JPH11344305A - Position detecting apparatus - Google Patents
Position detecting apparatusInfo
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- JPH11344305A JPH11344305A JP15236798A JP15236798A JPH11344305A JP H11344305 A JPH11344305 A JP H11344305A JP 15236798 A JP15236798 A JP 15236798A JP 15236798 A JP15236798 A JP 15236798A JP H11344305 A JPH11344305 A JP H11344305A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は平面内を移動する部
材が所定の基準位置に対してどの程度変位しているを検
出し、基準位置に位置決めし得るようにした位置検出装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position detecting device which detects how much a member moving in a plane is displaced from a predetermined reference position and can position the member at the reference position.
【0002】[0002]
【従来の技術】被測定物の表面を検査する場合には、被
測定物をこれの表面に平行なX軸とY軸の二軸方向に移
動させるようにしており、さらに被測定物をその表面に
垂直なZ軸方向にも移動させるようにしている。この場
合には、XYZの三軸方向に被測定物を移動させて所定
の位置に被測定物を位置決めする必要があるため、高精
度で被測定物の位置を検出し、基準位置に対する変位量
つまり移動量を検出しなければならない。同様に、被測
定物の移動に際して、被測定物が傾斜方向に変位した
り、回転方向に変位することがある場合には、その変位
量を測定する必要がある。2. Description of the Related Art When inspecting the surface of an object to be measured, the object to be measured is moved in two directions of an X-axis and a Y-axis parallel to the surface of the object. It is also moved in the Z-axis direction perpendicular to the surface. In this case, since it is necessary to move the object to be measured in the XYZ three-axis directions and position the object to be measured at a predetermined position, the position of the object to be measured is detected with high accuracy, and the displacement amount with respect to the reference position is determined. That is, the amount of movement must be detected. Similarly, when the object to be measured is displaced in an inclined direction or displaced in a rotating direction during the movement of the object to be measured, it is necessary to measure the amount of the displacement.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】たとえば、レチクル上
に描画されたパターンを半導体ウエハ上に投影露光して
回路パターンを形成するための投影露光装置つまりステ
ッパにあっては、投影露光装置の所定の位置にウエハを
位置決めする必要がある。そのため、従来では、ウエハ
に形成されたマークの位置を光学的に読み取り、読み取
った画像データを画像処理することによってウエハの位
置を検出するようにしている。その場合には、画像処理
の機能を有する複雑な位置決め装置が必要となるだけで
なく、位置検出精度に限度があった。For example, in a projection exposure apparatus, ie, a stepper for projecting and exposing a pattern drawn on a reticle onto a semiconductor wafer to form a circuit pattern, a predetermined pattern of the projection exposure apparatus is required. It is necessary to position the wafer at the position. Therefore, in the related art, the position of the mark formed on the wafer is optically read, and the position of the wafer is detected by performing image processing on the read image data. In that case, not only a complicated positioning device having an image processing function is required, but also the position detection accuracy is limited.
【0004】また、走査形プローブ顕微鏡(scanning pr
obe microscope) にあっては、位置決めに圧電素子を用
いているが、印加電圧に対して変位量が非線形かつ履歴
物性を持つために精度が必要な場合には線形特性を有す
る変位計で、XYZ方向の変位を測定する必要がある。
しかし、独立した3組の変位計を設けると、位置検出装
置が複雑となってしまう。Further, a scanning probe microscope (scanning pr
In an obe microscope), a piezoelectric element is used for positioning. However, when the displacement is nonlinear with respect to the applied voltage and accuracy is required due to its hysteresis, it is a displacement meter having a linear characteristic. It is necessary to measure the displacement in the direction.
However, if three independent sets of displacement meters are provided, the position detection device becomes complicated.
