JPH11248489A

JPH11248489A - 二次元アブソリュートエンコーダおよび二次元位置測定装置並びに二次元位置測定方法

Info

Publication number: JPH11248489A
Application number: JP10052161A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimokawabe; 明下河辺
Original assignee: Japan EM Co Ltd
Current assignee: Japan EM Co Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】大測定範囲を絶対座標で表現できる二次元ア
ブソリュートエンコーダとそれを用いた二次元位置測定
装置を提供する。【解決手段】スケール３０３は絶対座標上の位置情報
を表現するマーク３０１を格子状に配置し、このマーク
を検出することでスケール上の測定対象物の二次元位置
をアブソリュート式に測定可能とする。矩形状のマーク
の内部を格子状に複数に分割し、マーク内の１個１個の
分割された範囲を１ビットとする複数桁の２進を表現す
るように設定される。マークが形成された二次元平面を
複数個のブロック５０３に分割し、各ブロックの絶対座
標上の位置情報を表すブロックマークと、各ブロック内
のｘ座標の位置情報を表すｘ座標マークと、各ブロック
内のｙ座標の位置情報を表すｙ座標マークを設定し、こ
れら３種類のマークを所定の規則性に従ってスケール上
に配置する。３種類のマークの情報から１つのマークの
絶対座標が求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定の高速化が期
待できる二次元アブソリュートエンコーダおよびそれを
用いた二次元位置測定装置並びに二次元位置測定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、電子機器の小型化により、半導体
など使用される電子部品の小型・高集積化が進み、これ
らの部品に要求される寸法精度や形状精度が高まってい
る。そのため、その寸法、形状を測定する測定機も高精
度化を要求されている。また、液晶ディスプレイを生産
する際に用いられるフォトマスクなどは、大型・高精細
化が要求されており、これにより高精度化だけでなく、
大測定範囲の測定機が必要となっている。さらに、上記
の要求と同時に生産性向上のため、検査工程の高速化も
要求されている。形状、寸法測定などに多く用いられて
いる精密二次元測定機も例外ではない。

【０００３】二次元形状を測定する際の座標の測定方法
は、次の２種類の方法が従来から用いられている。

【０００４】（１）ｘ、ｙ軸それぞれにリニアエンコー
ダを使用し、ｘ、ｙ座標をそれぞれ測定する方法。

【０００５】（２）二次元平面上に格子状のマークを配
置し、そのマークをｘ、ｙ方向それぞれにカウントして
座標を測定する方法。

【０００６】上記（１）の方法は一般的なものであっ
て、この方法と最近急速な進歩をしている画像処理の技
術を用いて、図１のような精密二次元測定機が構成され
ている。

【０００７】図１の精密二次元測定機は、装置本体１０
１の上面両端に平行に延設されたｘ軸測定用のリニアス
ケール１０３と、両リニアスケール１０３の上方に跨っ
て配置された可動ロッド１０５の上面に取付けられたｙ
軸測定用のリニアスケール１０７とを有し、ｘ軸リニア
スケール１０３は可動ロッド１０５の両端部に一体に装
着されてリニアスケール１０３上をｘ軸方向に走査する
案内機構付き読取ヘッド１０９により読取られ、ｙ軸リ
ニアスケール１０７はリニアスケール１０７上を可動し
てy 方向に走査する案内機構付き読取ヘッド１１１によ
り読取られる。また、装置本体１０１上には測定対象物
１１３を搭載するためのテーブル１１５を有し、測定対
象物１１３を画像読取するためのＣＣＤカメラ１１７が
上記案内機構付き読取ヘッド１１１に取付けられて、こ
の読取ヘッド１１１と一体に可動する。従って、ＣＣＤ
カメラ１１７の移動位置がリニアスケール１０３、１０
７を走査する読取ヘッド１０９、１１１により検知され
る。

【０００８】上記（２）の方法は、［ＸＹリニアエンコ
ーダ］という製品名で二次元座標を測定するセンサとし
て用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術には次のような解決すべき課題がある。

【００１０】（Ａ）上記精密二次元測定機には、リニア
エンコーダの精度、案内機構の真直度、軸の直角度など
の誤差要因があるため、高精度化のために測定データの
補正を行う必要がある。そのため１台毎に組立ててか
ら、それぞれの誤差要因を別々に校正するので時間と労
力を必要とする。そのことが高価格化の原因となってい
る。（参考文献：J.Ye,N.Takac,C.N.Berglund,G.Owen,a
ndR.F.Pease:An Exact Algorithm forSelf-calibration
of Two-dimensionalPrecision Metrology Stges,Prec.
Eng1997,20,l6-32）。

【００１１】（Ｂ）上記精密二次元測定機は、インクリ
メンタル方式のリニアエンコーダを使用しており、［Ｘ
Ｙリニアエンコーダ］もインクリメンタル方式のエンコ
ーダである。そのため、移動速度に制限があり、高速化
の妨げとなっている。

【００１２】（Ｃ）上記精密二次元測定機は、位置検出
用の測定システムと画像処理用のシステムが別々に必要
であり、測定システムの構造が複雑になる。

【００１３】上記のような課題を解決するのためには、
それぞれ次のような方法が考えられる。

【００１４】上記（Ａ）の課題は、［ＸＹリニアエンコ
ーダ］のような二次元平面上にマークを配置する方法を
用れば解決できる。この場合、その校正は、そのマーク
の位置誤差を測定するのみで良い。高精度で広い範囲を
校正するためには、従来の精密二次元測定機が必要とな
るが、１台あれば簡単にマークの位置誤差が測定でき、
労力や時間をそれほど必要とない。これにより精密二次
元測定機の低価格化が可能となる。

【００１５】上記（Ｂ）の課題は、インクリメンタル方
式のエンコーダに対して、アブソリュート方式のエンコ
ーダを使用することで解決できる。アブソリュート方式
のエンコーダは、・移動中の信号処理がないため、高速測定が可能であ
る、・ノイズや電源のＯＮ・ＯＦＦでの誤りが起きず、信頼
性が高い、・始業時や停電後、原点復帰が不要であり、操作が容易
である、という特長を有している。このため、インクリ
メンタル方式のエンコーダよりも、高速測定が可能とな
る。

【００１６】上記（Ｃ）の課題は、図２の（ａ）に示す
ように、マーク２０１を配置した二次元平面上に測定対
象物２０３を直接載せ、ＣＣＤカメラ２０５でその画像
データを取得するという方法で解決できる。このように
することで、ＣＣＤカメラ１台で位置検出と形状測定が
同時にできる。位置検出は、ＣＣＤカメラ２０５の画像
中のマーク２０１を認識し、カウントすることで行わ
れ、形状測定も同一の画像を画像処理することで行われ
る。このような方法を用い、構造の簡単な測定機を製作
することができれば低価格化を実現することができる。

【００１７】しかし、図２の（ｂ）のような形状の測定
対象物２０７を測定しようとした場合には、位置の検出
方法がインクリメンタル方式であるために、内側形状、
外側形状をそれぞれ独立に測定できるが、両者の位置関
係を定め、図２の（ｂ）のｗのような寸法を測定するこ
とはできない。なぜなら、内側の輪郭線を測定するため
には、測定対象物２０７の上を横切らなければならず、
その部分でマーク２０１のカウントができなくなり、位
置検出が不可能となるためである。これに対し、アブソ
リュート方式の位置検出方法で絶対座標が測定できれ
ば、測定対象物上をカメラが横切つた後も正確な位置検
出ができ、この課題の解決が可能となる。

【００１８】上述したこれらの解決法から、二次元平面
上にマークを配置する方法で、大測定範囲のアブソリュ
ート方式のエンコーダを実現できれば、高精度・高速・
大測定範囲の精密二次元測定機が低価格で製作できる可
能性がある。しかしこれまで、そのようなアブソリュー
ト方式のエンコーダは存在していない。

【００１９】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
で、その目的は、二次元平面上にマークを配置し、その
上に測定対象物を直接載せる方法を用いて、大測定範囲
を絶対座標で表現することが可能な二次元アブソリュー
トエンコーダを実現し、さらにはその二次元アブソリュ
ートエンコーダ用いた二次元位置測定装置並びに二次元
位置測定方法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の二次元アブソリュートエンコーダ
の発明は、二次元平面上に絶対座標上の位置情報をそれ
ぞれ表現する複数のマークを等間隔の格子状に配置し、
該マークを検出することで測定対象物の二次元位置をア
ブソリュート式に測定可能とすることを特徴とする。

【００２１】ここで、前記マークは、矩形状であって、
該マークの内部を格子状に複数に分割し、該マーク内の
１個１個の分割された範囲を１ビットとする複数桁の２
進を表現できるように設定されたものとすることができ
る。

【００２２】また、前記マークが形成された二次元平面
は所定の大きさの複数個のブロックに分割され、前記マ
ークは各前記ブロックの絶対座標上の位置情報を表すブ
ロックマークと、各前記ブロック内のｘ座標の位置情報
を表すｘ座標マークと、各前記ブロック内のｙ座標の位
置情報を表すｙ座標マークの３種類が設定され、これら
３種類のマークを所定の規則性に従って配置することで
該３種類のマークの情報から１つのマークの絶対座標が
求められるように設定されているとすることができる。

【００２３】さらに、前記規則性は、ｘ方向に前記ブロ
ックマーク、前記ｙ座標マーク、前記ｘ座標マークをセ
ットとして順に配列し、該ブロックの情報は、ブロック
位置の違いによって変化し、ｙ座標の情報は、ｙ方向に
１行ずれる毎にマーク番号が１変化し、ｘ座標の情報
は、ｘ方向に３列ずれる毎にマーク番号が１変化し、そ
れぞれのマークを階段状にずらして配置することである
とすることができる。

【００２４】さらに、前記ブロックマークは前記ｘ座標
マーク、前記ｙ座標マークと区別できるように、該ブロ
ックマークが表現する２進数の範囲が規定されていると
することができる。

