムの向きで系統的に位相が変化し、楕円の方位角としてプリズム回転角を精度±0.14°で読み出せた。このプリズム実験の0.14°は、半周180度を1285分割し、2進10桁の1024を超える多値化に相当する。
The configuration of the experimental apparatus is shown in FIG. 1. In FIG. 1, D is a detector (detector), A is a rotating analyzer (rotating analyzer), P is a polarizer (polarizer), QWP is a quarter-wave plate, BS Is a beam splitter, S is a right-angle prism sample (sample to be measured), and a V-shaped pit (recording pit) is assumed in this example. Using the above experimental apparatus, circularly polarized light was incident perpendicularly on the slope of a right-angle prism with a 5 mm square edge by epi-illumination, and the elliptical shape of the reflected polarized light was detected by the rotation analyzer method. FIG. 2 shows measured values of the polarization ellipse of the right-angle prism reflected light when circularly polarized light is incident. In FIG. 2, the amplitude ratio of the cosine signal indicates the ellipticity angle, and the phase indicates the elliptical long axis azimuth angle. As shown in FIG. 2, the phase of the intensity change due to the change in the azimuth angle of the analyzer systematically changes depending on the orientation of the prism, and the prism rotation angle can be read with an accuracy of ± 0.14 ° as the azimuth angle of the ellipse. In this prism experiment, 0.14 ° corresponds to a multi-value conversion that exceeds 1024 in binary 10 digits by dividing 1285 of the half circumference by 1285.
従来技術による回転角の計測は、専ら磁気目盛りや光学目盛りを読み取る機械式エンコーダによるために、リモート計測には向かない。また、物体の傾斜角を光学的に計測する方法として知られる従来法としては、各種の干渉計測法、モアレトポグラフィーなどの縞投影法、光てこ法などがあるが、これらの光計測法では、基本的に距離の計測によって三角測量法で傾斜角を算出することから、精密にリモート計測するのはできない。したがって、従来、様々な対象の回転・傾斜を精密計測することはできなかった。 The rotation angle measurement according to the prior art is not suitable for remote measurement because it is mainly based on a mechanical encoder that reads a magnetic scale or an optical scale. In addition, conventional methods known as methods for optically measuring the tilt angle of an object include various interference measurement methods, fringe projection methods such as moire topography, and an optical lever method. Basically, since the tilt angle is calculated by the triangulation method by measuring the distance, precise remote measurement is not possible. Therefore, conventionally, it has been impossible to accurately measure the rotation and tilt of various objects.
発明者は、様々な対象の回転・傾斜を精密にリモート計測することを目的に研究を行いい、その結果、上記高精度方位角検知特性に基づき、円偏光照明装置の構成と反射鏡面の構成に工夫を重ねることで、従来に無い、回転・傾斜に特化した計測装置および方法を編み出した。即ち、物体に簡便で小型な反射センサーを取り付け、回転・傾斜を精密にリモート計測する本発明の構成を完成した。 The inventor conducted research to precisely measure the rotation and tilt of various objects, and as a result, based on the high-precision azimuth detection characteristics, the configuration of the circularly polarized illumination device and the configuration of the reflecting mirror surface As a result, we have devised a measuring device and method specialized in rotation and tilting, which has never existed before. That is, a simple and small reflection sensor is attached to an object, and the configuration of the present invention for precisely measuring the rotation and inclination remotely is completed.
本発明では、次のものが提供できる。
〔１〕 物体の回転・傾斜をリモート計測する回転・傾斜計測装置であって、当該回転・傾斜計測装置は、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける偏光放射センサーから成り、該放射センサーで所定の空間分布の既知の楕円偏光状態で発散する光束を成さしめ、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円を検出して、該放射
センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする回転・傾斜計測装置。
〔２〕 物体の回転・傾斜をリモート計測する回転・傾斜計測装置であって、当該回転・傾斜計測装置は、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける反射センサーと、該反射センサーに円偏光を照射する光源装置から成り、該円偏光の照射角度範囲の設定によって、該反射センサーで所定の範囲の入射角度分布で正反射せしめ、その正反射せしめることで、該正反射光束を偏光反射の既知の入射角依存性に従う所定の空間分布の発散する楕円偏光光束を成さしめ、その楕円偏光光束を検出して、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円から該反射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする回転・傾斜計測装置。
〔３〕 物体に取り付ける反射センサーは、平面または曲面の反射センサーで、該反射センサーが光源装置から照射する光束の中心光軸を成す光線の正反射光線を観測方向に実質的に一致させる角度調節機構を備えるものであることを特徴とする上記〔２〕に記載の回転・傾斜計測装置。
〔４〕 観測方向に設置固定された偏光検知器が、観測光学系を介して偏光画像を検知できる機能を有し、物体の任意箇所に任意の個数取り付けた反射センサーからの正反射光線を一括結像して偏光検出できるものであることを特徴とする上記〔２〕又は〔３〕に記載の回転・傾斜計測装置。
〔５〕 円偏光を照射する光源装置が、光源、照射光学系、円偏光子を、光源−照射光学系−円偏光子の順に備えるものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔４〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔６〕 光源装置が、実質的に偏光能99%以上の円偏光光束群を反射センサーに照射でき
るものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔５〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔７〕 反射センサーの角度調節機構が、実質的に反射面の中心点を空間的に動かさない回転・傾斜機構から成るものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔６〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔８〕 反射センサーの角度調節機構が、直交２軸の回転機構を有し、円偏光を照射する光源装置の光軸が、該直交２軸のいずれか一方と一致する構造、または、該直交２軸と直交する構造のものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔７〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔９〕 反射センサーの反射面が、表面鏡、裏面鏡、全反射プリズム、反射面を塗鏡したプリズム、半球ガラス、反射面を塗鏡した半球ガラスのいずれかで構成されるもので、反射楕円の入射角依存性が既知とされていることを特徴とする上記〔２〕〜〔８〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔10〕 円偏光を照射する光源装置が実質的に反射センサーと一体の構造を成すものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔９〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔11〕 円偏光を照射する光源装置が実質的に偏光検出器と一体の構造を成すものであることを特徴とする上記〔２〕〜〔９〕のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。
〔12〕 実質的に一体を成す、円偏光を照射する光源装置と偏光検出器が、オートコリメーター光学系を含む構造を成すものであることを特徴とする上記〔11〕に記載の回転・傾斜計測装置。
〔13〕 回転・傾斜計測装置が、往復光路型の回転・傾斜計測装置であって、反射センサーが、鏡面2枚を所定の角度で向かい合わせて固定した合わせ鏡構造を成し、入射光線を
複数回の反射によって観測方向に所定の角度毎に逆向射出するデジタル基準角度を有するものであることを特徴とする上記〔11〕又は〔12〕に記載の回転・傾斜計測装置。
〔14〕 回転・傾斜計測装置が、往復光路型の回転・傾斜計測装置であって、反射センサーが、鏡面３枚によるコーナーキューブ構造のものであることを特徴とする上記〔11〕又は〔12〕に記載の回転・傾斜計測装置。
〔15〕 物体の回転・傾斜をリモート計測する回転・傾斜計測方法であって、リモート観
測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける偏光放射センサーから成る回転・傾斜計測装置を使用し、該放射センサーで所定の空間分布の既知の楕円偏光状態で発散する光束を成さしめ、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円を検出して、該放射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする回転・傾斜計測方法。
〔16〕 物体の回転・傾斜をリモート計測する回転・傾斜計測方法であって、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける反射センサーと、該反射センサーに円偏光を照射する光源装置から成る回転・傾斜計測装置を使用し、該円偏光の照射角度範囲の設定によって、該反射センサーで所定の範囲の入射角度分布で正反射せしめ、その正反射せしめることで、該正反射光束を偏光反射の既知の入射角依存性に従う所定の空間分布の発散する楕円偏光光束を形成せしめ、その楕円偏光光束を測定して、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円から該反射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする回転・傾斜計測方法。
In the present invention, the following can be provided.
[1] A rotation / tilt measuring device that remotely measures the rotation / tilt of an object, the rotation / tilt measuring device comprising a polarization detector installed and fixed in the remote observation direction and a polarization radiation sensor attached to the object. The radiation sensor forms a light beam that diverges in a known elliptical polarization state with a predetermined spatial distribution, detects a polarization ellipse of a light component toward the remote observation direction, and rotates the radiation sensor around the remote observation optical axis. A rotation / tilt measuring device that measures an inclination angle φ formed by an angle θ and an observation optical axis.
[2] A rotation / tilt measurement device for remotely measuring rotation / tilt of an object, the rotation / tilt measurement device including a polarization detector installed and fixed in a remote observation direction, a reflection sensor attached to the object, It consists of a light source device that irradiates a circularly polarized light to a reflection sensor, and the regular reflection is performed by making the reflection sensor regularly reflect with an incident angle distribution within a predetermined range by setting the irradiation angle range of the circularly polarized light. A light beam is formed into a divergent elliptically polarized light beam having a predetermined spatial distribution according to the known incident angle dependency of polarized light reflection, the elliptically polarized light beam is detected, and the reflection sensor is detected from the polarization ellipse of the light component toward the remote observation direction. A rotation / tilt measuring device characterized by measuring a rotation angle θ around the remote observation optical axis and an inclination angle φ formed with the observation optical axis.