【0005】本発明の目的は、簡単な構造で被測定物の
位置を高精度に検出し得るようにすることにある。An object of the present invention is to enable the position of an object to be measured to be detected with high accuracy with a simple structure.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、移動体に光源からの入射光を照射して前記移動体か
らの反射光により前記移動体の前記入射光に対して直角
方向である横方向の移動量を検出する位置検出装置であ
って、前記入射光の照射される位置を頂点として前記入
射光周りに相互に所定の角度をなして前記移動体に形成
された少なくとも3つの角錐形状の反射面と、それぞれ
の前記反射面からの反射光を受光する少なくとも3つの
受光手段と、それぞれの前記受光手段のうち2つの受光
手段に到達した反射光の強度に応じて、前記入射光に対
して直角方向をなすX方向の強度差を演算するX方向強
度差演算手段と、それぞれの前記受光手段のうち2つの
受光手段に到達した反射光の強度に応じて、前記X方向
に対して直角方向をなすY方向の強度差を演算するY方
向強度差演算手段と、前記X方向の強度差に基づいて前
記移動体のX方向の移動量を演算するX方向移動量演算
手段と、前記Y方向の強度差に基づいて前記移動体のY
方向の移動量を演算するY方向移動量演算手段とを有す
ることを特徴とする。A position detecting device according to the present invention irradiates a moving body with incident light from a light source and reflects light from the moving body in a direction perpendicular to the incident light of the moving body. A position detection device for detecting a certain amount of movement in a lateral direction, wherein at least three of the moving bodies are formed at predetermined angles around the incident light with the position irradiated with the incident light as a vertex. A pyramid-shaped reflecting surface, at least three light receiving means for receiving light reflected from each of the reflecting surfaces, and the input light according to the intensity of reflected light reaching two of the light receiving means. An X-direction intensity difference calculating means for calculating an intensity difference in the X direction perpendicular to the emitted light; and an X-direction intensity difference calculating means for calculating the intensity difference in the X direction according to the intensity of the reflected light that reaches two of the light receiving means. At right angles to Y-direction intensity difference calculation means for calculating the Y-direction intensity difference; X-direction movement amount calculation means for calculating the X-direction movement amount of the moving body based on the X-direction intensity difference; Y of the moving object based on the intensity difference
And a Y-direction movement amount calculating means for calculating the movement amount in the direction.
【0007】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記入射光に対する傾斜方向の移動量を検出
する位置検出装置であって、前記入射光の光軸中心を頂
点として前記入射光周りに相互に所定の角度をなして前
記移動体に形成された少なくとも3つの角錐形状の反射
面と、それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少
なくとも3つの受光手段と、それぞれの前記受光手段の
うち2つの受光手段に到達した反射光の基準位置に対し
て相互に異なった方向であって前記入射光に対するX方
向へのずれ量を演算するX方向ずれ量演算手段と、それ
ぞれの前記受光手段のうち2つの受光手段に到達した反
射光の基準位置に対して相互に異なった方向であって前
記X方向に対して直角方向となったY方向のずれ量を演
算するY方向ずれ量演算手段と、前記X方向のずれ量に
基づいて前記移動体のX方向の傾斜移動量を演算するX
方向傾斜演算手段と、前記Y方向のずれ量に基づいて前
記移動体のY方向の傾斜移動量を演算するY方向傾斜演
算手段とを有することを特徴とする。A position detecting apparatus according to the present invention irradiates a moving body with incident light from a light source and detects the amount of movement of the moving body in a direction of inclination with respect to the incident light based on reflected light from the moving body. And at least three pyramid-shaped reflection surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the incident light as a vertex, and from each of the reflection surfaces At least three light receiving means for receiving the reflected light, and directions different from each other with respect to a reference position of the reflected light which has reached two of the light receiving means in the X direction with respect to the incident light. X direction shift amount calculating means for calculating the shift amount of the light, and directions different from each other with respect to the reference position of the reflected light that has reached two of the light receiving means, with respect to the X direction. A Y-direction displacement amount calculating means for calculating a shift amount in the Y direction becomes the angular direction, X for calculating the tilt movement amount in the X direction of the moving object based on the displacement amount of the X-direction
A directional inclination calculating means, and a Y-direction inclination calculating means for calculating a moving amount of the moving body in the Y-direction based on the shift amount in the Y-direction.
【0008】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記光源に対して接近離反方向である縦方向
の移動量を検出する位置検出装置であって、前記入射光
の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相互に所定の
角度をなして前記移動体に形成された少なくとも3つの
角錐形状の反射面と、それぞれの前記反射面からの反射
光を受光する少なくとも3つの受光手段と、それぞれの
前記受光手段に到達した反射光の基準位置に対して同じ
方向へのずれ量を演算するZ方向ずれ量演算手段と、前
記Z方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光源に対
して接近離反方向である縦方向の移動量を演算する縦方
向移動量演算手段とを有することを特徴とする。The position detecting device according to the present invention irradiates a moving body with incident light from a light source and reflects light from the moving body in a vertical movement amount in a direction in which the moving body approaches and separates from the light source. A position detection device for detecting at least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the incident light as a vertex, At least three light receiving means for receiving the reflected light from each of the reflecting surfaces, and a Z-direction shift amount calculating means for calculating a shift amount in the same direction with respect to a reference position of the reflected light reaching each of the light receiving means And a vertical movement amount calculating means for calculating a vertical movement amount which is a direction in which the moving body approaches and separates from the light source based on the shift amount in the Z direction.