【００２５】上記目的を達成するため、請求項６に記載
の二次元位置測定装置の発明は、請求項１ないし５のい
ずれかに記載の二次元アブソリュートエンコーダが形成
されたスケールと、該スケール上に配置された前記二次
元アブソリュートエンコーダのマークと該スケールに載
置された測定対象物とを含む画像を取得する撮像手段
と、該撮像手段から得られる前記画像を処理して前記マ
ークの配置の規則性から前記マークの位置情報を読み取
る画像処理手段と、該画像処理手段から得られる前記マ
ークの位置情報から該マークの絶対座標を検出し、該マ
ークの絶対座標を基にして同一画像中の前記測定対象物
の輪郭線上にある測定点の絶対座標を算出し、該測定点
の絶対座標の算出処理を該測定対象物の異なる位置の輪
郭線上で繰り返すことにより該測定対象物の二次元形状
を測定する演算手段とを具備することを特徴とする。

【００２６】ここで、前記撮像手段は、前記マークと前
記測定対象物とを含む画像を拡大する顕微鏡と、該顕微
鏡で拡大された画像を読み取るビデオカメラとを有する
とすることができる。

【００２７】また、前記スケールは、該スケールの校正
として該スケール上の前記マークの位置誤差の測定を行
った後、二次元の運動を行うＸ−Ｙステージ上に固定さ
れるとすることができる。

【００２８】さらに、前記スケールの前記マークが請求
項４に記載の前記ブロックマーク、前記ｘ座標マーク、
前記ｙ座標マークからなる場合において、前記演算手段
での前記測定は、前記画像中に前記マークが連続して４
個以上見えているという測定条件を満たす場所で行うと
することができる。

【００２９】さらに、前記演算手段は、画像処理によっ
て前記測定条件を満たすような画像から、前記ブロック
マーク、前記ｘ座標マーク、前記ｙ座標マークを検出
し、それぞれのマーク番号、選択したブロックマーク、
ｘ座標マーク、ｙ座標マークの配列、マークの絶対座標
系での座標、測定点の画像座標系での座標を得るとする
ことができる。

【００３０】さらに、前記スケールの製作誤差や、該ス
ケールを固定した際のずれによるマークの位置誤差を、
校正に用いる測定機の座標系を基準に補正し、それによ
って得られる補正値を含んだマークの絶対座標系での座
標と、絶対座標系と画像座標系の傾き誤差を、校正に用
いる測定機の座標系とビデオカメラの傾きから補正し、
それによって得られる補正値を予め取得する補正データ
取得手段を有し、前記演算手段は該補正値を基に前記測
定点の絶対座標を補正するとすることができる。

【００３１】さらに、水平配置の測定対象物の側方に前
記二次元アブソリュートエンコーダのスケールを垂直に
配置し、該測定対象物と該スケール間に４５度傾斜のハ
ーフミラーを配置し、該ハーフミラーを介して前記撮像
手段により該スケールと該測定対象物の画像を読取ると
してもよい。

【００３２】さらに、前記二次元アブソリュートエンコ
ーダを光あるいは磁気等の測定媒体を透過させる板の表
面、あるいは裏面、またはその両面に形成して前記スケ
ールとし、該スケールを測定対象物の上方に、あるいは
下方に所定の間隔をおいて配置し、前記撮像手段により
該スケールと該測定対象物の画像を読取るとしてもよ
い。

【００３３】上記目的を達成するため、請求項１４に記
載の二次元位置測定装置の発明は、請求項１ないし５の
いずれかに記載の二次元アブソリュートエンコーダが形
成されたスケール上に配置された前記二次元アブソリュ
ートエンコーダのマークと該スケールに載置された測定
対象物とを含む画像を読み取るステップと、前記画像を
処理して前記マークの配置の規則性から前記マークの位
置情報を読み取るステップと、前記マークの位置情報か
ら該マークの絶対座標を検出し、該マークの絶対座標を
基にして同一画像中の前記測定対象物の輪郭線上にある
測定点の絶対座標を算出し、該測定点の絶対座標の算出
処理を該測定対象物の異なる位置の輪郭線上で繰り返す
ことにより該測定対象物の二次元形状を測定するステッ
プとを有することを特徴とする。

【００３４】ここで、前記二次元形状を測定するステッ
プにおいて、前記画像の中央のマークＯ点から画像座標
系のｘ方向に引いた直線と前記測定対象物の輪郭線との
交点Ａと、画像座標系の前記Ｏ点からｙ方向に引いた直
線と前記測定対象物の輪郭線との交点Ｂと、画像座標系
の前記Ｏ点から前記測定対象物の輪郭線に引いた垂線と
該輪郭線との交点Ｃの３点を前記測定点として用いると
することができる。

【００３５】また、前記二次元形状を測定するステップ
において、前記Ａ点がないときは、前記中央のマークＯ
点の左右どちらかのマークから画像座標系のｙ方向に引
いた直線と前記測定対象物の輪郭線との交点を測定点と
し、また前記Ｂ点がないときは、前記中央のマークＯ点
の上下どちらかのマークから画像座標系のｘ方向に引い
た直線と前記測定対象物の輪郭線との交点を測定点し、
前記Ｃ点のみ存在する場合や前記Ａ点、Ｂ点、Ｃ点とも
に存在しない場合はその範囲では測定しないものとする
とすることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００３７】（二次元アブソリュートエンコーダの原
理）本発明で提案する二次元アブソリュートエンコーダ
の構成と使用方法の原理は、次のようなものである。こ
の原理の模式図を図３に示す。

【００３８】・二次元平面上に、後述する絶対位置の位
置情報を持つマーク３０１を予め定めた規則性に従って
配置する。以後、これをスケール３０３と呼ぶ。

【００３９】・スケール３０３の校正を行う。

【００４０】・スケール３０３を画像処理装置の付いた
Ｘ−Ｙステージの上に固定する。

【００４１】・測定対象物３０５をスケ一ル３０３上に
直接載せる。

【００４２】・スケール３０３上に配置されたマーク３
０１と測定対象物３０５を含む画像を撮像手段、例えば
ＣＣＤカメラ３０７により取得する。

【００４３】・その画像データを演算装置３０９により
処理し、マークの配置の規則性からマークの位置情報を
読み取る。（参考文献：安居院猛、長尾智晴「画像
の処理と認識」昭晃堂）。

【００４４】・演算装置３０９は、読み取ったそのマー
クの位置情報から、絶対座標計算ブログラムによってマ
ークの絶対座標を検出する。更に、同一画像中の測定対
象物の輪郭線上にある測定点の絶対座標を計算する。

【００４５】・以上の演算処理を異なる位置の測定対象
物の輪郭線上で繰り返し、測定対象物の二次元形状を測
定する。

【００４６】以上の述べた装置構成と演算処理により、
低価格・高精度・高速・大測定範囲の精密二次元測定機
の実現が可能となる。

【００４７】（二次元アブソリュートエンコーダの特
長）上記の原理による本発明の二次元アブソリュートエ
ンコーダは、従来技術に比べ次のような特長を有する。

【００４８】（１）ＣＣＤカメラのみで位置検出、形状
測定が可能である。

【００４９】（２）スケールを測定の基準とするため、
案内機構の真直度や軸の直角度は、測定誤差の要因とな
らない。またスケールの校正、補正は、マ一クの位置誤
差の測定のみで良く、高精度の校正が行えれば、スケー
ルの製作精度も高精度である必要はない。

【００５０】（３）アブソリュート方式のエンコーダで
あるため、移動中の信号処理が不必要で高速測定が可能
であり、また信頼性が高く、原点復帰が不要で操作が容
易である。

【００５１】このような特長から、本発明の二次元アブ
ソリュートエンコーダは、従来の二次元座標測定の方法
に比べて、高い有用性を持つものと考えられる。

【００５２】（二次元アブソリュートエンコーダの測定
範囲とその拡大）従来一般に用いられているようなイン
クリメンタル方式の一次元リニアエンコーダのスケール
は、図４の（ａ）に示すように、等間隔の格子を使用し
ているため、比較的高分解能のまま測定範囲を大きくで
き、その精度は格子ピッチの正確さに依存する。このピ
ッチの誤差は、加工精度、温度変化などによって決定さ
れ、測定範囲が大きくなるほど大きくなる。そのため、
大測定範囲で高精度のものを作るのは難しいが、今日で
は３ｍの有効長で（３＋０．００３Ｌ）μｍ（Ｌ（ｍ
ｍ）は測定長）程度の製品が提供されている。（参考文
献：井澤実編著「精密位置決め技術」工業調査
会）。

【００５３】一次元アブソリュート方式の場合は、図４
の（ｂ）に示すように、格子を数個並ベて、１つの格子
を１ビットとし、そのビット情報から位置の絶対値を検
出するものが一般的である。この場合は、分解能を保っ
たまま測定範囲を大きくするには、ビット数を増やさな
ければならないが、例えば、ビット数１０ビットで最小
ビット幅（分解能）１μｍでも測定範囲は１ｍｍと短
い。もし、１ｍのアブソリュートエンコーダを作るなら
ば、２０ビット必要であり、２０個のセンサを必要とす
る。またビットが細かくなればなるほど、製作が難しく
なる。

【００５４】二次元アブソリュートエンコーダも、分解
能を保つたまま測定範囲を大きくするには、位置情報を
表現するマーク内のビット数を増やさなければならな
い。しかし一次元のアブソリュート方式のリニアエンコ
ーダの場合と同様に、ビット数を増やすとマ一クの形状
が複雑で細かくなり、製作が困難になる。そこで、スケ
ールがそれほど複雑ではなく、分解能を落とすことのな
いマークの位置情報の表現方法や配置の規則性を考える
必要がある。本発明によるその方法等を、次の「絶対座
標の検出方法」の項で詳しく述べる。

【００５５】（絶対座標の検出方法）二次元アブソリュ
ートエンコーダは、どこの測定点でも必ず絶対座標が測
定できなければない。そのためには、マークの位置情報
の表現方法や配置の規則性、また、それらの情報を読み
取った後の絶対座標の計算方法を確立する必要がある。
以下でそれぞれの方法について述べる。