[3] The reflection sensor attached to the object is a flat or curved reflection sensor, and the angle adjustment is performed so that the specularly reflected light beam forming the central optical axis of the light beam emitted from the light source device substantially coincides with the observation direction. The rotation / tilt measuring device according to [2] above, comprising a mechanism.
[4] A polarized light detector installed and fixed in the observation direction has a function of detecting a polarized image through the observation optical system, and collects specularly reflected light rays from an arbitrary number of reflection sensors attached to an arbitrary position of the object. The rotation / tilt measuring device according to [2] or [3] above, wherein the polarized light can be detected by forming an image.
[5] The above-mentioned [2] to [4], wherein the light source device for irradiating circularly polarized light comprises a light source, an irradiation optical system, and a circular polarizer in the order of light source-irradiation optical system-circular polarizer. ] The rotation / tilt measuring device according to any one of the above.
[6] The rotation according to any one of [2] to [5], wherein the light source device is capable of irradiating a reflection sensor with a circularly polarized light beam group having a polarization ability of substantially 99% or more.・ Inclination measuring device.
[7] Any one of the above [2] to [6], wherein the angle adjustment mechanism of the reflection sensor is composed of a rotation / tilting mechanism that does not substantially move the center point of the reflection surface. The rotation / tilt measuring device according to 1.
[8] The angle adjustment mechanism of the reflection sensor has an orthogonal two-axis rotation mechanism, and the optical axis of the light source device that irradiates circularly polarized light coincides with one of the two orthogonal axes, or the orthogonal The rotation / tilt measuring device according to any one of [2] to [7], wherein the rotation / tilt measuring device has a structure perpendicular to two axes.
[9] The reflection surface of the reflection sensor is composed of any one of a front mirror, a back mirror, a total reflection prism, a prism coated with a reflection surface, a hemispheric glass, and a hemispheric glass coated with a reflection surface. The rotation / tilt measuring device according to any one of [2] to [8] above, wherein the incident angle dependency of the ellipse is known.
[10] The rotation / tilt measuring device according to any one of the above [2] to [9], wherein the light source device for irradiating circularly polarized light has a substantially integrated structure with the reflection sensor. .
[11] The rotation / tilt measurement according to any one of the above [2] to [9], wherein the light source device for irradiating circularly polarized light has a structure substantially integrated with the polarization detector. apparatus.
[12] The rotation / according to [11], wherein the light source device for irradiating circularly polarized light and the polarization detector, which are substantially integrated, have a structure including an autocollimator optical system. Tilt measuring device.
[13] The rotation / tilt measurement device is a reciprocating optical path type rotation / tilt measurement device, and the reflection sensor has a mirror structure in which two mirror surfaces are fixed facing each other at a predetermined angle, and incident light is The rotation / tilt measuring device according to [11] or [12], wherein the rotation / tilt measuring device has a digital reference angle that emits a reverse emission in a predetermined angle in the observation direction by a plurality of reflections.
[14] The rotation / tilt measurement device is a reciprocating optical path type rotation / tilt measurement device, and the reflection sensor has a corner cube structure with three mirror surfaces, [11] or [12 ] The rotation / tilt measuring device according to claim 1.
[15] A rotation / tilt measurement method that remotely measures the rotation / tilt of an object, using a rotation / tilt measurement device consisting of a polarization detector fixed in the remote observation direction and a polarized radiation sensor attached to the object. The radiation sensor forms a light beam that diverges in a known elliptical polarization state with a predetermined spatial distribution, detects a polarization ellipse of a light component toward the remote observation direction, and rotates the radiation sensor around the remote observation optical axis. A rotation / tilt measuring method characterized by measuring an inclination angle φ formed by an angle θ and an observation optical axis.
[16] A rotation / tilt measurement method for remotely measuring the rotation / tilt of an object, a polarization detector installed and fixed in the remote observation direction, a reflection sensor attached to the object, and irradiating the polarization sensor with circularly polarized light Using a rotation / tilt measuring device consisting of a light source device, by setting the irradiation angle range of the circularly polarized light, the reflection sensor causes regular reflection with an incident angle distribution within a predetermined range, and makes the regular reflection. The light beam is formed into a divergent elliptically polarized light beam having a predetermined spatial distribution according to the known incident angle dependency of the polarization reflection, and the elliptically polarized light beam is measured, and the reflection sensor A rotation / tilt measurement method characterized by measuring a rotation angle θ around a remote observation optical axis and an inclination angle φ formed by the observation optical axis.
本発明の回転・傾斜計測装置および方法によれば、リモート計測によって、計測距離に無関係に物体の観測光軸周りの回転角と観測光軸からの傾斜が精密計測できる。従って、従来は観測できなかった様々な対象の回転・傾斜を精密計測する装置および方法を提供できる。 According to the rotation / tilt measuring apparatus and method of the present invention, the rotation angle of the object around the observation optical axis and the inclination from the observation optical axis can be accurately measured by remote measurement regardless of the measurement distance. Therefore, it is possible to provide an apparatus and a method for precisely measuring the rotation and tilt of various objects that could not be observed conventionally.
本発明によれば、偏光カメラ等によって記録された、任意物体に任意個数取り付けた反射センサーからの２次元偏光像を解析して、偏光楕円の方位角から回転角を、また、偏光楕円の楕円率角から傾斜角を一括計測できる。計測は、結像光学系を選ぶことで、微小化した反射センサーを用いた数mmのサイズの試料も対象にできる。また、レーザー光源装置を備えた反射センサーで遠方からの望遠観測を可能にして、数十メーター以上の大型建造物や橋梁などの任意部位の回転・傾斜も計測できる。さらに、計測環境にも制限が無いために、水中での計測にも対応できる。 According to the present invention, a two-dimensional polarization image recorded from an arbitrary number of reflection sensors recorded by a polarization camera or the like is analyzed, and the rotation angle from the azimuth angle of the polarization ellipse is calculated. The tilt angle can be measured collectively from the rate angle. Measurement can be performed on a sample with a size of several millimeters using a miniaturized reflection sensor by selecting an imaging optical system. In addition, a reflection sensor equipped with a laser light source device enables telescopic observation from a distance, and can measure the rotation and inclination of arbitrary parts such as large buildings and bridges of several tens of meters or more. Furthermore, since there is no limit to the measurement environment, it can be used for measurement in water.
反射センサー部の工夫の一例では、鏡面２枚を合わせ鏡とした新たな機能性を加えた鏡面センサーが構成できる。この構成では、傾斜角度の計測範囲を大幅に広げられるばかりでなく、往復光路に沿って所定の角度毎に逆向するデジタル基準が利用できる、回転テーブル等の精密アライメント装置と手法を提供できる。回転テーブルのアライメント等への応用では、ポリゴン等による従来技術に較べて観測の死角が無い、連続読み出しのセンサーを構成できる。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び／又は改変（あるいは修飾）をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。
In an example of the reflection sensor unit, a mirror sensor can be configured with new functionality using two mirror surfaces as a mirror. With this configuration, it is possible to provide a precision alignment apparatus and method such as a rotary table that not only greatly increases the measurement range of the tilt angle, but also can use a digital reference that reverses every predetermined angle along the reciprocating optical path. In applications such as alignment of rotary tables, a continuous readout sensor can be constructed that has no blind spots for observation as compared with the prior art using polygons.
Other objects, features, excellence and aspects of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following description. However, it should be understood that the description in the present specification, including the following description and the description of specific examples, shows a preferred embodiment of the present invention and is shown only for explanation. . Various changes and / or modifications (or modifications) within the spirit and scope of the present invention disclosed herein will occur to those skilled in the art based on the following description and knowledge from other parts of the present specification. Will be readily apparent. All patent documents and references cited herein are cited for illustrative purposes and are not to be construed as a part of this specification. is there.