【0009】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記入射光に対する光軸周りの回転方向の移
動量を検出する位置検出装置であって、前記入射光の光
軸中心を頂点として前記入射光周りに相互に所定の角度
をなして前記移動体に形成された少なくとも3つの角錐
形状の反射面と、それぞれの前記反射面からの反射光を
受光する少なくとも3つの受光手段と、それぞれの前記
受光手段に到達した反射光の基準位置に対する光軸周り
方向のずれ量を演算する回転方向ずれ量演算手段と、前
記回転方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光軸周
りに対する回転移動量を演算する回転移動量演算手段と
を有することを特徴とする。The position detecting device of the present invention irradiates a moving body with incident light from a light source and detects the amount of movement of the moving body in the direction of rotation about the optical axis with respect to the incident light by reflected light from the moving body. A position detecting device, wherein at least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the movable body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the incident light as an apex; At least three light receiving units for receiving the reflected light from the reflecting surface, a rotational direction shift amount calculating unit for calculating a shift amount in a direction around the optical axis with respect to a reference position of the reflected light reaching each of the light receiving units, A rotational movement amount calculating unit configured to calculate a rotational movement amount of the moving body around the optical axis based on an amount of displacement in a rotation direction.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0011】図1は本発明の一実施の形態である位置検
出装置の基本原理を示す図であり、X方向、Y方向およ
びZ方向の3次元方向に直線移動自在であり、θX 方向
およびθY 方向に傾斜移動自在であり、R方向に回転自
在となった移動部材Wには反射部材10が設けられてい
る。[0011] Figure 1 is a diagram showing the basic principle of the position detection apparatus according to an embodiment of the present invention, X-direction, a linearly movable in three dimensional directions Y and Z directions, theta X direction and theta Y direction is freely tilting movement, the moving member W, which is rotatable in the R direction is provided with the reflecting member 10.
【0012】この反射部材10には、四角錐形状の凹面
Cが形成されており、この凹面Cは相互に所定の角度γ
をなして対向つまり向き合っている第1の反射面11と
第2の反射面12と、これらの反射面11,12に対し
て90度の角度を隔てて相互に所定の角度γをなして対
向する第3の反射面と第4の反射面14とを有してい
る。この凹面Cは、図示する場合には、ビッカース硬さ
試験機のダイヤモンド製の四角錐形状の圧子を用いて反
射部材10の表面にピラミッド形のくぼみつまり圧痕を
つけることにより形成されており、頂角つまり凹面Cの
頂点15を中心とした対向する2つの反射面のなす角度
γは、136度となっている。The reflecting member 10 has a quadrangular pyramid-shaped concave surface C, and the concave surfaces C are mutually formed at a predetermined angle γ.
The first reflecting surface 11 and the second reflecting surface 12 facing each other, that is, facing each other, are opposed to each other at a predetermined angle γ with respect to the reflecting surfaces 11 and 12 at an angle of 90 degrees. And a fourth reflecting surface 14. In the case shown in the figure, the concave surface C is formed by making a pyramid-shaped depression or indentation on the surface of the reflecting member 10 using a diamond-made pyramid-shaped indenter of a Vickers hardness tester. The angle, that is, the angle γ formed by the two opposing reflecting surfaces about the vertex 15 of the concave surface C is 136 degrees.
【0013】反射部材10に対向させて凹面Cにレーザ
ービームを照射する光源16が配置されている。この光
源16としては、円形のビームスポットを発生させる場
合には、ヘリウム・ネオン(He-Ne) レーザーが使用さ
れ、長方形のビームスポットを発生させる場合には、半
導体レーザーが使用される。A light source 16 for irradiating the concave surface C with a laser beam is disposed so as to face the reflecting member 10. As the light source 16, a helium-neon (He-Ne) laser is used to generate a circular beam spot, and a semiconductor laser is used to generate a rectangular beam spot.
【0014】光源16からのビームの入射光17のう
ち、第1の反射面11で反射した反射光を受光する第1
の受光素子21と、第2の反射面12で反射した反射光
を受光する第2の受光素子22と、第3の反射面13で
反射した反射光を受光する第3の受光素子23と、第4
の反射面14で反射した反射光を受光する第4の受光素
子24とがそれぞれ反射部材10に対向させて配置され
ている。A first light receiving a light reflected by the first reflection surface 11 among the incident light 17 of the beam from the light source 16.
A second light receiving element 22 for receiving the light reflected on the second reflecting surface 12, a third light receiving element 23 for receiving the light reflected on the third reflecting surface 13, 4th
And a fourth light receiving element 24 that receives the light reflected by the reflection surface 14 of each of the above.