【００５６】（スケール）本発明の一実施形態による二
次元アブソリュートエンコーダのスケール３０３は、図
５に示すように、ガラス基板の表面に格子状に正方形の
マーク３０１を配置する。更に、そのマーク３０１は内
部を格子状に９分割し、マーク内の１個１個の分割され
た範囲を１ビットとする９桁の２進数を表現できるよう
にする。このマーク３０１で表現できる情報の数は、２
⁹ ＝５１２である。図５の５０１は後述のブロック、５
０３の破線は各ブロックを分けるブロック境界を表す。

【００５７】図６に示すマークは、上記の５１２種類の
マークの中の数種類のマークであり、これらのマークが
表す２進数の情報を１０進数に換算したそれぞれのマー
クの情報（以後、この情報のことをマーク番号呼ぶ）を
位置の情報として利用する。そのマーク内の分割数を増
やして情報量を増やすことは可能であるが、マークの形
状が複雑で細かくなり、スケールを製作することが難し
くなる。そこで、以下に説明する本例では、実施が比較
的容易な、９分割したマークを使用することとする。

【００５８】この５１２種類のマークで、広い絶対座標
測定範囲を確保するために、本発明では次のような位置
情報の表現方法とマークの配置を用いる。

【００５９】まず、図５に示すように、スケール３０３
を複数個のブロック５０１に分割し、そのブロック中の
１個１個のマーク３０１にそれぞれブロック５０１の位
置、ｘ座標、ｙ座標の情報を付与する。以後、ブロック
位置を表すマークをブロックマーク、ｘ座標の情報を表
すマークをｘ座標マーク、ｙ座標の情報を表すマークを
ｙ座標マークと称することとする。ここでブロックマー
クは、図６に示すように、マーク番号２５６以上のマー
クを用いることとし、ｘ座標マーク、ｙ座標マークと区
別できるようになっている。

【００６０】この３種類のマーク（ｘ座標マーク、ｙ座
標マーク、ブロックマーク）を予め定めた規則性に従っ
て配置し、３種頻のマークの情報から１つのマークの絶
対座標が求められるようになっている。その規則性と
は、例えば図７に示すようなものである。

【００６１】・ｘ方向にブロックマーク、ｙ座標マー
ク、ｘ座標マークを順に配列する。

【００６２】・ブロックの情報は、ブロック位置の違い
によって変化する。ｙ座標の情報は、ｙ方向に１行ずれ
る毎にマーク番号が１変化する。ｘ座標の情報は、ｘ方
向に３列ずれる毎にマーク番号が１変化する。

【００６３】・それぞれのマークを階段状にずらして配
置し、上記の規則性からブロックマークの右上のマーク
はｘ座標マーク、左下のマークはｙ座標マークとなる。

【００６４】ブロックマークは、上記のようにｘ座標マ
ーク、ｙ座標マークと区別できるようになっているの
で、ブロックマークが確認できれば、ｘ座標マーク、ｙ
座標マークも識別できるようになっている。

【００６５】このようなマークの位置情報の表現方法と
配置の規則性により、５１２個のマークを単純に並べ
て、１つのマークの位置情報で１つのマークの絶対座標
を与えるのではなく、３種類のマークの情報で１つのマ
ークの絶対座標が求められるので、前者の１つのマーク
の位置情報で１つのマークの絶対座標を与える場合に得
られる測定範囲の約１０万倍の測定範囲を確保できる。
また、マークは格子状に配列されているので、どこか１
つのマークの絶対座標が求められれば、残りのマーク
は、求めたマークからそれぞれ格子のピッチ分離れた座
標となる。このような構成と測定方法により、本発明の
二次元アブソリュートエンコーダは、広い絶対座標測定
範囲の実現が可能となる。

【００６６】（測定条件）絶対座標を前項で述べたスケ
ールを用いて測定する場合、１つの測定点（絶対座標）
についてブロックマーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マーク
が必ずそれぞれ１個必要となる。そこで測定時には、図
８に示すように、９個のマークの画像から、ブロックマ
ーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マークを選択する。図８の
（ａ）はブロックマークが９個のマークの中心に存在す
る場合、図８の（ｂ）はｘ座標マークが９個のマークの
中心に存在し、その周りにブロックマークが存在する場
合、図８の（ｃ）はｙ座標マークが９個のマークの中心
に存在し、その周りにブロックマークが存在する場合を
それぞれ示している。

【００６７】しかし、実際に測定を行う場合、図９に示
すように、スケール３０３上に測定対象物３０５が載せ
られる。それにより、例えば、図中の破線で示した画像
９０１を使って絶対座標を計算しようとした場合、その
画像中にブロックマークがないため絶対座標の計算が不
可能となる。この計算が可能であるのは、次のような場
合である。

【００６８】・９０３で示すように、マークが縦に３個
見える。

【００６９】・９０５で示すように、マークが横に３個
見える。

【００７０】・９０７、９０９、９１１で示すように、
マークが正方形に４個見える。

【００７１】このような配列のマークが画像中に見えて
いる場合には、必ずその中にはブロックマーク、ｘ座標
マーク、ｙ座標マークが含まれており、絶対座標の計算
が可能となる。

【００７２】画像中に連続したマークが４個以上見えて
いるとき、先に述べた配列が必ず含まれ、その中には必
ずブロックマーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マークが含ま
れるので、マークの絶対座標の計算が必ず可能である。
そこで、本例の二次元アブソリュートエンコーダによる
測定では、画像中にマークが連続して４個以上見えてい
るという条件を満たす場所で測定を行うものとする。

【００７３】（絶対座標の計算）絶対座標を計算するた
めに、図１０に示すように、まず以下の座標系を定義す
る。

【００７４】（１）絶対座標系：スケール３０３の１番
左下のマークを原点（０）とし、校正に用いる測定機の
座標系を基準とする座標系（０−ｘｙｚ座標系）。

【００７５】（２）画像座標系：ＣＣＤカメラ３０７で
得られる画像の１番左下の画素を原点（０′）とし、画
素の配列方向を基準とする座標系（０′−ｘ′ｙ′ｚ′
座標系）。

【００７６】次に上述した測定条件を満たすような画像
から、ブロックマーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マークを
検出し、それぞれのマーク番号（ｋ、ｍ、ｎ）、選択し
たブロックマーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マークの配
列、マークの絶対座標系での座標（ｘ_m 、ｙ_m ）、測定
点の画像座標系での座標（ｘ′_p 、ｙ′_p ）を画像処理
によって得ることができる。絶対座標系と画像座標系
は、図１０に示すような関係になっており、測定点
（ｐ）の絶対座標系での座標（ｘ_p 、ｙ_p ）が次式
（１）で計算できる。

【００７７】

【数１】ｘ_p ＝Ｎ×Ｐ＋（ｘ′_p −ｘ′_m ）Ｑｙ_p ＝Ｍ×Ｐ＋（ｙ′_p −ｙ′_m ）Ｑ …（１）ここで、Ｐはマーク間の距離，Ｑは１画素（ピクセル）
の長さである。また、Ｍ、Ｎは画像中にある９個のマー
クのうちの中央のマークのスケール全体での行と列を表
しており、これら行と列の座標は、選択したブロックマ
ーク、ｘ座標マーク、ｙ座標マークの配列から決定され
る下記の表１の計算式によって求めることができる。中
央のマークは、実際の測定時には測定対象物で見えない
こともあるが、画像中のどれか１個のマークの絶対座標
系での座標と画像座標系での座標が確認できれば、中央
のマークの画像座標系での座標も計算によって求めるこ
とができる。また、選択されたマーク配置がブロックの
境界をまたぐ場合、ブロック境界でマーク配置の規則性
が変化するため、表１に示すように、同じ配列でも別の
計算式が必要となる。

【００７８】

【表１】

【００７９】図１０に示すように、絶対座標系と画像座
標系の傾き誤差が無く、マークが正確に配置されている
場合は、上記の方法で測定点の絶対座標が計算できる。
しかし次のような場合には誤差が発生する。

【００８０】（１）組立誤差などが理由で絶対座標系に
対し、画像座標系が傾いている。

【００８１】（２）スケールの製作精度が低く、格子の
ピッチに誤差がある場合。

【００８２】そこで、本発明では、図１１に示すよう
に、スケールの製作誤差や、スケールを固定した際のず
れによるマークの位置誤差を、校正に用いる測定機の座
標系を基準に補正し、それによって得られる補正値を含
んだマークの絶対座標系での座標（ｘ_mc、ｙ_mc）と、絶
対座標系と画像座標系の傾き誤差を、校正に用いる測定
機の座標系とカメラの傾きから補正し、それによって得
られる補正値θを、予め補正データとして取得する。

【００８３】これにより、マーク番号とマークの配列に
よって決定される中央のマークのスケール全体での行Ｍ
と列Ｎから、そのマークの補正値を含んだ絶対座標系で
の座標（ｘ_mc、ｙ_mc）が求められ、更に画像座標系での
中央のマークと測定点の座標が画像処理から求められる
ので、測定点の画像座標系０′−ｘ′ｙ′ｚ′から絶対
座標系０−ｘｙｚへの変換は、次式（２）の座標変換式
を使って求められ、補正された測定点の絶対座標での座
標が計算できる。

【００８４】

【数２】

【００８５】このように、予め取得しておいた補正デー
タ（ｘ_mc、ｙ_mc）、傾きの補正値θと画像から得られる
中央のマークの画像座標系での座標（ｘ′_m 、ｙ′
_m ）、スケール全体での行と列（Ｍ、Ｎ）、測定点の画
像座標系（ｘ′_p 、ｙ′_p ）から、図１２に示すような
処理手順により、測定点の補正された絶対座標での座標
（ｘ_p 、ｙ_p ）が計算できる。

【００８６】また、測定点を画像処理によって求める場
合、図１３の破線で示した画像のように、同一のマーク
が画像の中央にある範囲ならば、座標計算に使う画像が
異なっていても、同一の測定点の絶対座標を計算でき
る。なぜならば、計算に必要な情報は、図１２中の計算
式にも示されているように、画像座標系での中央のマー
ク１３０１と測定点１３０３の相対的な位置（ｘ′_p −
ｘ′_m 、ｙ′_p −ｙ′_m）と中央のマーク１３０１のス
ケール座標系での絶対座標（ｘ_mc、ｙ_mc）であり、これ
らの情報は同一のマークが画像の中央にあるならば、同
一の結果が得られるためである。このことは、画像上の
テンプレートに測定点を合わせて、そのときの座標を測
定する従来の方法に比べ、カメラの位置合わせを正確に
する必要がないという優れた利点が得られる。