上記したように、発明者は、主入射角法に基づく偏光解析法についての技術〔特許文献２:特公昭52-46825号公報、特許文献３:特公昭60-41732号公報、特許文献４:特公平2-16458号公報、これらの文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる〕と応用を通して、反射の偏光状態の入射角依存性に関する光学特性を熟知している。この知見をもとに、発明者は、偏光を利用した形状・傾斜の精密計測法として、エリプソメーター技術を利用し、試料の光学特性を既知として、試料面法線の幾何学的な方位を未知とする新たな技術を提供している〔特許文献１: 特願2008-211895、非特許文献１: 「正反射による物体表面の傾斜エリプソメトリー
−精密実時間形状計測への基本概念−」、光学、Vol.38、No.4 (2009) pp.204-212、特許文献６: 国際特許出願PCT/JP2009/003995、これらの文献あるいは当該文献で引用された
文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる〕。
As described above, the inventor has developed a technique for ellipsometry based on the main incident angle method [Patent Document 2: Japanese Patent Publication No. 52-46825, Patent Document 3: Japanese Patent Publication No. 60-41732, Patent Document 4: Japanese Patent Publication No. 2-16458, descriptions in these documents or references cited therein are included in the disclosure of this specification by reference thereto) and application of reflection polarization state through application I am familiar with the optical properties of angular dependence. Based on this knowledge, the inventor uses ellipsometer technology as a precision measurement method of shape and inclination using polarized light, knows the optical properties of the sample, and determines the geometric orientation of the sample surface normal. New technology to be unknown is provided [Patent Document 1: Japanese Patent Application No. 2008-211895, Non-Patent Document 1: “Inclined ellipsometry of object surface by regular reflection-Basic concept for precise real-time shape measurement”, Optics, Vol.38, No.4 (2009) pp.204-212, Patent Document 6: International Patent Application PCT / JP2009 / 003995, descriptions in these documents or references cited in the documents Which is hereby incorporated by reference).
そして、この形状・傾斜計測法開発研究の過程で、計測精度は、計測対象物体の表面の粗さの増大とともに低下することを明らかにしている。また、反射面として、理想的に平滑な面を用いれば、傾斜角度の計測精度は0.1°を一桁から二桁改善できることも見出し
ている。発明者は、さらに、新たな高密度光記録方式の技術領域において、記録ピットを直角プリズム型の２回反射で構成すれば、円偏光照明の往復光路型で観測光軸周りの回転角を多値化できることを見出している〔特許文献５: 特開2009−099192号公報（特願2007-269457)、これらの文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる〕。
In the process of developing and measuring this shape / tilt measurement method, it has been clarified that the measurement accuracy decreases as the surface roughness of the object to be measured increases. It has also been found that if an ideally smooth surface is used as the reflecting surface, the measurement accuracy of the tilt angle can be improved from 0.1 to 1 digit by 0.1 degree. In addition, in the technical field of the new high-density optical recording method, the inventor further increases the rotation angle around the observation optical axis with a circularly polarized illumination reciprocating optical path type if the recording pit is constituted by a right-angle prism type double reflection. [Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-099192 (Japanese Patent Application No. 2007-269457), descriptions in these documents or documents cited in the documents are referred to by referring to them] Included in the disclosure herein.
直角プリズムの２回反射で角度分解能を評価した実験例〔非特許文献４: Toshihide Tsuru, Masaki Yamamoto： “Multi-bits coding by multi-directional valley pits permitting stamper mass-production and remote direction readout by polarization reflection”, Optics Express 16, pp.9622-9627 (2008)、この文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる〕では、図１に示すような実験装置を開示しているし、円偏光を落射照明で稜辺5mm角の直角
プリズムの斜面に垂直入射し、反射偏光の楕円形状を回転検光子法で検知することにより、図２に示すように円偏光入射時の直角プリズム反射光の偏光楕円実測値を得ている。図２に示すように、検光子方位角変化による強度変化はプリズムの向きで系統的に位相が変
化し、楕円の方位角としてプリズム回転角を精度±0.14°で読み出せるとの結果を得ている。このプリズム実験の0.14°は、半周180度を1285分割し、2進10桁の1024を超える多値化に相当する。
Example of evaluating angular resolution by reflection of a right-angle prism twice [Non-Patent Document 4: Toshihide Tsuru, Masaki Yamamoto: “Multi-bits coding by multi-directional valley pits permitting stamper mass-production and remote direction readout by polarization reflection” , Optics Express 16, pp.9622-9627 (2008), the description contained in this document or references cited therein is hereby incorporated by reference into this disclosure]. An experimental apparatus as shown in FIG. 2 is disclosed, and circularly polarized light is perpendicularly incident on a slope of a right-angle prism having a ridge side of 5 mm by epi-illumination, and the elliptical shape of reflected polarized light is detected by the rotational analyzer method. As shown in Fig. 4, the polarization ellipse actual measurement value of the right-angle prism reflected light when circularly polarized light is incident is obtained. As shown in FIG. 2, the intensity change due to the change in the azimuth angle of the analyzer systematically changes in phase depending on the direction of the prism, and the result is that the prism rotation angle can be read with an accuracy of ± 0.14 ° as the azimuth angle of the ellipse. Yes. In this prism experiment, 0.14 ° corresponds to a multi-value conversion that exceeds 1024 in binary 10 digits by dividing 1285 of the half circumference by 1285.
本発明は、上記高精度方位角検知特性に基づき、円偏光照明装置の構成と反射鏡面の構成に工夫を重ねることで、従来に無い、回転・傾斜に特化した計測装置および方法を編み出すことに成功して提供される回転・傾斜計測技術（回転・傾斜計測装置および回転・傾斜計測方法を包含する）である。即ち、本発明の構成においては、物体に簡便で小型な反射センサーを取り付け、回転・傾斜を精密にリモート計測する。本発明の回転・傾斜計測技術は、特にリモート回転センサー、リモート傾斜センサー、アライメントスコープなどに好適に応用できる。 The present invention is based on the above-mentioned high-precision azimuth angle detection characteristics, and by devising the configuration of the circularly polarized illumination device and the configuration of the reflecting mirror surface, it devises an unprecedented measurement device and method specialized for rotation and inclination. Is a rotation / tilt measurement technology (including a rotation / tilt measurement device and a rotation / tilt measurement method) that has been successfully provided. That is, in the configuration of the present invention, a simple and small reflection sensor is attached to an object, and the rotation and inclination are accurately measured remotely. The rotation / tilt measurement technique of the present invention can be suitably applied particularly to a remote rotation sensor, a remote tilt sensor, an alignment scope, and the like.
本発明は、物体の回転・傾斜をリモート計測する目的で構成される回転・傾斜計測装置であり、本回転・傾斜計測装置は、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける反射センサーと、該反射センサーに円偏光を照射する光源装置を備えるもので、且つ、該円偏光の照射角度範囲の設定によって、該反射センサーで反射・発散する楕円偏光を成す正反射光束が、該反射センサーで想定される回転・傾斜角変化の範囲内で、リモート観測方向へ向かう光線成分を含む角度範囲を成し、該反射センサーの鏡面で正反射される反射楕円の入射角依存性を利用して、該反射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φとを計測することを特徴とする。
本発明の計測感度は、本質的にエリプソメトリー計測の計測感度で決定される。
The present invention is a rotation / tilt measurement device configured for the purpose of remotely measuring the rotation / tilt of an object. The rotation / tilt measurement device is attached to an object with a polarization detector fixed in a remote observation direction. A reflection sensor and a light source device for irradiating the reflection sensor with circularly polarized light, and by setting the irradiation angle range of the circularly polarized light, a specularly reflected light beam that forms elliptically polarized light reflected / diverged by the reflection sensor, Within the range of rotation and tilt angle changes assumed by the reflection sensor, an angle range including a light ray component toward the remote observation direction is formed, and the incident angle dependence of the reflection ellipse regularly reflected by the mirror surface of the reflection sensor is reduced. Utilizing this, the rotational angle θ around the remote observation optical axis of the reflection sensor and the inclination angle φ formed with the observation optical axis are measured.
The measurement sensitivity of the present invention is essentially determined by the measurement sensitivity of ellipsometry measurement.