【0015】したがって、図2に示すように、反射部材
10に対する4つの受光素子21〜24の位置関係を示
すと、第1の受光素子21と第2の受光素子22は、入
射光17に対して直角方向である1つの横方向つまりX
方向に相互に対向し、第3の受光素子23と第4の受光
素子24は、入射光17に対して直角方向であるととも
にX方向に対して直角方向をなすY方向に相互に対向
し、それぞれの受光素子21〜24は入射光17の光軸
周りに隣り合う位相角εが90度となって配置されてい
る。Therefore, as shown in FIG. 2, the positional relationship between the four light receiving elements 21 to 24 with respect to the reflection member 10 is as follows. The first light receiving element 21 and the second light receiving element 22 One transverse direction that is perpendicular to
The third light receiving element 23 and the fourth light receiving element 24 are opposed to each other in a Y direction which is a direction perpendicular to the incident light 17 and a direction perpendicular to the X direction, Each of the light receiving elements 21 to 24 is arranged so that the phase angle ε adjacent to the optical axis of the incident light 17 is 90 degrees.
【0016】それぞれの受光素子21〜24は、移動部
材Wに隣接して配置された固定部材に取り付けるように
しても良く、移動部材Wに図示しない支持部材を介して
取り付けるようにしても良い。Each of the light receiving elements 21 to 24 may be attached to a fixed member arranged adjacent to the moving member W, or may be attached to the moving member W via a support member (not shown).
【0017】図3は図1における3−3線に沿う反射部
材10の断面図であり、図3(A)は光源16から円形
のレーザービームの入射光17を凹面Cに照射した場合
における入射光の光軸中心と、受光素子21,22に向
かう反射光の光軸中心の軌跡を示す図である。レーザー
ビームは所定のビーム径を有しており、これを反射部材
10に入射すると、図5に示すように、ビーム径に対応
したスポット径dのレーザービームが凹面Cに照射され
る。FIG. 3 is a cross-sectional view of the reflecting member 10 taken along line 3-3 in FIG. 1. FIG. 3 (A) shows the incident light when the concave surface C is irradiated with a circular laser beam incident light 17 from a light source 16. FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a locus of the optical axis center of light and the optical axis center of reflected light traveling toward light receiving elements 21 and 22. The laser beam has a predetermined beam diameter. When the laser beam is incident on the reflecting member 10, a laser beam having a spot diameter d corresponding to the beam diameter is irradiated on the concave surface C as shown in FIG.
【0018】図5(A)は光源16からのレーザービー
ムがその光軸中心を頂点15と一致させて凹面Cに照射
された状態を示す図であり、この場合には、4つの反射
面11〜14には、それぞれ同一の照射面積S1〜S4
となってレーザービームが照射されることになる。FIG. 5A is a view showing a state in which the laser beam from the light source 16 is irradiated on the concave surface C with its optical axis center coincident with the apex 15. In this case, the four reflecting surfaces 11 are shown. To 14 have the same irradiation area S1 to S4, respectively.
As a result, a laser beam is irradiated.
【0019】この状態から移動部材Wによって反射部材
10がX軸方向に変位すると、第1と第2の反射面1
1,12に照射されるレーザービームの照射面積は相違
することになる。X方向は光源16からの入射光に対し
て直角方向をなすとともに第1と第2の反射面11,1
2が相互に対向する方向である。When the reflecting member 10 is displaced in the X-axis direction by the moving member W from this state, the first and second reflecting surfaces 1
The irradiation areas of the laser beams applied to the laser light sources 1 and 12 are different. The X direction is perpendicular to the incident light from the light source 16 and the first and second reflecting surfaces 11, 1
2 is a direction facing each other.
【0020】図5(B)は同図(A)の状態から反射部
材10が矢印で示したように、図において左側に移動し
た状態におけるレーザービームの照射面積S1〜S4を
示す図である。この方向に移動すると、反射面11への
照射面積S1は反射面12への照射面積S2よりも減少
し、他の反射面13,14への照射面積S3,S4は相
互に同一となる。FIG. 5B is a diagram showing the irradiation areas S1 to S4 of the laser beam in a state where the reflecting member 10 has moved to the left in the figure as shown by the arrow from the state of FIG. 5A. When moved in this direction, the irradiation area S1 on the reflection surface 11 is smaller than the irradiation area S2 on the reflection surface 12, and the irradiation areas S3 and S4 on the other reflection surfaces 13 and 14 are the same.