【００８７】これまで述べたように、高精度の二次元ア
ブソリュートエンコーダを製作するためには、校正が必
要であり、補正データを高精度で測定する必要がある。
高精度で広範囲を校正する方法としては、精密二次元測
定機を使用する方法などが考えられる。このことから、
従来の複雑な校正を行う精密二次元測定機が１台は必要
である。しかし逆に言えば、本発明では、精密二次元測
定機が１台あれば、多数のスケールに対しても、スケー
ルの校正が簡単に高精度で行うことができ、スケールの
製作精度や測定機の組立精度、運動精度に依らずに、高
精度な二次元位置測定装置が比較的低価格で製作でき
る。

【００８８】（他の実施形態）前述の図７は、スケール
３０３上の二次元アブソリュートエンコーダを構成する
各マーク（ｘ座標マーク、ｙ座標マーク、ブロックマー
ク）の配置の規則性の一具体例を示したものであり、本
発明に係るその規則性を具体化したパターンは図７に示
すものに限定されない。例えば、図３１に示すような変
形例のものでも図７に示すもとの同様に機能することは
明らかである。

【００８９】上記各マークの種類（ｘ座標マーク、ｙ座
標マーク、ブロックマーク）毎にマークの色あるいは反
射率を変えて形成することで、マークの種類を色あるい
は反射率の違いで識別するようにしてもよい。この場
合、例えば、フォトエッチング技術を用いればマークの
種類毎に色あるいは反射率の異なる金属等を用いて形成
することができる。

【００９０】水平配置の測定対象物の側方に本発明の二
次元アブソリュートエンコーダのスケールを垂直に配置
し、測定対象物とスケール間に４５度傾斜のハーフミラ
ーを配置するという装置構成も採用できる。更に、本発
明の二次元アブソリュートエンコーダを、光（あるいは
磁気等の測定媒体）を透過させる板の表面、あるいは裏
面、またはその両面に形成して透過スケールとし、この
スケールを測定対象物の上方に、あるいは下方に配置し
て、ＣＣＤカメラ等によりスケールと測定対象物の画像
を読取るというような装置構成も採用できる。

【００９１】なお、本発明の装置の演算処理等は、前述
した実施の形態の機能を実現するソフトウエアのプログ
ラムコードを記録した記録媒体（記憶媒体）を、システ
ムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置の
コンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に格
納されたプログラムコードを読み出し、実行することに
よっても、達成されることは言うまでもない。この場
合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が
前述した実施の形態の機能を実現することになり、その
プログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成す
ることになる。そのプログラムコードを記録し、またテ
ーブル等の変数データを記録する記録媒体としては、例
えばフロッピディスク（ＦＤ）、ハードディスク、光デ
ィスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁
気テープ、不揮発性のメモリカード（ＩＣメモリカー
ド）、ＲＯＭなどを用いることができる。

【００９２】

【実施例】次に、本発明の一実験例とその実験結果につ
いて詳述する。

【００９３】（実施装置の構成例）図１４は、本発明で
提案した二次元アブソリュートエンコーダの原理の実証
と、二次元形状測定への応用を示すために構成した実施
装置の構成例を示す。本実施装置は大きく分けて、ＣＣ
Ｄカメラ１４０１、顕微鏡１４０３、画像処理ボード１
４０５、コンピュータ１４０７、画像処理ソフトウエア
１４０９により構成された画像取得・処理装置と、Ｘ−
Ｙステージ１４１１、およびスケール３０３とによって
構成されている。Ｘ−Ｙステージ１４１１上には本発明
による二次元アブソリュートエンコーダのスケール３０
３が装着され、そのスケール３０３上に測定対象物３０
５が載置され、またＸ−Ｙステージ１４１１にカウンタ
１４１３が接続されている。

【００９４】以下に、それぞれの構成機器の仕様や機能
および動作等について説明する。

【００９５】（仕様例）一般的にリニアエンコンダは、
測定範囲が大きくなると精度が悪化するため、高分解
能、高精度のものは、測定範囲を大きくすることが難し
く、応答速度も非常に遅くなる。一般的なリニアエンコ
ーダの仕様は、分解能０．５μｍ〜１μｍ、測定範囲１
００ｍｍ〜３０００ｍｍの場合、Ｌを測定長とすると、
その精度は（３＋３Ｌ／１０００）μｍ（測定長１００
〜１５００ｍｍ）〜（５＋５Ｌ／１０００）μｍ（測定
長１６００〜３０００ｍｍ）となっている。（参考文
献：R.V.Stuart「入門真空・薄膜・スパッタリング」技
報堂出版）。

【００９６】そこで、本実施例では、上記の仕様をもと
に、本発明で提案した二次元アブソリュートエンコーダ
の仕様を、一例として、（１）絶対座標測定範囲５００
ｍｍ×５００ｍｍ以上、（２）測定の最小分解能２μｍ
以下、とし、これを本発明の実証に用いる実施装置を構
成する上での基準とした。

【００９７】（画像取得・処理装置）図１４に示すよう
に、顕微鏡１４０３で拡大した測定対象物３０５とスケ
ール３０３の映像をＣＣＤカメラ１４０１から、画像処
理ボード１４０５を介してパーソナルコンピュータのよ
うなコンピュータ１４０７に取り込み、コンピュータ１
４０７内の画像処理ソフト（画像処理プログラム）１４
０９を用いて画像処理およびその後の座標計算を行う。

【００９８】以下に本実施例装置を構成するのに使用し
た各機器の仕様例を記す。

【００９９】・顕微鏡１４０３ニコン社製測定顕微鏡対物レンズ１０倍・ＣＣＤカメラ１４０１東京電子工業社製ＴＶ方式・ＲＳ１７０方式ＣＣＤカメ
ラ有効画素数７６８（ｘ）×４９３（ｙ）走査面積８．８×６．６ｍｍ・画像処理ボード１４０５ＤＡＴＡＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯＮ社製ＤＴ３１５５モノクロ画像用画像処理装置・画像処理ソフト１４０９Ｉｍｐｕｌｓ社製ＶｉｓｉｏｎＸＸＬコンピュータ１４０７に実際に画像を取り込む際の画素
数は、信号処理の関係で６４０（ｘ）×４８０（ｙ）と
なり、このような仕様様で構成された画像取得・処理装
置を用いると、その最小分解能は、・ｘ方向８．８／６４０／１０＝１．３７５μｍ・ｙ方向６．６／４８０／１０＝１．３７５μｍとなる。二次元アブソリュートエンコーダ３０３の最小
分解能は、画像取得・処理装置の最小分解能に依存する
ため、今回構成した実施装置の最小分解能は１．３７５
μｍとなる。

【０１００】この最小分解能は、上記で定めた仕様（測
定の最小分解能２μｍ以下）を満たしている。また、こ
の最小分解能は、もっと細かい画素のＣＣＤカメラを使
用するか、顕微鏡の倍率を上げることで小さくすること
ができる。ただし、顕微鏡の倍率を上げる方法を取った
場合、同じスケールを使用すると、視野内に９個のマー
クが入らなくなるので、視野内に９個のマーク入るよう
に、スケールを縮小して製作し直す必要がある。

【０１０１】（Ｘ−Ｙステージ）スケール３０３をｘ、
ｙ方向に移動させるために、顕微鏡１４０３に取り付け
可能なＸ−Ｙステージ１４１１を用いる。これによりス
ケール３０５を手動でｘ、ｙ方向に移動できる。このＸ
−Ｙステージ１４１１には、ｘ、ｙ方向にそれぞれイン
クリメンタル方式のリニアエンコーダが付いており、ス
テージの動きをカウンタ１４１３で読むことができるよ
うになっている。今回使用したＸ−Ｙステージ１４１１
の仕様は、以下のようになっている。

【０１０２】・Ｘ−Ｙステージ１４１１ニコン社製Ｘ−Ｙステージ移動範囲１００（ｘ）×１００（ｙ）ｍｍ精度３＋Ｌ／５０μｍ（Ｌ：測定長）エンコーダ最小分解能０．５μｍこのＸ−Ｙステージ１４１１に付属しているリニアエン
コーダ（図示しない）により、二次元アブソリュートエ
ンコーダの測定とは別に、二次元座標を測定し、両測定
値を比較することで、二次元アブソリュートエンコーダ
の測定の精度を検討できる。

【０１０３】（スケール）今回試作したスケールは、次
のような工程で製作した。

【０１０４】（１）ガラス基板上にアルミニウムを真空
蒸着、（２）その上にフォトレジストを塗布、（３）Ｓ
ＥＭ（走査型電子顕微鏡）に付属している電子ビーム露
光装置によって、スケールのマークを描画、（４）エッ
チングによってマーク以外の部分のアルミニウムを除
去。

【０１０５】電子ビーム露光装置の１回の最大描画範囲
が１．６ｍｍ×１．６ｍｍしかなく、ＳＥＭのＸ−Ｙス
テージの可動範囲も４０ｍｍ×４０ｍｍ程度しかない。
そのため、目標とする５００ｍｍ×５００ｍｍのスケー
ルを製作することができなかった。そこで今回は１０ｍ
ｍ×１０ｍｍのスケールを試作し、絶対座標が測定可能
であるかを確認することとした。また、最大描画範囲
１．６ｍｍ×１．６ｍｍにより、１０ｍｍ×１０ｍｍの
スケールの全範囲を露光するために、スケール３０３の
全範囲を３６分割して描画した。しかし、ＳＥＭのＸ−
Ｙステージの可動範囲を拡大する等の改良により、５０
０ｍｍ×５００ｍｍ、あるいは１２００ｍｍ×１２００
ｍｍのスケールを製作することは十分可能である。