非特許文献５: “Principal Angle-of-Incidence Ellipsometry”, K. Kinoshita and M. Yamamoto, Surf. Sci. 56, 64-75(1976)（この文献あるいは当該文献で引用された文
献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる）を参照すれば、計測感度は使用する偏光子の直線偏光に対する並行位（最大）透過強度に対する直交位（最小）透過強度の比で定義される消光率
Non-Patent Document 5: “Principal Angle-of-Incidence Ellipsometry”, K. Kinoshita and M. Yamamoto, Surf. Sci. 56 , 64-75 (1976) (in this document or in references cited in this document) The description is included in the disclosure herein by reference) and the measurement sensitivity is the ratio of the orthogonal (minimum) transmission intensity to the parallel (maximum) transmission intensity for the linear polarization of the polarizer used. Extinction rate defined by
明に使用する偏光検知器の代表例である偏光画像検知器には、偏光画像検知素子〔非特許
文献３: 川上彰二郎、「積層型フォトニック結晶の産業的諸応用」、応用物理、77、508-514（2008）、この文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照
することにより本明細書の開示に含められる〕が利用できる。
本発明の一つの具体的な態様では、〔１〕当該回転・傾斜計測装置は、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける偏光放射センサーから成り、該放射センサーで所定の空間分布の既知の楕円偏光状態で発散する光束を成さしめ、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円を検出して、該放射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする。本発明は、in-line
で既知の偏光楕円分布の発散光を生成できるデバイスを使用して構成することができる。さらに、本発明の別の具体的な態様では、〔２〕当該回転・傾斜計測装置は、物体の回転・傾斜をリモート計測する回転・傾斜計測装置であって、当該回転・傾斜計測装置は、リモート観測方向に設置固定された偏光検知器と、物体に取り付ける反射センサーと、該反射センサーに円偏光を照射する光源装置から成り、該円偏光の照射角度範囲の設定によって、該反射センサーで所定の範囲の入射角度分布で正反射せしめ、その正反射せしめることで、該正反射光束を偏光反射の既知の入射角依存性に従う所定の空間分布の発散する楕円偏光光束を成さしめ、その楕円偏光光束を検出して、リモート観測方向へ向かう光線成分の偏光楕円から該反射センサーのリモート観測光軸周りの回転角θと観測光軸と成す傾斜角φを計測することを特徴とする。本構成は、本発明を実施する最良の形態の基本構成を示すものである。図３に、本発明の回転・傾斜計測装置の構成の一つを例示する。本例示の装置では、照射光束が集光光束で、反射センサーが平面鏡の場合の例が示されている。また、本発明の装置は、照射光束が平行で、反射センサーが球面で構成されていることもできる。
In one specific aspect of the present invention, [1] the rotation / tilt measuring device includes a polarization detector installed and fixed in a remote observation direction, and a polarization radiation sensor attached to an object. A light beam that diverges in a known elliptical polarization state with a spatial distribution is formed, and a polarization ellipse of a light beam component traveling in the remote observation direction is detected, and the rotation angle θ around the remote observation optical axis of the radiation sensor and the observation optical axis It is characterized in that an inclination angle φ formed is measured. The present invention is in-line
Can be constructed using a device capable of generating divergent light with a known polarization ellipse distribution. Furthermore, in another specific aspect of the present invention, [2] the rotation / tilt measurement device is a rotation / tilt measurement device that remotely measures the rotation / tilt of an object, and the rotation / tilt measurement device includes: A polarization detector installed and fixed in a remote observation direction, a reflection sensor attached to an object, and a light source device for irradiating the reflection sensor with circularly polarized light. By specularly reflecting the incident angle distribution in the range, and making the specular reflection thereof, the specularly reflected light beam is formed into an elliptically polarized light beam that diverges in a predetermined spatial distribution according to the known incident angle dependence of polarization reflection. Detecting a polarized light beam and measuring a rotation angle θ around the remote observation optical axis of the reflection sensor and an inclination angle φ formed by the observation optical axis from a polarization ellipse of a light beam component traveling in the remote observation direction To do. This configuration shows the basic configuration of the best mode for carrying out the present invention. FIG. 3 illustrates one configuration of the rotation / tilt measuring apparatus of the present invention. In the illustrated apparatus, an example in which the irradiation light beam is a condensed light beam and the reflection sensor is a plane mirror is shown. In the apparatus of the present invention, the irradiation light beam may be parallel and the reflection sensor may be a spherical surface.
上記〔２〕の構成では、円偏光照明の照射光束が十分広い角度範囲を成すために反射センサー部に角度調節機構を不要とする場合が包含される。当該回転・傾斜計測装置において、〔３〕物体に取り付ける反射センサーは、平面または曲面の反射センサーで、該反射センサーが光源装置から照射する光束の中心光軸を成す光線の正反射光線を観測方向に実質的に一致させる角度調節機構を備えるものであってよい。本〔３〕の構成を備えるのものは、より高精度で汎用な構成を得るために、反射センサー部に角度調整機構を具備する構成とされたものである。さらに、当該回転・傾斜計測装置において、〔４〕観測方向に設置固定された偏光検知器が、観測光学系を介して偏光画像を検知できる機能を有し、物体の任意箇所に任意の個数取り付けた反射センサーからの正反射光線を一括結像して偏光検出できるものであってよい。本〔４〕の構成は、物体各部に任意個数の反射センサーを装着し、物体の局所変形も明らかにするための偏光画像検出系の構成を規定するものである。 The configuration [2] includes a case where the angle adjustment mechanism is not required in the reflection sensor unit in order that the irradiation light beam of the circularly polarized illumination forms a sufficiently wide angle range. In the rotation / tilt measurement device, [3] the reflection sensor attached to the object is a flat or curved reflection sensor, and the reflection direction of the specularly reflected light beam forming the central optical axis of the light beam emitted from the light source device by the reflection sensor is observed. May be provided with an angle adjustment mechanism that substantially matches the above-described angle adjustment mechanism. In order to obtain a more accurate and general-purpose configuration, the configuration having the configuration of [3] is a configuration in which an angle adjustment mechanism is provided in the reflection sensor unit. Furthermore, in the rotation / tilt measurement device, [4] a polarization detector installed and fixed in the observation direction has a function of detecting a polarization image through the observation optical system, and an arbitrary number of attachments are attached to any part of the object. Further, it may be one that can detect polarized light by collectively forming regular reflected light rays from the reflection sensor. The configuration of [4] defines a configuration of a polarization image detection system in which an arbitrary number of reflection sensors are attached to each part of the object to clarify local deformation of the object.
本発明の一つの具体的な態様では、当該回転・傾斜計測装置において、〔５〕円偏光を照射する光源装置が、光源、照射光学系、円偏光子を、光源−照射光学系−円偏光子の順に備えるものであることを特徴とする。また、〔６〕光源装置が、実質的に偏光能99%以
上の円偏光光束群を反射センサーに照射できるものが、好ましくは、使用される。本〔５〕や〔６〕の規定は、特に高精度計測を達成するための円偏光を照射する光源装置の構成と要求される偏光度要件を規定するものである。図４に、本発明の回転・傾斜計測装置を構成する光源装置の構成例の一つを示す。
In one specific aspect of the present invention, in the rotation / tilt measuring device, [5] a light source device that irradiates circularly polarized light includes: a light source, an irradiation optical system, and a circular polarizer; It is provided in the order of children. [6] A light source device that can irradiate a reflection sensor with a circularly polarized light beam group having a polarization ability of 99% or more is preferably used. The provisions of [5] and [6] prescribe the configuration of the light source device that irradiates circularly polarized light and the required degree of polarization, in order to achieve particularly high-precision measurement. FIG. 4 shows one of the configuration examples of the light source device constituting the rotation / tilt measuring device of the present invention.
本光源装置では、光源、照射光学系、円偏光子が、光源−照射光学系−円偏光子の順に配列されて構成されている場合の例が示されている。図４に例示するように、当該光源装置では、円偏光状態を規定する円偏光子は、偏光状態を乱す原因となる照射光学系の後、反射センサーの直前に配置される必要がある。この要件は、照射の最適な角度範囲を選択する際に重要である。円偏光子の偏光度の入射角依存性については、本発明者による先願
たる特許出願（特許文献６: 国際特許出願PCT/JP2009/003995）の明細書を参照できる〔
この文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる〕。
In this light source device, an example in which a light source, an irradiation optical system, and a circular polarizer are arranged in the order of light source-irradiation optical system-circular polarizer is shown. As illustrated in FIG. 4, in the light source device, the circular polarizer that defines the circular polarization state needs to be disposed immediately before the reflection sensor after the irradiation optical system that causes the polarization state to be disturbed. This requirement is important in selecting the optimal angular range for irradiation. Regarding the dependence of the degree of polarization of the circular polarizer on the angle of incidence, reference can be made to the specification of a patent application filed earlier by the present inventor (Patent Document 6: International Patent Application PCT / JP2009 / 003995) [
The description in this document or the documents cited in that document is hereby incorporated by reference into this disclosure.]
光源としては、当該分野で知られたものを利用でき、例えば、点光源単独、点光源とコリメーターとの組合せ、レーザー単独、レーザーとビームエキスパンダーとの組合せ、面光源単独、面光源とファイバー光学系との組合せなどが挙げられる。本発明で説明する回転・傾斜計測の原理は、全ての波長の電磁波で成立する。また、使用する光は、紫外、可視、赤外光からマイクロ波領域などを含めて、白色光であっても良いし、レーザーなどの単色光であってもよい。もちろん、赤外からマイクロ波領域の光でも良い。さらに、反射の表面は鏡面反射が起こる程度に滑らかであると考えるが、反射光が検出器で検出できる程度の反射率があれば良い。 As the light source, those known in the art can be used, for example, a point light source alone, a combination of a point light source and a collimator, a laser alone, a combination of a laser and a beam expander, a surface light source alone, a surface light source and fiber optics. A combination with a system can be mentioned. The principle of rotation / tilt measurement described in the present invention is established with electromagnetic waves of all wavelengths. Further, the light to be used may be white light including ultraviolet, visible and infrared light to the microwave region, and may be monochromatic light such as laser. Of course, light in the infrared to microwave region may be used. Further, although it is considered that the reflection surface is smooth enough to cause specular reflection, it is sufficient that the reflected light has a reflectance that can be detected by the detector.