【0021】同様に、入射光に対して直角方向をなすと
ともに、第3の反射面13と第4の反射面14とが相互
に対向する方向、つまりY方向に移動部材Wが変位した
場合には、第3と第4の反射面13,14への照射面積
が変化し、第1と第2の反射面11,12への照射面積
は相互に同一となる。さらに、X方向とY方向の両方向
に移動部材Wが変位した場合には、4つの反射面11〜
14に対する照射面積は相互に相違することになる。Similarly, when the moving member W is displaced in a direction perpendicular to the incident light and in a direction in which the third reflecting surface 13 and the fourth reflecting surface 14 face each other, that is, in the Y direction. In this case, the irradiation area on the third and fourth reflection surfaces 13 and 14 changes, and the irradiation area on the first and second reflection surfaces 11 and 12 becomes the same. Further, when the moving member W is displaced in both the X direction and the Y direction, the four reflecting surfaces 11 to 11 are displaced.
The irradiation area for 14 will be different from each other.
【0022】したがって、このように照射面積が変化す
ると、それぞれの反射面11〜14から受光素子21〜
24に至る反射光の強度は変化することになるので、反
射光の強度を検出することによって、入射光の光軸中心
が凹面Cの頂点15と一致する位置を基準位置として、
移動部材Wが入射光17に対して直角の方向(横方向)
に変位つまり移動した場合に、X方向とY方向のそれぞ
れの方向に移動部材Wがどの程度変位したかを求めるこ
とができる。Therefore, when the irradiation area changes in this manner, the light receiving elements 21 to 21 are reflected from the respective reflecting surfaces 11 to 14.
Since the intensity of the reflected light reaching 24 changes, the position where the optical axis center of the incident light coincides with the vertex 15 of the concave surface C is determined as a reference position by detecting the intensity of the reflected light.
The direction in which the moving member W is perpendicular to the incident light 17 (lateral direction)
When the moving member W is displaced, that is, moved, the moving member W is displaced in each of the X direction and the Y direction.
【0023】求めることができる変位量は、ビーム径d
が凹面Cの領域内から外れない範囲であり、ビーム径d
は凹面Cよりも小さい値に設定される。その変位量を検
出することにより、たとえば、移動部材Wを基準位置に
位置決めする場合には、その基準位置とのずれ量を求め
てずれ量がゼロとなるように移動部材Wを移動すれば、
移動部材Wを基準位置に位置決めすることができる。The amount of displacement that can be obtained is the beam diameter d
Is within the range of the concave surface C, and the beam diameter d
Is set to a value smaller than the concave surface C. By detecting the amount of displacement, for example, when positioning the moving member W at the reference position, if the moving member W is moved so that the amount of deviation from the reference position is determined to be zero,
The moving member W can be positioned at the reference position.
【0024】図3(B)は二点鎖線で示すように、反射
部材10の表面が入射光17に対して直角となっていた
状態を基準位置として、その位置から、実線で示すよう
に、図において反時計方向に角度θX だけ傾斜した場合
を示す図である。この傾斜方向は第1と第2の反射面1
1,12が相互に対向する方向、つまりX方向に傾斜し
た場合であり、この場合には頂点15とそれぞれの受光
素子21,22までの距離をLとすると、第1の受光素
子21には基準位置から2Lθだけずれた位置に向けて
反射光が入射し、第2の受光素子22には基準位置から
同様の距離だけ反対方向にずれた位置に向けて反射光が
入射することになる。In FIG. 3B, as shown by a two-dot chain line, a state where the surface of the reflecting member 10 is perpendicular to the incident light 17 is set as a reference position, and from that position, as shown by a solid line, is a diagram illustrating a case where the inclined counterclockwise by an angle theta X in FIG. The inclination direction is the first and second reflection surfaces 1
In this case, the distance between the vertex 15 and each of the light receiving elements 21 and 22 is L, and the first light receiving element 21 has The reflected light is incident on the position shifted by 2Lθ from the reference position, and the reflected light is incident on the second light receiving element 22 toward the position shifted in the opposite direction by the same distance from the reference position.
【0025】同様に、第3と第4の反射面13,14が
相互に対向する方向、つまりY方向(θY 方向)に傾斜
した場合にも、第3と第4の受光素子23,24に入射
する反射光の位置が基準位置から相互に逆方向にずれる
ことになる。Similarly, when the third and fourth reflecting surfaces 13 and 14 are inclined in the direction facing each other, that is, in the Y direction (θ Y direction), the third and fourth light receiving elements 23 and 24 are also provided. Is shifted from the reference position in the opposite direction to the reference position.