【０１０６】試作したスケールを図１５に示す。その内
部は、図１６に示すように、「発明の実施の形態」の欄
で述べたマーク３０１とマーク配置によって構成されて
いる。スケール内のマーク３０１の寸法は、マーク間隔２５０μｍマーク寸法４０μｍ×４０μｍとなっている。この寸法で、「発明の実施の形態」の欄
で述べたマークとマーク配置のスケールを実際に製作す
るとすれば、約１２００ｍｍ×１２００ｍｍの絶対座標
測定範囲を得ることができ、今回定めた仕様（絶対座標
測定範囲５００ｍｍ×５００ｍｍ以上）を十分満足する
ものである。また、この寸法のスケールを前述の画像取
得・処理装置で見ると、ＣＣＤカメラ１４０１の視野内
に９個のマーク３０１が入るようになっており、絶対座
標の測定が可能となっている。

【０１０７】しかし、この寸法でスケールを製作する
と、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲は１ブロックの範囲内
で、１ブロック内の測定の可、不可しか確認ができな
い。そこで、ブロック境界や他のブロックでも測定が可
能であるかを確認するために、図１５に示すように、１
ブロックの範囲を小さくし、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲
を３ブロックで表現するようにした。

【０１０８】（実験方法）以下に述べる本発明に関する
実験は、図１４に示すスケール３０３の二次元アブソリ
ュートエンコーダにより測定された測定点の二次元座標
と、その二次元アブソリュートエンコーダに原点を一致
させたＸ−Ｙステージ１４１１のリニアエンコーダによ
り測定された同一測定点の二次元座標とを比較すること
により行う。

【０１０９】しかし、実際に測定する場合、二次元アブ
ソリュートエンコーダのスケール３０３とＸ−Ｙステー
ジ１４１１の座標系とを正確に合わせることは実際上困
難である。「発明の実施の形態」の欄で述べたように、
実際に二次元アブソリュートエンコーダを使用する場合
には、スケールの製作精度や測定機の組立精度などの誤
差要因のためにスケールの校正を行う必要がある。そこ
で、Ｘ−Ｙステージ１４１１の座標系を基準にスケール
３０３の校正を行い、その校正を行ったスケール３０３
を使用して実験を行う。その校正の方法と校正結果は以
下に詳しく述べる。

【０１１０】（スケールの校正）上述のように、二次元
アブソリュートエンコーダは、スケール３０３の製作精
度などの誤差要因により、校正を行わなければならな
い。実際に５００ｍｍ×５００ｍｍの大測定範囲のスケ
ールを校正する場合には、精密二次元測定機のような大
測定範囲を高精度で測定できる測定機を使用する必要が
ある。しかし今回は校正する範囲が１０ｍｍ×１０ｍｍ
とそれほど大きくないため、簡単に校正することとし
た。その校正は次のような方法で行った。

【０１１１】・Ｘ−Ｙステージ１４１１上にプレパラー
トとカバーガラスで作られたホルダ（図示しない）を接
着剤で固定し、そのホルダ上に二次元アブソリュートエ
ンコーダのスケール３０３を固定する。

【０１１２】・固定されたスケール３０３の原点とＸ−
Ｙステージ１４１１の原点を合わせる。

【０１１３】・コンピュータ１４０７のモニター画面上
において、それぞれ校正するマークの左下の角の画像と
モニター画面上に予め付けたテンプレート（図示しな
い）とが重なるように、Ｘ−Ｙステージ１４１１を移動
させる。ただし、テンプレートとマークが重なったとい
う判断は目視で行う。

【０１１４】・重なった場所のＸ−Ｙステージ１４１１
のリニアエンコーダの座標をカウンタ１４１３のカウン
ト値を読取ることで取得する。この座標を「発明の実施
の形態」の欄で述べた補正値を含むマークの絶対座標系
での座標（ｘ_mc、ｙ_mc）とする。

【０１１５】・この座標値をコンピュータ１４０７内の
座標計算プログラムの中に予め補正データとして入力し
ておき、これを使って座標計算を行う。

【０１１６】実際にこの処理手順により、１０ｍｍ×１
０ｍｍのスケール３０３上のマーク３０１を全マークに
ついて校正するには、１２９６個のマークを測定しなけ
ればならない。目視による測定で行うには測定点数が多
い。そこで、上述したようにスケール製作時に、図１７
に示すように、１０ｍｍ×１０ｍｍのスケールの全範囲
を３６分割（Ａ１〜Ａ３６）して描画を行っているの
で、描画の１回毎のばらつきがなく、描画範囲毎の移動
時の回転方向のずれがなければ、１回で描画できる範囲
内の３６個のマーク（範囲Ａ１内のＭ１〜Ｍ３６）と３
６回描画した各範囲の１番左下の３６個のマーク（範囲
Ａ１〜Ａ３６内のＭ１）の絶対座標系での座標を測定す
れば、全てのマークの補正値を含む絶対座標系での座標
が、この７２個のマークの測定値から求められる。

【０１１７】この校正を行う前に、まず目視による測定
方法のばらつき（偏差）を確認する必要がある。そこ
で、描画範囲Ａ１内のマークＭ１を原点とし、同様に四
隅のＭ６、Ｍ３１、Ｍ３６のそれぞれのマークの位置誤
差を１０回測定し、その誤差のばらつきを確認する。こ
の測定の最小分解能は前述のように０．５μｍである。
その測定結果の一例を図１８に示す。図１８の（ａ）は
マークＭ６、（ｂ）はマークＭ３１、および（ｂ）はマ
ークＭ３６に関する位置誤差のばらつきを示す。この図
１８の結果から、目視による測定方法のばらつき（ｐ−
ｐ値）は最大±３μｍ、標準偏差はｘ、ｙともに１〜
１．５μｍであったことが分かる。

【０１１８】よって、今回行った校正方法では、最大±
３μｍのばらつきを含んでいる。以後、校正の際も、以
下に説明するる実際の測定の場合も、Ｘ−Ｙステージ１
４１１による測定は、目視による方法を用いており、そ
の測定値は、±３μｍのばらつきを含んでいることを前
提とする。

【０１１９】次に、描画の１回毎のばらつきについて確
認する。図１７のＡ１、Ａ２１、Ａ３１の描画範囲内の
３６個のマーク（Ｍ１〜Ｍ３６）の座標を、範囲内の１
番左下のマーク（Ｍ１）を基準に、それぞれ３回づつ測
定する。座標測定は、Ｘ−Ｙステージ１４１１を用いた
目視による方法によって行う。図１９はその測定結果を
グラフの同一の座標上に重ねて表したものである。図１
９の結果を見ると、実際に描画されなければならない点
（マーク間隔０．２５ｍｍ）からの位置誤差はあるが、
描画範囲（Ａ１、Ａ２１、Ａ３１）の違いによる誤差
は、ほとんど存在しない。

【０１２０】上記３範囲（Ａ１、Ａ２１、Ａ３１）の各
３６個のマークそれぞれの位置誤差（ばらつき、偏差）
を比較した結果を図２０に示す。各点は３回の測定誤差
の平均値である。この結果により、ｘ、ｙ方向ともに、
各描画範囲でのマークの位置誤差のばらつき（ｐ−ｐ
値）は、±１μｍ程度であり、この値は目視による測定
のばらつき±３μｍの範囲内であるので、描画毎のばら
つきはほとんど存在しないと言える。

【０１２１】次に、描画範囲毎の移動時の回転方向のず
れについて確認する。描画毎のばらつきの確認の際に測
定した３範囲（Ａ１、Ａ２１、Ａ３１）内のＭ１、Ｍ１
２、Ｍ１３、Ｍ２４、Ｍ２５、Ｍ２６（図１７参照）の
６個のマークの座標データを最小二乗法で直線近似し、
その直線をその範囲のｘ軸とし、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ
４、Ｍ５、Ｍ６（図１７参照）の６個のマークの座標を
最小二乗法で直線近似し、その直線をその範囲のｙ軸と
し、それぞれＡ１、Ａ２１、Ａ３１の３範囲で求めて比
較する。この求めた各範囲のｘ、ｙ軸とＸ−Ｙステージ
１４１１の座標系との傾き（傾斜角度）α、βを計算し
た結果を下記の表２に示す。この計算結果からＡ１、Ａ
２１、Ａ３１の３範囲とも、ほぼ同じ角度でＸ−Ｙステ
ージ１４１１の座標系に対して傾いていることが分か
る。この結果から描画範囲毎の移動時の回転方向のずれ
も存在しないと言える。

【０１２２】またその各範囲ともに、ｘ軸、ｙ軸のずれ
から計算すると、描画された範囲は平行四辺形の形状に
なっている。しかしこれは、露光装置の補正により解決
できることであり、スケール３０３の校正の際には、直
接影響を及ぼさない。

【０１２３】

【表２】

【０１２４】上記の結果から、１回で描画できる範囲内
の３６個のマーク（範囲Ａ１内のＭ１〜Ｍ３６）と３６
回描画したそれぞれの範囲の１番左下のマーク（範囲Ａ
１〜Ａ３６内のＭ１）の絶対座標を測定すれば、全ての
マークの補正値を含む絶対座標系での座標（ｘ_mc、
ｙ_mc）が、この７２個のマークの測定値から求めること
ができる、ということが理解できよう。

【０１２５】そこで、１回で描画できる範囲内の３６個
のマーク（Ｍ１〜Ｍ３６）の絶対座標に、前述の３範囲
を測定した際の測定値の平均値を用いる。また、３６回
描画したそれぞれの範囲の１番左下のマーク（範囲Ａ１
〜Ａ３６内のＭ１）は、スケール３０３の全範囲の１番
左下のマークを原点とし、それぞれのマークの絶対座標
をＸ−Ｙステージ１４１１を用いた目視による方法によ
って測定する。その測定結果を図２１に示す。範囲Ａ１
〜Ａ３６の１番左下のマーク（Ｍ１）をそれぞれ３回測
定した結果得られた測定値のばらつきを図２２に示す。
図２２は、この測定結果も目視による測定のばらつき±
３μｍ範囲内であることを示している。

【０１２６】以上の手順により求めた１回で描画できる
範囲内の３６個のマーク（範囲Ａ１内のＭ１〜Ｍ３６）
の測定値と３６回描画したそれぞれの範囲の１番左下の
マーク（範囲Ａ１〜Ａ３６内のＭ１）の測定値を補正デ
ータとして座標計算プログラムに入力する。次の「二次
元形状測定への応用」の項ではこの校正を行ったスケー
ルを用いて実際に測定を行った実験結果を詳述する。