光源は、当該分野で光源として知られたものの中から適宜適切なものを選択して使用でき、所望の目的を達成できる限り特に制限はないが、例えば、白色光源、コヒレント光を出すレーザー光源、発光ダイオードなどが挙げられる。代表的な光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、重水素ランプ、グローバーランプ、ヘリウムネオン(He-Ne)レ
ーザー、YAGレーザー、発光ダイオード(LED)、半導体レーザー、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどのHIDランプ(high intensity discharge lamps)などが挙げられる。光源は、408nm紫レーザダイオードなどの短波長レーザ光源と白色光源とを用いた2way光源方式など、入射光線を既知とする、入射面方位角と入射角の基準原点を包含する複数の光源を備えているものであってもよいし、あるいは単独の光源を備えるものであってもよい。
The light source can be appropriately selected from those known as light sources in the art and is not particularly limited as long as the desired purpose can be achieved. For example, a white light source, a laser light source that emits coherent light, For example, a light emitting diode. Typical light sources include halogen lamps, xenon lamps, deuterium lamps, global lamps, helium-neon (He-Ne) lasers, YAG lasers, light-emitting diodes (LEDs), semiconductor lasers, high-pressure mercury lamps, metal halide lamps, high-pressure sodium. Examples include HID lamps (high intensity discharge lamps) such as lamps. The light source includes a plurality of light sources including the incident origin and the reference origin of the incident angle, such as a two-way light source method using a short wavelength laser light source such as a 408 nm purple laser diode and a white light source. Or a single light source.
照射光学系としては、典型的には、集光照射光学系を構成できる。集光光学系においては、当該分野で知られたものを利用でき、例えば、レンズ、曲面鏡（凹面鏡、凸面鏡を包含する）、ファイバー光学系などを、適宜、使用して構成できる。該光学系では、適宜、光強度スタビライザ、光濃度フィルタなどが備えられていることもできる。当該光学系は、コンピュータと連動する制御系でコントロールされていて、対象である物体に対して実質的に一様に光を入射できるようになっていてもよいし、あるいは、特定の方向から照射できるようになっていてもよい。例えば、レーザ光源であって、入射光線を既知とする、入射面方位角と入射角の基準原点を構成する点光源の場合は、X-Yスキャン光学系として
コンピュータと連動する制御系でコントロールされて、例えば、観察視野内を適当数のピクセルに分割してスキャンを行うことができるものが包含されてよい。
円偏光子としては、当該分野で知られた構成を利用でき、例えば、直線偏光子と1/4波
長板との組合せ（直線偏光子フィルムに1/4波長フィルムを貼りあわせたものを包含する
）、直線偏光子と主入射角反射素子との組合せなどが挙げられる。当該主入射角反射素子としては、当該分野で知られたものを利用でき、例えば、表面鏡、全反射プリズムなども包含されてよい。
As the irradiation optical system, typically, a condensing irradiation optical system can be configured. As the condensing optical system, those known in the art can be used. For example, a lens, a curved mirror (including a concave mirror and a convex mirror), a fiber optical system, and the like can be used as appropriate. The optical system may be provided with a light intensity stabilizer, a light density filter, and the like as appropriate. The optical system may be controlled by a control system that operates in conjunction with a computer so that light can be incident on the target object substantially uniformly, or irradiation from a specific direction. You may be able to. For example, in the case of a laser light source and a point light source that constitutes a reference origin of an incident surface azimuth angle and an incident angle with a known incident light beam, it is controlled by a control system linked to a computer as an XY scan optical system, For example, an image that can be scanned by dividing the observation field into an appropriate number of pixels may be included.
As the circular polarizer, a configuration known in the art can be used. For example, a combination of a linear polarizer and a quarter-wave plate (including a linear polarizer film bonded with a quarter-wave film) ), A combination of a linear polarizer and a main incident angle reflecting element. As the main incident angle reflection element, those known in the art can be used, and for example, a surface mirror, a total reflection prism, and the like may be included.
本発明の一つの具体的な態様では、当該回転・傾斜計測装置において、〔７〕反射センサーの角度調節機構が、実質的に反射面の中心点を空間的に動かさない回転・傾斜機構から成るものであることを特徴とする。さらに、〔８〕当該反射センサーの角度調節機構が、直交２軸の回転機構を有し、円偏光を照射する光源装置の光軸が、該直交２軸のいずれか一方と一致する構造、または、該直交２軸と直交する構造のものであってよい。本〔７〕や〔８〕は、反射センサーの角度調節機構が満たすべき要件と具体的な構成を規定するものである。そして、反射センサーの使い安さと精度を両立させる最良の形態を図５に例示する。図５は、本発明の回転・傾斜計測装置において、照射光束が集光光束で、反射センサーが平面鏡の場合の一例を示すもので、そこでは、反射センサーを直交軸受けに配置したり、あるいは、球の自由軸受けに配置した例が示されている。
当該回転・傾斜計測装置において、〔９〕反射センサーの反射面が、表面鏡、裏面鏡、全反射プリズム、反射面を塗鏡したプリズム、半球ガラス、反射面を塗鏡した半球ガラスのいずれかで構成されるもので、反射楕円の入射角依存性が既知とされているものは、好適に、本発明の回転・傾斜計測装置で使用される。本〔９〕の規定は、反射センサーの反射面が満たすべき特性を規定し、反射面素材の最良の形態を示しているものである。
In one specific aspect of the present invention, in the rotation / tilt measuring device, [7] the angle adjustment mechanism of the reflection sensor is substantially composed of a rotation / tilt mechanism that does not spatially move the center point of the reflection surface. It is characterized by being. Further, [8] the angle adjustment mechanism of the reflection sensor has a rotation mechanism of two orthogonal axes, and the optical axis of the light source device that irradiates circularly polarized light coincides with one of the orthogonal two axes, or , A structure orthogonal to the two orthogonal axes may be used. This [7] and [8] prescribe the requirements and specific configuration to be satisfied by the angle adjustment mechanism of the reflection sensor. FIG. 5 illustrates the best mode for achieving both ease of use and accuracy of the reflection sensor. FIG. 5 shows an example in the case where the irradiation light beam is a condensed light beam and the reflection sensor is a plane mirror in the rotation / tilt measuring device of the present invention, in which the reflection sensor is arranged on an orthogonal bearing, or An example of placement on a free bearing of a sphere is shown.
In the rotation / tilt measuring device, [9] the reflection surface of the reflection sensor is any one of a front mirror, a back mirror, a total reflection prism, a prism coated with a reflection surface, a hemispheric glass, and a hemispheric glass coated with a reflection surface. And the reflection ellipse whose incident angle dependency is known are preferably used in the rotation / tilt measuring device of the present invention. The rule of this [9] specifies the characteristics to be satisfied by the reflection surface of the reflection sensor and indicates the best form of the reflection surface material.
本発明の一つの具体的な態様では、〔10〕当該円偏光を照射する光源装置が実質的に反射センサーと一体の構造を成すものであることを特徴とする。本構成では、光源装置と反射センサーをコンパクトに一体化することで、物体の多点計測を含めた簡便な計測のための最良の形態を示すものである。図６に構成を例示する。本装置では、照射光束が集光光束で、反射センサーが平面鏡の場合の例が示されている。また、当該装置は、照射光束が平行で、反射センサーが球面で構成されていることもできる。 In one specific aspect of the present invention, [10] the light source device for irradiating the circularly polarized light has a substantially integrated structure with the reflection sensor. In this configuration, the light source device and the reflection sensor are integrated in a compact manner to show the best mode for simple measurement including multipoint measurement of an object. FIG. 6 illustrates the configuration. In this apparatus, an example in which the irradiation light beam is a condensed light beam and the reflection sensor is a plane mirror is shown. In addition, the apparatus may be configured such that the irradiation light beam is parallel and the reflection sensor is a spherical surface.
本発明の一つの具体的な態様では、当該回転・傾斜計測装置において、〔11〕円偏光を照射する光源装置が実質的に偏光検出器と一体の構造を成すものであることができる。さらに、〔12〕実質的に一体を成す、円偏光を照射する光源装置と偏光検出器が、オートコリメーター光学系を含む構造を成すものであってよい。上記〔11〕や〔12〕で規定する構成では、光源装置を偏光検出器と一体とすることで、オートコリメーターを包含するアライメント装置として最良の形態を示すことになる。図７に構成を例示する。 In one specific aspect of the present invention, in the rotation / tilt measurement device, [11] the light source device that irradiates the circularly polarized light can substantially form an integral structure with the polarization detector. [12] The light source device for irradiating circularly polarized light and the polarization detector, which are substantially integrated, may have a structure including an autocollimator optical system. In the configurations defined in [11] and [12] above, the light source device is integrated with the polarization detector, thereby showing the best mode as an alignment device including an autocollimator. FIG. 7 illustrates the configuration.