【0026】したがって、移動部材Wが傾斜した場合に
は、反射面からの反射光が受光素子に入射する位置の基
準位置からのずれ量を検出することによって、移動部材
Wの傾斜角度と傾斜方向とを検出することができる。Therefore, when the moving member W is inclined, the amount of deviation of the position where the light reflected from the reflecting surface is incident on the light receiving element from the reference position is detected, whereby the inclination angle and the inclination direction of the moving member W are detected. And can be detected.
【0027】図4(A)は二点鎖線で示すように、反射
部材10の表面と光源16との間の光軸方向の距離がD
となっていた状態を基準位置として、この位置から、実
線で示すように、移動部材WがZ方向に移動して光源1
6に向けて距離Eだけ接近した場合を示す図である。In FIG. 4A, as indicated by a two-dot chain line, the distance in the optical axis direction between the surface of the reflecting member 10 and the light source 16 is D.
Is set as a reference position, and from this position, as shown by a solid line, the moving member W moves in the Z direction and the light source 1
FIG. 9 is a diagram illustrating a case where the vehicle approaches by distance E toward 6.
【0028】この場合には、それぞれの反射光の反射角
度をαとすると、第1の反射面11からの反射光は第1
の受光素子21に対し、第2の反射面12からの反射光
は第2の受光素子22に対し、それぞれ基準位置よりも
E cosαだけ同一の方向にずれることになる。このよう
に移動部材Wが光源16に接近するように変位した場合
には、それぞれ反射光が受光素子に到達する位置が光軸
に近づく方向にずれることになる。In this case, when the reflection angle of each reflected light is α, the reflected light from the first reflecting surface 11 is the first reflected light.
The light reflected from the second reflecting surface 12 is shifted from the reference position by Ecosα in the same direction with respect to the second light receiving element 22. When the moving member W is displaced so as to approach the light source 16 in this manner, the position at which the reflected light reaches the light receiving element is shifted in a direction approaching the optical axis.
【0029】この場合には、第3の反射面13からの反
射光と第4の反射面14からの反射光も、それぞれの受
光素子23,24に対して相互に同一方向に同一の距離
だけずれて入射することになる。In this case, the reflected light from the third reflecting surface 13 and the reflected light from the fourth reflecting surface 14 are also separated from each other by the same distance in the same direction with respect to the respective light receiving elements 23 and 24. The incident light will be shifted.
【0030】したがって、第1と第2の受光素子21,
22に対してそれぞれの反射光が同一の方向に同一の距
離だけずれて入射した場合には、移動部材Wが光軸に沿
って光源16に接近する方向に変位したか、あるいは離
反する方向に変位したかを検出することができるともと
に、その変位量を検出することができる。Therefore, the first and second light receiving elements 21,
When each reflected light is incident on the light source 16 in the same direction and shifted by the same distance, the moving member W is displaced in the direction approaching the light source 16 along the optical axis or in the direction away from the light source 16. Whether the displacement has occurred can be detected and the amount of displacement can be detected.
【0031】このようにして、光源16に対して接近離
反移動して入射光の光軸に沿う方向つまり縦方向(Z方
向)の変位量を検出することができる。In this manner, it is possible to detect the amount of displacement in the direction along the optical axis of the incident light, that is, in the vertical direction (Z direction) by moving toward and away from the light source 16.
【0032】図4(B)は移動部材Wが光軸周りに回転
移動した場合に、受光素子21に到達する反射光のずれ
を示す図であり、移動部材Wが回転する前における反射
光の光軸中心の軌跡を二点鎖線で示し、回転後における
反射光の光軸中心の軌跡が実線で示されている。移動部
材Wが回転すると、反射光は基準位置に対して光軸周り
の方向にずれることになり、そのずれ量を求めることに
より移動部材Wの回転移動量や回転角度を求めることが
できる。移動部材Wが回転した場合には、それぞれの受
光素子に対して同様に光軸周りに同一のずれ量となって
反射光が到達することになる。FIG. 4B is a diagram showing the shift of the reflected light reaching the light receiving element 21 when the moving member W rotates around the optical axis, and shows the shift of the reflected light before the moving member W rotates. The trajectory of the center of the optical axis is indicated by a two-dot chain line, and the trajectory of the center of the reflected light after rotation is indicated by a solid line. When the moving member W rotates, the reflected light shifts in the direction around the optical axis with respect to the reference position, and the amount of rotation and the rotation angle of the moving member W can be obtained by obtaining the amount of the shift. When the moving member W rotates, the reflected light reaches the respective light receiving elements with the same shift amount around the optical axis similarly.