【０１２７】また、測定点の絶対座標系での座標を計算
するためには、画像座標系と絶対座標系の傾きを予め求
めておく必要がある。そこで、図２３に示すように、あ
る１つのマーク２３０１が画面のｘ方向、ｙ方向の端か
ら端まで移動するように、Ｘ−Ｙステージ１４１１を移
動させ、その時のマーク２３０１の画像座標系での座標
（ｘ′_i 、ｙ′_i ）の測定値から、それぞれｘ、ｙ方向
の絶対座標系（Ｘ−Ｙステージ１４１１の移動方向を基
準とする）と画像座標系の傾きθ_x 、θ_y を求める。同
様の測定を１０回行い、ｘ、ｙ方向を合わせた全ての平
均値を座標計算で用いる画像座標系と絶対座標系との傾
きθとする。今回の実験装置（実施装置）の場合は、こ
の傾きθは０．７８６７°であった。

【０１２８】（二次元形状測定への応用：測定方法）本
発明の二次元アブソリュートエンコーダを用いた実施装
置では、図１４で既に説明したように、画像処理装置の
付いたＸ−Ｙステージ１４１１の上に固定された二次元
アブソリュートエンコーダのスケール３０３の上に、測
定対象物３０５を直接載せる。次に、スケール３０３上
に配置されたマーク３０１と測定対象物３０５を含む画
像を顕微鏡１４０３を介してＣＣＤカメラ１４０１によ
り撮影し、その撮影した画像を画像処理ボード１４０
５、コンピュータ１４０７を通し、コンピュータ内の画
像処理ソフトウエア（図１２、表１等に示すような画像
処理・座標計算プログラムを含む）１４０９を用いて処
理することで、マーク３０１の絶対座標と、同一画像中
の測定対象物３０５の輪郭線上にある測定点の絶対座標
とが同時に計算される。Ｘ−Ｙステージ１４１１を移動
することで、その処理を測定対象物３０５の異なる位置
の輪郭線上で順次繰り返せば、測定対象物３０５の二次
元形状が測定可能となる。従って、マーク３０１の位置
検出と測定対象物３０５の形状測定とを、コンピュータ
１４０７のメモリ内に格納された同一の画像処理・座標
計算プログラムにより同時に行うことができる。

【０１２９】この二次元形状測定を行う際、測定対象物
３０５の輪郭線上の測定点数が多いほど測定対象物３０
５の形状を忠実に再現できることになるが、測定対象物
３０５の面積が大きくなると、データ数が多くなり、処
理速度が遅くなる。そこで、今回の実験では、その測定
点として、図２４に示すように、画像座標系での特徴的
な点を３点取得することとした。

【０１３０】図２４のＡ点は中央のマークＯ点から画像
座標系のｘ方向に引いた直線と測定対象物３０５の輪郭
線との交点であり、Ｂ点は同様に画像座標系のＯ点から
ｙ方向に引いた直線と測定対象物３０５の輪郭線との交
点であり、Ｃ点はＯ点から測定対象物３０５の輪郭線に
引いた垂線と輪郭線との交点である。また、図２４の
（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記Ａ点、あるいはＢ点
が存在しない場合がある。このようなときには、例えば
図２４の（ｂ）のように、Ａ点がないときは、中央のマ
ークＯ点の左右どちらかのマークから、画像座標系のｙ
方向に引いた直線と測定対象物の輪郭線との交点を測定
点（Ａ′点）とし、図２４の（ｃ）のように、Ｂ点がな
いときは、中央のマークＯ点の上下どちらかのマークか
ら、画像座標系のｘ方向に引いた直線と測定対象物の輪
郭線との交点を測定点（Ｂ′点）とする。また、これら
以外に、Ａ点、Ｂ点はいずれも存在しないが、Ｃ点のみ
存在する場合や、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点ともに存在しない場
合がある。その場合は、その範囲では測定しないものと
する。

【０１３１】このような３点の絶対座標が計算できる測
定対象物３０５の輪郭線の形状は、単調増加、単調減少
している連続的な形状に限られる。もし、測定対象物３
０５の輪郭線の形状が複雑な場合には、計算プログラム
の改良が必要である。しかし、今回の実験では、発明の
原理の実証とその応用を示すことが目的であるため、単
純な形状の測定対象物３０５の測定を行い、その測定結
果とＸ−Ｙステージ１４１１で同一の測定対象物３０５
を測定した結果を比較、検討する。

【０１３２】実際の測定値の比較と検討は、次のように
行う。スケール３０３の二次元アブソリュートエンコー
ダによる測定で、絶対座標系での測定点（Ａ点、Ｂ点、
Ｃ点）の座標を上記のようにして求めた後、この求めた
座標のｘの値と同値を取るようにＸ−Ｙステージ１４１
１のｘの値を決め、Ｘ−Ｙステージ１４１１により測定
対象物３０５の輪郭線の座標測定を行う。

【０１３３】このようにして得たそれぞれの測定方法で
のｙの値を比較する。スケール３０３の二次元アブソリ
ュートエンコーダの原点とＸ−Ｙステージ１４１１の原
点は前述のように予め一致させているので、両測定が誤
差なく正確に行われていれば、測定結果（ｙの値）は一
致する。それぞれの測定方法による測定結果を比較、検
討することで、二次元アブソリュートエンコーダによる
絶対座標測定が可能であるかを実証することができる。
Ｘ−Ｙステージ１４１１による測定は、校正の時と同様
にスケール３０３の原点とステージ１４１１の原点を一
致させ、目視によって測定する方法を用いる。

【０１３４】また、今回構成した装置で二次元形状測定
を行うときに、測定対象物３０５の厚さがかなり厚い場
合には、測定対象物に対する顕微鏡１４０３の焦点深度
が浅くなるため、スケール３０３に顕微鏡１４０３の焦
点を合わせると測定対象物３０５の輪郭線がぼやけてし
まう。これは、目視による測定では、大きな測定誤差の
原因になる。そのため、測定対象物３０５には、あまり
厚さのあるものが使用できない。そこで、今回の測定対
象物３０５としては、直線形状のものとして替え刃の剃
刀の刃を使用し、円弧形状のものとして円形のレタリン
グシールを使用するというように、かなり薄いものを使
用した。

【０１３５】（測定結果：直線）直線形状の測定対象物
として剃刀の刃を測定する。測定時の撮像画像を図２５
に示す。この画像はＣＣＤカメラ１４０１からの出力画
像を画像処理ボード１４０５で二値化したもので、コン
ピュータ１４０９での画像処理、座標計算はすべてこの
二値化した画像を基に行われる。

【０１３６】今回の実験では、剃刀の刃（測定対象物）
３０５の輪郭線上の８箇所で、それぞれ図２５のように
中央のマークＯ点からＡ点、Ｂ点、Ｃ点の絶対座標が計
算され、全２４点の二次元アブソリュートエンコーダに
よる測定値を得た。更に、Ｘ−Ｙステージ１４１１によ
り、この２４点の測定値のｘ座標を同値にしたときの剃
刀の刃の輪郭線の座標（ｙ座標）を測定した。これを同
一のマークが見える範囲で画像を取得する位置を移動さ
せ、異なる画像を用いて５回ずつ繰り返し測定を行っ
た。その各測定点での５回の測定の平均値を図２６で四
角と丸の印で示す。図２６中の直線は、Ｘ−Ｙステージ
１４１１による測定の全測定点の測定値を最小二乗法に
より直線近似したものである。

【０１３７】スケール３０３の二次元アブソリュートエ
ンコーダを用いた測定結果とＸ−Ｙステージ１４１１を
用いた測定結果を更に細かく比較、検討するために、図
２６の直線を基準にして、それぞれの測定法の測定回数
５回でのばらつきと、５回の平均値の測定法による相違
を図２７に示す。

【０１３８】図２７に示す測定結果により、５回の平均
値の測定法による違いは、最大で２．４μｍであり、こ
れは目視による測定法のばらつき±３μｍの範囲内であ
る。このことから、本発明で提案した原理に基づく二次
元アブソリュートエンコーダは、校正と同程度の精度で
測定ができることが確認された。図２７のばらつきの結
果を見ると、二次元アブソリュートエンコーダによる測
定は、目視による測定に比べて、ばらつきが少ない。そ
のばらつきは２．８μｍであり、各測定点の測定回数５
回の時の標準偏差は、０μｍ〜１．２μｍであった。

【０１３９】理論的には二次元アブソリュートエンコー
ダの測定は、ばらつきがない。この２．８μｍのばらつ
きは、約２画素分の長さに相当する。二次元アブソリュ
ートエンコーダを用いてＡ、Ｂ、Ｃ点の座標を測定する
と、撮影位置が異なる画像でも、同一の中央のマークが
見えている画像からは同じ測定結果が得られる。しか
し、実際には、同じマークが見えている画像であって
も、図２８に示すように画像の撮影位置の違いで、輪郭
線部分の画素が閾値によって、１画素分の誤差を生じる
可能性がある。中央のマークから測定対象物３０５の輪
郭線までの画素数を測定する場合、マーク側と測定対象
物側の両側でこの１画素分の誤差を生じる可能性がある
ので、これが２画素分のばらつきの原因と考えられる。

【０１４０】（測定結果：円弧）円弧形状の測定対象物
３０５として、円形のレタリングシールを測定する。測
定時の撮像画像を図２９に示す。この画像は、直線形状
測定と同様にＣＣＤカメラ１４０１の画像を二値化した
ものである。レタリングシールの輪郭線上の８箇所で、
上述した直線形状の測定と同様に、図２９に示すよう
に、それぞれ中央のマークからＡ点，Ｂ点，Ｃ点が計算
され、全２４点の二次元アブソリュートエンコーダによ
る測定値を得た。更に、Ｘ−Ｙステージ１４１１によ
り、この２４点の測定値のｘ座標を同値にしたときのレ
タリングシールの輪郭線の座標（ｙ座標）を測定した。
各測定点は３回ずつ繰り返し測定を行っている。