本発明の好ましい態様の一つでは、〔13〕該回転・傾斜計測装置が、往復光路型の回転・傾斜計測装置であって、反射センサーが、鏡面２枚を所定の角度で向かい合わせて固定した合わせ鏡構造を成し、入射光線を複数回の反射によって観測方向に所定の角度毎に逆向射出するデジタル基準角度を有するものであることを特徴とする。本〔13〕の規定は、アライメント用の２枚鏡の構成に於ける反射センサーの最良の形態を示すものである。図８に、基本構成を示す。図８では、本発明の回転・傾斜計測装置を構成する反射センサーとして、２枚合わせ鏡面で反射センサーを構成している場合の入射光束と反射光束の関係を説明する。水平回転テーブルの調整を例に取れば、テーブル面はｘ−ｚ平面にほぼ平行であり、回転軸はｙ軸にほぼ一致している場合である。テーブルの回転中心付近に開口を合わせて立てる。 In one preferred embodiment of the present invention, [13] the rotation / tilt measurement device is a reciprocating optical path type rotation / tilt measurement device, and the reflection sensor is fixed with two mirror surfaces facing each other at a predetermined angle. And a digital reference angle that reversely emits incident light rays by a predetermined angle in the observation direction by a plurality of reflections. This rule [13] shows the best mode of the reflection sensor in the configuration of the double mirror for alignment. FIG. 8 shows the basic configuration. FIG. 8 illustrates the relationship between the incident light beam and the reflected light beam when the reflection sensor is configured with a double mirror surface as the reflection sensor constituting the rotation / tilt measuring device of the present invention. Taking the adjustment of the horizontal rotary table as an example, the table surface is substantially parallel to the xz plane and the rotation axis is substantially coincident with the y axis. Stand with the opening near the center of rotation of the table.
図９は、光線の反射のスキームを示す。反射センサーの回転を平行移動し、合わせ面のｙ’軸に関して図示する。２枚鏡の合わせ角毎に複数の角度位置で往復光路が完成される。中間の角度では、光線方向は点線で示すように往復光路とならずに所定の方向に跳ねられる。図１０は、往復光路を成す各光線ごとに、反射回数が異なることから、ｐ成分とｓ成分の反射位相変化δがステップ状に変化することを示す。このために、光線の偏光の楕円率が異なり、光線を反射回数で区別検知できる。図１１は、オートコリメータ用に、副尺機能を持たせて高分解能化した複合鏡面センサー構成と、コリメーター視野の観測点の配列の例を示す。配列点毎に、偏光状態が異なり、点を区別検知できる。
また、〔14〕当該回転・傾斜計測装置が、往復光路型の回転・傾斜計測装置であって、反射センサーが、鏡面３枚によるコーナーキューブ構造のものであってよい。これは、アライメント用の３枚鏡の構成に於ける反射センサーの最良の形態を示すものである。
FIG. 9 shows a light ray reflection scheme. The rotation of the reflection sensor is translated and illustrated with respect to the y ′ axis of the mating surface. A reciprocating optical path is completed at a plurality of angular positions for each matching angle of the two mirrors. At an intermediate angle, the light ray direction is bounced in a predetermined direction instead of a reciprocating optical path as indicated by the dotted line. FIG. 10 shows that the reflection phase change δ of the p component and the s component changes stepwise because the number of reflections is different for each light beam forming the round-trip optical path. For this reason, the ellipticity of the polarization of the light beam is different, and the light beam can be distinguished and detected by the number of reflections. FIG. 11 shows an example of a composite mirror surface sensor configuration having a vernier function and high resolution for an autocollimator, and an arrangement of observation points in the collimator field of view. For each array point, the polarization state is different, and the points can be distinguished and detected.
[14] The rotation / tilt measurement device may be a reciprocating optical path type rotation / tilt measurement device, and the reflection sensor may have a corner cube structure with three mirror surfaces. This shows the best mode of the reflection sensor in the configuration of the three mirrors for alignment.
反射された光線は、偏光検知器で検出される。偏光検知器は、当該分野で知られたものを使用でき、偏光画像検出装置が包含されてよく、例えば、偏光イメージングカメラなどで偏光画像として検出できるが、例えば、検光子を備えた検出光学系に導入され、偏光状態が検出されるものであってもよい。検光子を備えた検出光学系で受けられた反射光は、光源の光学帯域に同調されているモノクロメーターを包含していてよい分光器を通した後に、光検出器に供給され、受光素子で検出されるものであってもよい。分光器は、受容した光のスペクトル分析を可能とする。すなわち、検出波長を変化させながら、受容光の検
出を行うことができる。また、光を所定の機器に導くには光ファイバーを利用することができる。光ファイバーを利用することで、装置の可動部品及び／又は可動装置を、互いに独立且つ自由に動くように構成することが可能となる利点を得られる。検出は回転偏光子法に属する検出技術、回転位相子法に属する検出技術などを用いて行うことができるし、あるいは、ファラデー効果、カー効果、ポッケルス効果などの各種の偏光変調効果を利用した偏光変調素子を用いて偏光状態を変調し、ロックイン検波方式で位相角を決定検知する構成を採用することもできる。反射光を空間的に複数に分割し、特定の偏光状態を検出できる偏光子を複数割り当てて偏光状態を検知する方式を使用することも可能である。
当該光を受光素子などを備える光センサで電気信号に変換することができる。光センサとしては、例えば、フォトダイオード、ダイオードアレイ、電荷結合素子(charge coupled device, CCD)型撮像素子(image sensor)、CMOS型撮像素子なども包含されてよく、さらに、光電子増倍管(photomultiplier, PMT)などと組み合わされていてよい。
The reflected light beam is detected by a polarization detector. As the polarization detector, one known in the art can be used, and a polarization image detection apparatus may be included. For example, a polarization imaging camera can detect a polarization image. For example, a detection optical system provided with an analyzer In other words, the polarization state may be detected. The reflected light received by the detection optical system including the analyzer is supplied to the photodetector after passing through a spectroscope that may include a monochromator tuned to the optical band of the light source, and is received by the light receiving element. It may be detected. The spectrometer allows spectral analysis of the received light. That is, it is possible to detect the received light while changing the detection wavelength. An optical fiber can be used to guide light to a predetermined device. The use of optical fibers provides the advantage that the moving parts of the device and / or the moving device can be configured to move independently and freely. Detection can be performed using a detection technique belonging to the rotational polarizer method, a detection technique belonging to the rotational phaser method, or polarization using various polarization modulation effects such as the Faraday effect, Kerr effect, and Pockels effect. It is also possible to employ a configuration in which the polarization state is modulated using a modulation element, and the phase angle is determined and detected by a lock-in detection method. It is also possible to use a method of detecting the polarization state by dividing the reflected light into a plurality of spaces and assigning a plurality of polarizers capable of detecting a specific polarization state.
The light can be converted into an electric signal by an optical sensor including a light receiving element. Examples of the optical sensor may include a photodiode, a diode array, a charge coupled device (CCD) type image sensor, an CMOS type image sensor, and the like, and a photomultiplier tube (photomultiplier). , PMT).
上記光源装置における照射光学系及び偏光検知器における検出光学系には、適宜、波長板、補償子（コンペンセーター）、光弾性変調器などの変調器（モジュレーター）、光線を導くためのミラー、スリット、フィルターさらにはレンズ（例えば、集光レンズなど）、透明版、ポリクロメーターなどを備えることもできる。検光子は、偏光子を使用して構成できる。当該照射光学系にモノクロメーターを配置することもできる。照射光光学系の偏光子及び／又は検出光学系の検光子は、駆動部により可動とされていてよい。検光子は下記コンピュータシステムの制御下にある駆動装置により、制御下に回転されて偏光状態を解析可能なようにしてあるものでもよい。前記波長板も、駆動部により可動とされていてよい。さらに、観測対象物体の載置台に回転機構を含めている駆動部を設けてあることもできるし、照射光学系全体及び／又は検出光学系全体を駆動部により可動とされていることもできる。駆動の制御動作をMEMS技術を応用して実現することもできる。また、ピエゾ素子による駆動やマイクロモーターによる回転を組み合わせてもよい。 For the irradiation optical system in the light source device and the detection optical system in the polarization detector, a wave plate, a compensator (compensator), a modulator such as a photoelastic modulator, a mirror for guiding light, and a slit Further, a filter, a lens (for example, a condenser lens, etc.), a transparent plate, a polychromator, and the like can be provided. The analyzer can be constructed using a polarizer. A monochromator can also be disposed in the irradiation optical system. The polarizer of the irradiation light optical system and / or the analyzer of the detection optical system may be movable by the drive unit. The analyzer may be one that is rotated under the control of a driving device under the control of the following computer system so that the polarization state can be analyzed. The wave plate may also be movable by a driving unit. Furthermore, a drive unit including a rotation mechanism may be provided on the mounting table for the observation target object, and the entire irradiation optical system and / or the entire detection optical system may be movable by the drive unit. The drive control operation can also be realized by applying MEMS technology. Further, driving by a piezo element and rotation by a micro motor may be combined.