【0033】図6(A)は受光素子21の具体例を示す
図であり、他の受光素子22〜24も同一のものが使用
されている。また、図6(B)は2つの受光素子21,
22のX軸方向に沿う断面図である。FIG. 6A is a diagram showing a specific example of the light receiving element 21, and the same light receiving elements 22 to 24 are used. FIG. 6B shows two light receiving elements 21 and
FIG. 22 is a sectional view taken along the X-axis direction of FIG.
【0034】それぞれの受光素子は、2次元PSD素子
であり、反射光が入射する検出面側のP層と裏面側のN
層と中間のI層との3層構造をシリコン基板の表面に有
するものであり、受光素子に入射した光は光電変換され
て光電流としてP層に設けられたそれぞれの電極21X1
〜21Y2から出力されることになる。Each light receiving element is a two-dimensional PSD element, and has a P layer on the detection surface side where the reflected light is incident and an N layer on the back surface side.
And a three-layer structure of a layer and an intermediate I layer on the surface of the silicon substrate. Light incident on the light receiving element is photoelectrically converted and each of the electrodes 21 X1 provided on the P layer as a photocurrent.
~ 21 Y2 .
【0035】したがって、受光素子の受光面にスポット
光が入射すると、入射位置には反射面からの反射光の光
強度に比例した電荷が発生し、発生した電荷は光電流と
して抵抗層であるP層を通って電極から出力される。こ
れにより、電極から出力される光電流の強さを検出する
ことによって、図5に示すように、それぞれの反射面1
1〜14に光源16から照射されたレーザースポットの
照射面積を検出することできる。図3(A)に示すよう
に、X軸方向に対となった2つの受光素子21,22に
入射される反射光の光強度を検出すれば、入射光17に
対して直角方向となったX方向の移動部材Wの変位量を
検出することができる。抵抗層は全体的に均一な抵抗値
を持っており、光電流は電極までの距離に逆比例して分
割されて出力される。Therefore, when the spot light is incident on the light receiving surface of the light receiving element, an electric charge proportional to the light intensity of the reflected light from the reflecting surface is generated at the incident position, and the generated electric charge is converted into a photocurrent by the P which is a resistive layer. Output from the electrodes through the layers. As a result, by detecting the intensity of the photocurrent output from the electrode, as shown in FIG.
The irradiation area of the laser spot irradiated from the light source 16 to 1 to 14 can be detected. As shown in FIG. 3A, when the light intensity of the reflected light incident on the two light receiving elements 21 and 22 paired in the X-axis direction is detected, the direction becomes a direction perpendicular to the incident light 17. The displacement amount of the moving member W in the X direction can be detected. The resistance layer has a uniform resistance value as a whole, and the photocurrent is divided and output in inverse proportion to the distance to the electrode.
【0036】図6(B)に示すように、受光素子21に
対して入射する反射光の基準位置を受光素子21の両方
の電極21X1と21X2の中心位置(X0 )とし、反射光
が受光素子21に対して図示するようにX1 だけ光源1
6からの入射光17の光軸に近づく方向にずれて入射し
た場合には、入射光17に近い側の電極21X1から取り
出される電流I1 と、遠い側の電極21X2から取り出さ
れる電流I2 は、反射光の入射位置のずれ量X1 に応じ
て変化することになる。As shown in FIG. 6B, the reference position of the reflected light entering the light receiving element 21 is defined as the center position (X 0 ) of both electrodes 21 X1 and 21 X2 of the light receiving element 21 and the reflected light is reflected. Is the light source 1 by X1 as shown in FIG.
When the incident light 17 from the light source 6 is shifted in the direction approaching the optical axis, the current I 1 extracted from the electrode 21 X1 on the side closer to the incident light 17 and the current I 1 extracted from the electrode 21 X2 on the far side are increased. 2 will vary depending on the shift amount X 1 of the incident position of the reflected light.
【0037】したがって、それぞれの電流値を検出する
ことによって、受光素子に到達した反射光の基準位置に
対するずれ量を求めることができる。Therefore, by detecting the respective current values, the amount of deviation of the reflected light reaching the light receiving element from the reference position can be obtained.
【0038】図6(B)に示すように、第1の受光素子
21への反射光の到達位置が入射光17の光軸に接近す
る方向にずれ、第2の受光素子22への反射光の到達位
置が入射光17の光軸から離反する方向にずれた場合に
は、図3(B)に示すように、移動部材Wが傾斜方向に
変位したと判断することができ、X1 の値からその傾斜
量を検出することができる。As shown in FIG. 6 (B), the position where the reflected light reaches the first light receiving element 21 is shifted in a direction approaching the optical axis of the incident light 17, and the reflected light is reflected on the second light receiving element 22. of when the arrival position is displaced in a direction away from the optical axis of the incident light 17, as shown in FIG. 3 (B), can be moved member W is determined to have displaced in the inclination direction, the X 1 The inclination amount can be detected from the value.