【０１４１】図３０は、その各測定点の３回の測定の平
均値（四角と丸の印で示す）と、スケール３０３の二次
元アブソリュートエンコーダおよびＸ−Ｙステージ１４
１１による測定値をそれぞれの最小二乗法によって円に
近似した結果とを示す。図３０から最小二乗法よって近
似したそれぞれの円は、良く一致していることが分か
る。下記の表３は、それぞれの測定法の測定値から近似
された円の中心の座標と半径とを比較したものである。
中心の座標は、ｘ方向に０．９μｍ、ｙ方向に１．１μ
ｍのずれがあり、半径は０．９μｍの差があった。この
結果は、目視による測定のばらつき±３μｍの範囲内で
ある。このことから、円弧形状の測定対象物も二次元ア
ブソリュートエンコーダを用いた形状測定で、校正と同
程度の精度で測定が可能であることが確認できた。

【０１４２】

【表３】

【０１４３】（その他）なお、上記実験のため試作した
スケールは、ｌ０ｍｍ×１０ｍｍであったが、実用上目
標とする二次元アブソリュートエンコーダの仕様は、例
えば５００ｍｍ×５００ｍｍである。今回実験に使用し
た電子ビーム露光装置では、最大３０ｍｍ×３０ｍｍの
スケールしか製作できない。しかし、フォトマスクを製
作する際に使われる大型の露光装置には、最大描画範囲
が８００ｍｍ×８００ｍｍのものがあり、上記の仕様を
満たすようなスケールの製作は可能である。（参考文
献：田辺功、竹花洋一、法元盛久「フォトマスク
技術のはなし」工業調査会）。

【０１４４】また、実際の生産ラインの検査工程などに
本発明装置を適用する場合に、画像データの取得方法、
座標計算の効率化を図り、画像処理に用いているコンピ
ュータや画像処理ボードを処理速度の速いものを採用す
ることで、さらに測定の高速化が得られることは勿論で
ある。

【０１４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下のような顕著な効果が得られるので、従来技術に比
べ各種分野での適用で高い有用性を持つものと期待でき
る。

【０１４６】（１）従来、座標検出と測定対象物の形状
測定には別々のセンサが必要であったが、本発明による
二次元アブソリュートエンコーダでは、ＣＣＤカメラの
みで座標検出と二次元形状測定が可能である。

【０１４７】（２）アブソリュート方式のエンコーダで
あるため、移動中の信号処理が不必要で高速測定が可能
であり、また信頼性が高く、原点復帰が不要で操作が容
易である。

【０１４８】（３）従来の精密二次元測定機、本発明に
よる二次元アブソリュートエンコーダともに、予め校正
を行い補正データを取得しておく必要がある。しかし、
前者の装置組立後１台毎に行う複雑な校正に比べ、本発
明に係る後者の校正は、測定の基準となるスケール上の
マークの位置誤差を測定するのみで良い。その位置誤差
の測定を比較的高精度に行えれば、スケールの製作精度
を高精度にする必要はない。

【０１４９】（４）従来の精密二次元測定機は、校正に
時間と労力が必要であり、それが測定機が高価格化とい
う問題を引き起こしていたが、それに比べ本発明の二次
元アブソリュートエンコーダは、上記（３）の理由によ
り、比較的廉価に精密二次元測定機が製作できる。

【０１５０】（５）前述のように、本発明の二次元アブ
ソリュートエンコーダとＸ−Ｙステージとを用いて、二
種類の測定対象物（剃刀の刀、円形のレタリングシー
ル）の二次元形状測定を行い、両測定値を比較した結
果、その差は最大２．４μｍであった。この結果は、校
正時の目視による測定のばらつき（ｐ−ｐ値）±３μｍ
の範囲内である。この実験結果から分かるように、校正
によって、絶対座標系と画像座標系の傾きθとスケール
の製作精度などによるマークの位置誤差の補正値を含む
各マークの絶対座標系での座標（ｘｍｃ、ｙｍｃ）を予
め補正データとして取得しておくことで、校正の精度と
同等の精度で二次元形状測定が可能である。

【０１５１】（６）本発明では、二次元平面のスケール
が測定の基準であり、そのスケールの画像から測定点の
絶対座標を計算するため、従来の測定機では誤差要因と
なっていた案内機構の真直度、測定機の軸の直角度は、
本発明の二次元アブソリュートエンコーダでは誤差要因
とならない。

【０１５２】（７）前述した実験例のように、測定点
（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）の座標を、画像処理によって計算
する場合、中央のマークが同一であるような画像から
は、同一の測定結果が得られる。これにより、従来の画
像上のテンプレートに測定点を合わせて、座標を測定す
る方法に比べ、本発明では撮影位置を正確に合わせる必
要がない。

【０１５３】（８）上記（７）の理由から、中央のマー
クが同一である画像を用いた二次元アブソリュートエン
コーダの測定では、原理的に、ばらつきが生じない。

【０１５４】しかし、今回の実験の結果、ばらつきが最
大２．８μｍ存在した。これはＣＣＤカメラの２画素分
の長さに相当する。このばらつきの原因は、画像処理の
過程で生ずる誤差であると考えられる。よって、フィル
タリング等の画像処理技術を用いて、このばらつきの原
因を除去することは可能である。

【０１５５】（９）本発明の二次元エンコーダはアブソ
リュート式のため、従来のインクリメント式の二次元エ
ンコーダでは測定不可能であった中抜きの測定対象物
（図２の（ｂ）参照）でも測定可能となり、また適切な
絶対座標計算アルゴリズムを用いることで不連続または
複雑な測定対象物でも比較的高速に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の典型的な精密二次元測定機の構成を示す
概略斜視図である。

【図２】従来のインクリメント方式のエンコーダと１台
のＣＣＤカメラを用いて測定対象物の位置検出と形状測
定を行う測定方法を示す概念図であり、図の（ａ）は測
定が可能な場合、図の（ｂ）は測定が不可能な場合を示
す図である。

【図３】本発明の二次元アブソリュートエンコーダの構
成とその使用方法の原理を説明する模式図である。

【図４】従来一般に用いられているようなインクリメン
タル方式の一次元リニアエンコーダのスケール（図の
（ａ））と、一次元アブソリュート方式の一次元リニア
エンコーダのスケール（図の（ｂ））の構成を示す拡大
平面図である。

【図５】本発明の一実施形態における二次元アブソリュ
ートエンコーダのスケールの構成を示す模式図である。

【図６】本発明の一実施形態における二次元アブソリュ
ートエンコーダを構成する２進数の情報を表すｘ座標マ
ーク、ｙ座標マークおよびブロックマークのビット配列
（１０進数変換で最大５１２まで表現可能）を示す説明
図である。

【図７】図６に示す３種頻のマークの情報から１つのマ
ークの絶対座標が求められるように図ったマーク配置の
規則性の一例を示す概念図である。

【図８】測定時に撮像画面から３種頻のマークを選択す
る際に、図の（ａ）はブロックマークが９個のマークの
中心に存在する場合、図の（ｂ）はｘ座標マークが９個
のマークの中心に存在する場合、図の（ｃ）はｙ座標マ
ークが９個のマークの中心に存在する場合をそれぞれ示
す模式図である。

【図９】実際に測定を行う場合に絶対座標の計算が可能
となるための画像上のマークの最小必要個数の条件を示
す概念図である。

【図１０】絶対座標を計算するための絶対座標系と画像
座標系の関係を示す図である。

【図１１】スケールの製作誤差や、スケールを固定した
際のずれによるマークの位置誤差を、校正に用いる測定
機の座標系を基準に補正する際の、絶対座標系に対する
画像座標系の傾き補正値θと補正データの関係を示す図
である。

【図１２】本発明の一実施形態における測定点の補正さ
れた絶対座標での座標を計算する演算手順の一例を示す
フローチャートである。

【図１３】同一のマークが画像の中央にある範囲なら
ば、座標計算に使う画像が異なっていても、同一の測定
点の絶対座標を計算できることを示す概念図である。

【図１４】本発明で提案した二次元アブソリュートエン
コーダの原理の実証と、二次元形状測定への応用を示す
ために構成した実施装置の構成例を示す模式図である。

【図１５】本発明で提案した二次元アブソリュートエン
コーダの原理の実証と、二次元形状測定への応用を示す
ための実験用に試作したスケールの内容を示す概念図で
ある。

【図１６】ＣＣＤカメラ（×１００）により撮像された
スケール上のマークの濃淡画像を示す平面図である。

【図１７】図１６のスケールの全範囲を３６分割（Ａ１
〜Ａ３６）して描画を行った状態と、電子ビーム露光装
置の１回の描画範囲のマーク配置（Ａ１）を示す概念図
である。

【図１８】図１７の描画範囲Ａ１内のマークＭ１を原点
とし、マークＭ６（図の（ａ））、マークＭ３１（図の
（ｂ））、マークＭ３６（図の（ｃ））の位置誤差を１
０回測定し、その誤差のばらつきを示すグラフである。

【図１９】図１７のＡ１、Ａ２１、Ａ３１の描画範囲内
の３６個のマーク（Ｍ１〜Ｍ３６）の座標を、範囲内の
１番左下のマーク（Ｍ１）を基準に、それぞれ３回づつ
測定した結果を同一の座標上に重ねて表した状態を示す
図である。

【図２０】３範囲（Ａ１、Ａ２１、Ａ３１）の各３６個
のマークそれぞれのｘ座標（図の（ａ））とｙ座値（図
の（ｂ））の位置誤差（３回の測定誤差の平均値）のば
らつきを示すグラフである。

【図２１】３６回描画したそれぞれの範囲の１番左下の
マーク（範囲Ａ１〜Ａ３６内のＭ１）を、スケールの全
範囲の１番左下のマークを原点とし、それぞれのマーク
の絶対座標を測定した結果を示す図である。

【図２２】範囲Ａ１〜Ａ３６の１番左下のマーク（Ｍ
１）をそれぞれ３回測定した結果得られたｘ座標（図の
（ａ））とｙ座値（図の（ｂ））の測定値のばらつきを
示すグラフである。