画像の信号がアナログの場合には、適宜、必要に応じて、変換器により、デジタルに変換することもできる。信号はコンピュータシステムに送られて、演算手段に付されて当該回転角と当該傾斜角を算出して、試料である物質表面であって且つ入射光を反射している観察対象物体の回転・傾斜状態を決定し、物体の回転・傾斜をリモート計測することを実現する。得られたデータは、コンピュータシステムを構成している表示装置及び／又は出力装置を使用して可視化及び／又は認識可能にされる。当該コンピュータシステムは、データ記憶装置及び演算装置を備えており、例えば、ハードディスク、CPUを有しており、
さらに、CD、MO、DVDなどの書込み及び／又は読取り装置を有するものであってよい。
When the image signal is analog, it can be converted to digital by a converter as needed. The signal is sent to a computer system and applied to a calculation means to calculate the rotation angle and the tilt angle, and the rotation / tilt of the observation target object that reflects the incident light on the surface of the sample material The state is determined and the object's rotation / tilt can be measured remotely. The obtained data can be visualized and / or recognized using a display device and / or an output device constituting the computer system. The computer system includes a data storage device and an arithmetic device, for example, a hard disk, a CPU,
Furthermore, it may have a writing and / or reading device for CD, MO, DVD, etc.
観察対象物体の載置台の駆動部は、当該コンピュータシステムのステージコントローラーのエレクトロニック制御の下にx-y-z軸に互いに独立且つ自由に動くことが可能とされ
ていてよい。オートステージを好適に使用することもできる。回転偏光子を使用している場合には、偏光子の連続した回転の設定を当該コンピュータシステムのエレクトロニック制御の下に行うことができるようにされており、一方、回転検光子を使用している場合には、検光子の回転の設定を当該コンピュータシステムのエレクトロニック制御の下に行うことができるようにされていてよい。波長板を備えており、それを動かす場合も、当該コンピュータシステムのエレクトロニック制御の下に行うことができるようにされていてよく、それが好ましい場合もある。上記駆動部は、ステッピングモーターがエレクトロニック制御されており、それにより動くもので、その位置情報などと共に動作のデータが、当該コンピュータシステムに収集されるようになっていてよい。
The drive unit of the observation table mounting table may be able to move independently and freely along the xyz axis under the electronic control of the stage controller of the computer system. An auto stage can also be used suitably. When using a rotating polarizer, the setting of the continuous rotation of the polarizer is made possible under the electronic control of the computer system, while using a rotating analyzer. In some cases, the setting of the analyzer rotation may be made under electronic control of the computer system. The wave plate may be provided and moved so that it can be performed under electronic control of the computer system, which may be preferred. In the drive unit, a stepping motor is electronically controlled and moves by the stepping motor. Operation data together with position information thereof may be collected in the computer system.
同様に、コンピュータシステムの制御装置は、モノクロメーターに作用し、その同調波長を定めたり、光源に作用して光束などを制御するものであってよいし、それぞれの位置情報、波長、楕円偏光の形状の情報を含めた偏光の状態の情報、測定位置の情報などの収
集データの記録を制御し、適宜、コンピュータシステムの演算装置(例えば、CPU)に供給
するものも包含されてよい。
本コンピュータシステムは、所定のデータ処理プログラムを備えて、任意の適切なプログラムに従って収集データを使用し、計測された画像を、再構成する。当該処理プログラムとしては、偏光状態の入射光の下での測定データと偏光状態ではない入射光の下での測定データとを比較して較正する機能を有するもの、データを特徴付けるに十分なデータが蓄積されるまでデータ収集を行う機能、集積データから三次元形状を含めた形状を構築する機能、表示装置及び／又は出力装置に表示及び／又は出力する機能、光学理論に基づいた光学モデルで解析する機能などを果たすものが挙げられる。本発明の技術に基づいて解析する場合に、光学モデルにより得られたデータと実測データとを比較し、回帰解析アルゴリズムで解析するなどを包含するものであってよい。
Similarly, the control device of the computer system may act on the monochromator to determine its tuning wavelength, or to act on the light source to control the luminous flux, etc. Control of recording of collected data such as polarization state information including shape information, measurement position information, and the like may be included as appropriate and supplied to a computing device (eg, CPU) of a computer system.
The computer system includes a predetermined data processing program, uses the collected data according to any appropriate program, and reconstructs the measured image. The processing program includes a function for comparing and calibrating measurement data under incident light in a polarization state and measurement data under incident light that is not in a polarization state, and sufficient data for characterizing the data. A function to collect data until it is accumulated, a function to construct a shape including a three-dimensional shape from integrated data, a function to display and / or output to a display device and / or an output device, and an analysis using an optical model based on optical theory That fulfills the function to perform. When analyzing based on the technique of the present invention, the data obtained by the optical model may be compared with the actual measurement data and analyzed by a regression analysis algorithm.
本発明の装置における偏光検出、例えば、偏光画像検出には、偏光画像検出装置を使用でき、好適には、２D偏光検出器を備えた偏光イメージングカメラ〔株式会社フォトニッ
クラティス（宮城県仙台市青葉区）〕を使用できる。このように偏光画像検出は、フォトニック結晶素子を使用したものを好適に使用でき、それと電荷結合素子(charge coupled device, CCD)とを使用したものであってよい。当該カメラでは画像信号をUSBケーブルを
介してパソコン（コンピューター）に送り、適切なソフトウエアで処理されることができる。フォトニック結晶素子としては、例えば、偏光子アレイ（パターン化偏光子）、λ/4波長板アレイ（パターン化波長板）などが挙げられる。偏光イメージングカメラは、コリメーター、プリズム、波長板アレイ、偏光子アレイ、CCDからなる群から選択されたもの
を使用して構成されたものであってよい。好ましくは、空間並列的に画像情報を取り込むことのできるものが挙げられる。代表的な態様のものでは、ピクセルごとの画像を処理して、画像データを機械認識することのできるものが挙げられる。
A polarization image detection apparatus can be used for polarization detection in the apparatus of the present invention, for example, polarization image detection. Preferably, a polarization imaging camera equipped with a 2D polarization detector [Photonic Lattice Co., Ltd. (Aoba, Sendai, Miyagi) Ward)] can be used. As described above, the polarization image detection can be suitably performed using a photonic crystal element, and may be performed using a charge coupled device (CCD). The camera can send image signals to a personal computer (computer) via a USB cable and process them with appropriate software. Examples of the photonic crystal element include a polarizer array (patterned polarizer), a λ / 4 wavelength plate array (patterned wavelength plate), and the like. The polarization imaging camera may be configured using one selected from the group consisting of a collimator, a prism, a wave plate array, a polarizer array, and a CCD. Preferably, the image information can be taken in parallel in space. In a typical embodiment, one that can process an image for each pixel and machine recognize image data.
当該偏光子アレイとしては、例えば、画素と同サイズの偏光子が約100万個あるいは所
定の数敷き詰められているチップであってよい。例えば、該偏光子アレイは、透過軸方位の少しずつ異なるほぼ正方形の偏光子が敷き詰められ、その偏光子アレイの近接する４画素の輝度を演算することにより、偏光の主軸方向、平均輝度、偏光成分の強さを瞬時に得ることができるものが挙げられる。また、偏光子アレイは、透過軸方位の少しずつ異なる縦長の偏光子が横に並ぶ構成としてあり、波長板アレイは、逆に、横長の波長板が縦に並ぶ構成としてあるものであってよい。
The polarizer array may be, for example, a chip in which about one million or a predetermined number of polarizers having the same size as the pixels are arranged. For example, in the polarizer array, approximately square polarizers having slightly different transmission axis directions are spread, and by calculating the luminance of four adjacent pixels of the polarizer array, the main axis direction of polarization, average luminance, polarization The thing which can obtain the strength of a component instantly is mentioned. In addition, the polarizer array may have a configuration in which vertically long polarizers having slightly different transmission axis directions are arranged side by side, and the wave plate array may have a configuration in which horizontally long wave plates are arranged vertically. .
フォトニック結晶とは、屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体であって且つ二次元あるいは三次元といった多次元の周期構造体であるものである。構造の周期は、通常、使用する光の波長の半分程度に設計され、例えば、可視光領域で利用される場合、そのフォトニック結晶は、周期が300nm程度となるように設計・作製される。フォトニック結晶
の周期構造は、「結晶」と呼ばれるが、そのフォトニック結晶のその周期的な構造は数100nm程度のものとされており、光が透過する波長帯域の「フォトニックバンド」と、光の
透過を遮断する波長帯域の「フォトニックバンドギャップ」とが配列及び／又は積層された構造、すなわち、高屈折率・低屈折率の二種の誘電体を一定の凹凸を保持したまま自己成形的に多層積層された多次元構造とされている。典型的なフォトニック結晶は、パターン化された凹凸基板の上にスパッタ積層とバイアスエッチングを組み合わせて定常的な三次元凹凸パターンなどの多次元積層・パターンを形成する技術で、例えば、自己クローニング法で製造されるものなどが挙げられる。その製膜材料としては、様々なものが使用でき、例えば、Si, SiO2, TiO2, Ta2O5, Nb2O5, 希土類酸化物などが知られている。フォトニック結晶素子は、光の透過／反射／屈折特性を制御する機能を有している。
当該カメラの２D偏光検出器からはデータ処理ユニットを経由して、２次元分布データ
が出力され、その後のデータ処理系と、表示装置、データ蓄積装置等が配設され、必要な処理が可能となっていてよい。
The photonic crystal is a structure in which materials having different refractive indexes are periodically arranged and a multidimensional periodic structure such as two-dimensional or three-dimensional. The period of the structure is usually designed to be about half of the wavelength of light to be used. For example, when used in the visible light region, the photonic crystal is designed and produced so that the period is about 300 nm. The periodic structure of the photonic crystal is called “crystal”, but the periodic structure of the photonic crystal is about several hundreds of nanometers, and the “photonic band” in the wavelength band through which light is transmitted, A structure in which “photonic band gaps” in the wavelength band that blocks light transmission are arranged and / or stacked, that is, two types of dielectrics of high refractive index and low refractive index are self-retaining with certain irregularities It is a multidimensional structure in which multiple layers are molded. A typical photonic crystal is a technology that forms a multi-dimensional stacking / pattern such as a steady three-dimensional uneven pattern by combining sputter lamination and bias etching on a patterned uneven substrate, for example, a self-cloning method. And the like manufactured by As the film forming material, various materials can be used. For example, Si, SiO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , rare earth oxide, and the like are known. The photonic crystal element has a function of controlling light transmission / reflection / refraction characteristics.