【図２３】画像座標系と絶対座標系間の傾きθを求める
方法の一例を示す説明図である。

【図２４】測定対象物の輪郭線上の測定点として画像座
標系での特徴的な点を３点取得する際の特徴的な点の定
義を示す図である。

【図２５】直線形状の測定対象物の一例として剃刀の刃
を測定したときの測定時の撮像画像を示す平面図であ
る。

【図２６】剃刀の刃の輪郭線上の８箇所の全２４点につ
いての二次元アブソリュートエンコーダによる５回の測
定の平均値と、Ｘ−Ｙステージによる５回の測定の平均
値と、Ｘ−Ｙステージによる測定値を最小二乗法により
直線近似して得た直線とを表すグラフである。

【図２７】図２６中の上記直線を基準にして、それぞれ
の測定法の測定回数５回でのばらつきと、５回の平均値
の測定法による相違を、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の測定点の種
類毎に示すグラフである。

【図２８】同じマークが見えている画像であっても、画
像の撮影位置の違いで、輪郭線部分の画素が閾値によっ
て、１画素分の誤差を生じる可能性があることを説明す
る模式図である。

【図２９】円弧形状の測定対象物の一例として円形のレ
タリングシールを測定したときの測定時の撮像画像を示
す平面図である。

【図３０】円形のレタリングシールの輪郭線上の８箇所
の全２４点についての二次元アブソリュートエンコーダ
による３回の測定の平均値と、Ｘ−Ｙステージによる３
回の測定の平均値と、二次元アブソリュートエンコーダ
およびＸ−Ｙステージによる測定値をそれぞれの最小二
乗法によって円に近似した結果とを示すグラフである。

【図３１】図６に示す３種頻のマークの情報から１つの
マークの絶対座標が求められるように図ったマーク配置
の規則性の他の例を示す概念図である。

【符号の説明】

１０１装置本体１０３ｘ軸測定用のリニアスケール１０５可動ロッド１０５１０７ｙ軸測定用のリニアスケール１０９案内機構付き読取ヘッド１１１案内機構付き読取ヘッド１１３測定対象物１１５テーブル１１７ＣＣＤカメラ２０１インクリメント式の二次元エンコーダ上のマー
ク２０３測定対象物２０５ＣＣＤカメラ２０７測定対象物３０１絶対座標上の位置情報を個々に有するマーク３０３スケール（二次元アブソリュートエンコーダ）３０５測定対象物３０７ＣＣＤカメラ（ＣＣＤビデオカメラ）３０９演算装置５０１ブロック５０３ブロックの境界９０１絶対座標の計算が不可能な撮像画像の例９０３、９０５、９０７、９０９絶対座標の計算が可
能な撮像画像の例１３０１撮像画面の中央のマーク１３０３測定点１４０１ＣＣＤカメラ１４０３顕微鏡１４０５画像処理ボード１４０７コンピュータ１４０９画像処理ソフトウエア（画像処理・座標計算
プログラム）１４１１Ｘ−Ｙステージ１４１３カウンタ２３０１注目マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次元平面上に絶対座標上の位置情報を
それぞれ表現する複数のマークを等間隔の格子状に配置
し、該マークを検出することで測定対象物の二次元位置
をアブソリュート式に測定可能とすることを特徴とする
二次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項２】前記マークは、矩形状であって、該マー
クの内部を格子状に複数に分割し、該マーク内の１個１
個の分割された範囲を１ビットとする複数桁の２進を表
現できるように設定されたことを特徴とする請求項１に
記載の二次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項３】前記マークが形成された二次元平面は所
定の大きさの複数個のブロックに分割され、前記マーク
は各前記ブロックの絶対座標上の位置情報を表すブロッ
クマークと、各前記ブロック内のｘ座標の位置情報を表
すｘ座標マークと、各前記ブロック内のｙ座標の位置情
報を表すｙ座標マークの３種類が設定され、これら３種
類のマークを所定の規則性に従って配置することで該３
種類のマークの情報から１つのマークの絶対座標が求め
られるように設定されていることを特徴とする請求項１
または２に記載の二次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項４】前記規則性は、ｘ方向に前記ブロックマ
ーク、前記ｙ座標マーク、前記ｘ座標マークをセットと
して順に配列し、該ブロックの情報は、ブロック位置の
違いによって変化し、ｙ座標の情報は、ｙ方向に１行ず
れる毎にマーク番号が１変化し、ｘ座標の情報は、ｘ方
向に３列ずれる毎にマーク番号が１変化し、それぞれの
マークを階段状にずらして配置することであることを特
徴とする請求項３に記載の二次元アブソリュートエンコ
ーダ。
【請求項５】前記ブロックマークは前記ｘ座標マー
ク、前記ｙ座標マークと区別できるように、該ブロック
マークが表現する２進数の範囲が規定されていることを
特徴とする請求項３または４に記載の二次元アブソリュ
ートエンコーダ。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の二
次元アブソリュートエンコーダが形成されたスケール
と、該スケール上に配置された前記二次元アブソリュートエ
ンコーダのマークと該スケールに載置された測定対象物
とを含む画像を取得する撮像手段と、該撮像手段から得られる前記画像を処理して前記マーク
の配置の規則性から前記マークの位置情報を読み取る画
像処理手段と、該画像処理手段から得られる前記マークの位置情報から
該マークの絶対座標を検出し、該マークの絶対座標を基
にして同一画像中の前記測定対象物の輪郭線上にある測
定点の絶対座標を算出し、該測定点の絶対座標の算出処
理を該測定対象物の異なる位置の輪郭線上で繰り返すこ
とにより該測定対象物の二次元形状を測定する演算手段
とを具備することを特徴とする二次元位置測定装置。
【請求項７】前記撮像手段は、前記マークと前記測定
対象物とを含む画像を拡大する顕微鏡と、該顕微鏡で拡
大された画像を読み取るビデオカメラとを有することを
特徴とする請求項６に記載の二次元位置測定装置。
【請求項８】前記スケールは、該スケールの校正とし
て該スケール上の前記マークの位置誤差の測定を行った
後、二次元の運動を行うＸ−Ｙステージ上に固定される
ことを特徴とする請求項６または７に記載の二次元位置
測定装置。
【請求項９】前記スケールの前記マークが請求項４に
記載の前記ブロックマーク、前記ｘ座標マーク、前記ｙ
座標マークからなる場合において、前記演算手段での前
記測定は、前記画像中に前記マークが連続して４個以上
見えているという測定条件を満たす場所で行うことを特
徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の二次元位
置測定装置。
【請求項１０】前記演算手段は、画像処理によって前
記測定条件を満たすような画像から、前記ブロックマー
ク、前記ｘ座標マーク、前記ｙ座標マークを検出し、そ
れぞれのマーク番号、選択したブロックマーク、ｘ座標
マーク、ｙ座標マークの配列、マークの絶対座標系での
座標、測定点の画像座標系での座標を得ることを特徴と
する請求項９に記載の二次元位置測定装置。
【請求項１１】前記スケールの製作誤差や、該スケー
ルを固定した際のずれによるマークの位置誤差を、校正
に用いる測定機の座標系を基準に補正し、それによって
得られる補正値を含んだマークの絶対座標系での座標
と、絶対座標系と画像座標系の傾き誤差を、校正に用い
る測定機の座標系とビデオカメラの傾きから補正し、そ
れによって得られる補正値を予め取得する補正データ取
得手段を有し、前記演算手段は該補正値を基に前記測定点の絶対座標を
補正することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれ
かに記載の二次元位置測定装置。
【請求項１２】水平配置の測定対象物の側方に前記二
次元アブソリュートエンコーダのスケールを垂直に配置
し、該測定対象物と該スケール間に４５度傾斜のハーフ
ミラーを配置し、該ハーフミラーを介して前記撮像手段
により該スケールと該測定対象物の画像を読取ることを
特徴とする請求項６ないし１１のいずれかに記載の二次
元位置測定装置。
【請求項１３】前記二次元アブソリュートエンコーダ
を光あるいは磁気等の測定媒体を透過させる板の表面、
あるいは裏面、またはその両面に形成して前記スケール
とし、該スケールを測定対象物の上方に、あるいは下方
に所定の間隔をおいて配置し、前記撮像手段により該ス
ケールと該測定対象物の画像を読取ることを特徴とする
請求項６ないし１１のいずれかに記載の二次元位置測定
装置。
【請求項１４】請求項１ないし５のいずれかに記載の
二次元アブソリュートエンコーダが形成されたスケール
上に配置された前記二次元アブソリュートエンコーダの
マークと該スケールに載置された測定対象物とを含む画
像を読み取るステップと、前記画像を処理して前記マークの配置の規則性から前記
マークの位置情報を読み取るステップと、前記マークの位置情報から該マークの絶対座標を検出
し、該マークの絶対座標を基にして同一画像中の前記測
定対象物の輪郭線上にある測定点の絶対座標を算出し、
該測定点の絶対座標の算出処理を該測定対象物の異なる
位置の輪郭線上で繰り返すことにより該測定対象物の二
次元形状を測定するステップとを有することを特徴とす
る二次元位置測定方法。
【請求項１５】前記二次元形状を測定するステップに
おいて、前記画像の中央のマークＯ点から画像座標系の
ｘ方向に引いた直線と前記測定対象物の輪郭線との交点
Ａと、画像座標系の前記Ｏ点からｙ方向に引いた直線と
前記測定対象物の輪郭線との交点Ｂと、画像座標系の前
記Ｏ点から前記測定対象物の輪郭線に引いた垂線と該輪
郭線との交点Ｃの３点を前記測定点として用いることを
特徴とする請求項１４に記載の二次元位置測定方法。
【請求項１６】前記二次元形状を測定するステップに
おいて、前記Ａ点がないときは、前記中央のマークＯ点
の左右どちらかのマークから画像座標系のｙ方向に引い
た直線と前記測定対象物の輪郭線との交点を測定点と
し、また前記Ｂ点がないときは、前記中央のマークＯ点
の上下どちらかのマークから画像座標系のｘ方向に引い
た直線と前記測定対象物の輪郭線との交点を測定点し、
前記Ｃ点のみ存在する場合や前記Ａ点、Ｂ点、Ｃ点とも
に存在しない場合はその範囲では測定しないものとする
ことを特徴とする請求項１５に記載の二次元位置測定方
法。