Two-dimensional distribution data is output from the 2D polarization detector of the camera via a data processing unit, and a subsequent data processing system, a display device, a data storage device, and the like are arranged to enable necessary processing. It may be.
本発明の含まれる技術領域である偏光による物体面の傾斜計測の原理は、発明者が新たに考案して“３D傾斜エリプソメトリー”として提案する精密光計測技術に属する。技術
要件は、発明者による先願である特許出願: 特願2008-211895〔特許文献１〕の明細書お
よび非特許文献１: 「正反射による物体表面の傾斜エリプソメトリー−精密実時間形状計測への基本概念−」、光学、Vol.38、No.4 (2009) pp.204-212、非特許文献２: 「偏光測定と偏光解析法」、光工学ハンドブック、朝倉書店1986、 pp. 411-427の記載を参照でき、これらの文献あるいは当該文献で引用された文献の中にある記載はそれを参照することにより本明細書の開示に含められる。
The principle of tilt measurement of an object plane by polarized light, which is a technical area included in the present invention, belongs to a precision optical measurement technique newly invented by the inventor and proposed as “3D tilt ellipsometry”. The technical requirements are the patent application which is a prior application by the inventor: the specification of Japanese Patent Application No. 2008-211895 [Patent Document 1] and the non-patent document 1: “Inclined ellipsometry of an object surface by regular reflection—to precise real-time shape measurement” Basic concept of ”, Optics, Vol.38, No.4 (2009) pp.204-212, Non-patent document 2:“ Polarization measurement and ellipsometry ”, Optical engineering handbook, Asakura Shoten 1986, pp.411- The description of 427 can be referred to, and the description in these documents or the documents cited in the documents is included in the disclosure of the present specification by reference thereto.
本発明が利用する反射の偏光変化は、本質的に『振動面分割のコモンパス干渉』で発生する。ただ一度の反射での変化は十分大きく、媒質伝播中の変化が無視できて、計測環境に制限が無いし、任意の結像光学系が利用できる。波長は制限されず、白色円偏光も使用できる。これらの計測法としての汎用性に加えて、本質的に、従来に無い“傾斜直読法”である。傾斜の時間・空間変化が精密にリモート観測できる。 The change in polarization of reflection used by the present invention is essentially caused by “vibration plane division common path interference”. The change with only one reflection is sufficiently large, the change during medium propagation can be ignored, the measurement environment is not limited, and any imaging optical system can be used. The wavelength is not limited, and white circularly polarized light can also be used. In addition to the versatility of these measurement methods, it is essentially an “inclined direct reading method” that has never existed before. Precise remote and precise observation of tilt time and space changes.
反射センサーサイズは、RIGA技術等で数十μmに微小化できるので、計測対象のサイズ
は光学系の工夫で1mm程度から100m以上にわたる。また、計測環境は、気中や液中の固体
に加えて、固相・液相・気相の成す全ての界面が対象である。界面の場合、反射センサーは密度差のある界面に安定するシート状のメンブレン素材に固定する。空気中の固体の計測領域では、干渉計測法が適用し難い軟質ゴムやプラスチックの計測などにも利用できる。
The size of the reflection sensor can be reduced to several tens of μm with RIGA technology, etc., so the size of the object to be measured ranges from about 1 mm to over 100 m, depending on the optical system. In addition to the solids in the air and liquid, the measurement environment covers all interfaces consisting of a solid phase, a liquid phase, and a gas phase. In the case of the interface, the reflection sensor is fixed to a sheet-like membrane material that is stable at the interface having a density difference. In the measurement area of solids in the air, it can also be used for measurement of soft rubber and plastic, which are difficult to apply interferometry.
望遠鏡領域では、従来は三角測量が用いられる大型建造物の計測での新しい応用がある。必要な箇所に円偏光照明と反射センサーを取り付けて、複数個所を同時にリアルタイム計測する応用である。ビルや橋梁などの建造物全体のねじれ変形などの動特性を計測し、耐震を含めた力学特性を“実測”できると期待される。また、望遠鏡を介したリモート計測応用では、接近することが困難な高温、高圧、高磁場、あるいは極低温、真空下などの極端環境計測を学術研究から産業現場まで利用し得る。 In the telescope area, there is a new application in the measurement of large buildings where triangulation is conventionally used. This is an application that attaches circularly polarized light and reflection sensors to the necessary locations and simultaneously measures multiple locations in real time. It is expected to be able to “actually measure” dynamic characteristics including earthquake resistance by measuring dynamic characteristics such as torsional deformation of buildings and bridges as a whole. In remote measurement applications via telescopes, extreme environment measurements such as high temperatures, high pressures, high magnetic fields, cryogenic temperatures, and vacuums that are difficult to access can be used from academic research to industrial sites.
本発明の技術は、特に回転・傾斜センサー、リモート回転センサー、リモート傾斜センサー、アライメントスコープなどに好適な回転・傾斜計測技術（回転・傾斜計測装置および回転・傾斜計測方法を含む）として利用できる。
上記では、具体的な態様あるいは具体例を掲げ、本発明を具体的に説明せしめているが、この具体的な態様あるいは具体例は単に本発明の説明のため、その態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。全ての具体的な態様あるいは具体例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。
本発明は、前述の説明及び具体的な態様あるいは具体例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。
The technology of the present invention can be used as a rotation / tilt measurement technique (including a rotation / tilt measurement device and a rotation / tilt measurement method) particularly suitable for rotation / tilt sensors, remote rotation sensors, remote tilt sensors, alignment scopes, and the like.
In the above description, the present invention has been specifically described with reference to specific embodiments or specific examples. However, the specific embodiments or specific examples are provided merely for the purpose of describing the present invention and for reference to the embodiments. It is what has been. These exemplifications are for explaining specific embodiments of the present invention, but are not intended to limit or limit the scope of the invention disclosed in the present application. In the present invention, it should be understood that various embodiments based on the idea of the present specification are possible. All specific embodiments or examples are implemented or can be performed using standard techniques, except as otherwise described in detail, which are well known and routine to those skilled in the art. Is something.
It will be apparent that the invention may be practiced otherwise than as particularly described in the foregoing description and specific embodiments or examples. Many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings, and thus are within the scope of the claims appended hereto.
Claims (16)
であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。 The rotation / tilt measuring device according to any one of claims 2 to 5, wherein the light source device is capable of irradiating the reflection sensor with a circularly polarized light beam group having substantially a polarization ability of 99% or more.
を特徴とする請求項２〜９のいずれか一に記載の回転・傾斜計測装置。 The rotation / tilt measuring device according to any one of claims 2 to 9, wherein the light source device for irradiating the circularly polarized light has a structure substantially integrated with the reflection sensor.
の反射によって観測方向に所定の角度毎に逆向射出するデジタル基準角度を有するものであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の回転・傾斜計測装置。 The rotation / tilt measurement device is a reciprocating optical path type rotation / tilt measurement device, and the reflection sensor has a mirror structure in which two mirror surfaces face each other at a predetermined angle and are fixed. The rotation / tilt measuring device according to claim 11 or 12, wherein the rotation / tilt measuring device has a digital reference angle that reversely emits at a predetermined angle in the observation direction by reflection.
A rotation / tilt measurement method for remotely measuring the rotation / tilt of an object, from a polarization detector installed and fixed in a remote observation direction, a reflection sensor attached to the object, and a light source device that irradiates circularly polarized light on the reflection sensor Using the rotation / tilt measuring device, the reflection angle of the circularly polarized light is specularly reflected by the incident angle distribution within a predetermined range by the reflection sensor, and the specularly reflected light beam is polarized by reflecting the specularly reflected light. A divergent elliptically polarized light beam having a predetermined spatial distribution according to the known incident angle dependency of reflection is formed, the elliptically polarized light beam is measured, and the remote observation light of the reflection sensor from the polarization ellipse of the light component toward the remote observation direction A rotation / tilt measurement method characterized by measuring a rotation angle θ around an axis and an inclination angle φ formed by an observation optical axis.
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