【0039】これに対して、図4(A)に示すように、
移動部材Wが入射光17の光軸に沿う方向に光源16に
対して接近する方向に変位した場合には、それぞれの反
射光は受光素子21,22に対して入射光17の光軸に
接近する方向にずれることになり、移動部材Wの接近移
動を検出することができ、ずれ量から接近方向の変位量
を検出することができる。このようにして、Z方向つま
り縦方向に移動部材Wが変位した場合には、その変位量
を求めることができる。移動部材が光源16から離れる
ように変位した場合には、反射光は受光素子21,22
に対して逆方向にずれることになり、移動部材Wの離反
移動を検出することができる。On the other hand, as shown in FIG.
When the moving member W is displaced in a direction along the optical axis of the incident light 17 toward the light source 16, the respective reflected lights approach the light receiving elements 21 and 22 to the optical axis of the incident light 17. The moving member W can detect the approaching movement of the moving member W, and the amount of displacement in the approaching direction can be detected from the amount of the shifting. In this manner, when the moving member W is displaced in the Z direction, that is, in the vertical direction, the displacement amount can be obtained. When the moving member is displaced away from the light source 16, the reflected light is transmitted to the light receiving elements 21 and 22.
, The moving member W can be detected to move away from the moving member W.
【0040】図4(B)に示すように、反射光の到達位
置が光軸周りに回転する方向に基準位置よりもずれた場
合にも、図6(A)に示すずれ量Y1 を検出することに
よって移動部材Wの回転方向の移動量を求めることがで
きる。As shown in FIG. 4B, even when the arrival position of the reflected light is shifted from the reference position in the direction of rotation about the optical axis, the shift amount Y 1 shown in FIG. 6A is detected. By doing so, the moving amount of the moving member W in the rotation direction can be obtained.
【0041】図7および図8はそれぞれの受光素子21
〜24の信号を処理して移動部材の変位量を算出するた
めの制御回路を示すブロック図である。図7に示すよう
に、第1の受光素子21の4つの電極21X1〜21Y2に
は、ここからの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換
回路31X1〜31Y2が接続されており、第2の受光素子
22の4つの電極22X1〜22Y2には、それぞれ電流電
圧変換回路32X1〜32Y2が接続され、同様に、図8に
示す第3と第4の受光素子23,24のそれぞれの電極
にもそれぞれ電流電圧変換回路33X1〜33Y2、34X1
〜34Y2が接続されている。FIGS. 7 and 8 show the respective light receiving elements 21.
FIG. 14 is a block diagram showing a control circuit for processing signals of No. to No. 24 to calculate the amount of displacement of the moving member. As shown in FIG. 7, four electrodes 21 X1 to 21 Y2 of the first light receiving element 21 are connected to current-voltage conversion circuits 31 X1 to 31 Y2 for converting an output current from the electrodes 21 X1 to 21 Y2 , Current-voltage conversion circuits 32 X1 to 32 Y2 are connected to the four electrodes 22 X1 to 22 Y2 of the second light receiving element 22, respectively. Similarly, the third and fourth light receiving elements 23 and 24 shown in FIG. Current-voltage conversion circuits 33 X1 to 33 Y2 , 34 X1
~ 34 Y2 is connected.
【0042】2つの受光素子21,22に到達する反射
光の強度に応じて移動部材WのX方向の移動量を演算す
るために、図7に示すように、第1の受光素子21に接
続された4つの電流電圧変換回路31X1〜31Y2には、
加算回路35aが接続されており、この加算回路35a
により受光素子21に反射した光の全光量、つまり反射
光の強度に対応した電圧値が算出される。同様に、第2
の受光素子22に反射した光の全受光量を算出するため
に、電流電圧変換回路32X1〜32X2にはそれぞれ加算
回路35bが接続されている。To calculate the amount of movement of the moving member W in the X direction according to the intensity of the reflected light reaching the two light receiving elements 21 and 22, as shown in FIG. In the four current-voltage conversion circuits 31 X1 to 31 Y2 ,
An adder circuit 35a is connected to the adder circuit 35a.
As a result, the total amount of light reflected on the light receiving element 21, that is, a voltage value corresponding to the intensity of the reflected light is calculated. Similarly, the second
In order to calculate the total amount of light reflected by the light-receiving element 22, the current-voltage conversion circuits 32 X1 to 32 X2 are connected to adders 35b, respectively.
【0043】それぞれの加算回路35a,35bの出力
端子は、それぞれの加算回路35a,35bからの出力
電圧値の差に対応した電圧を出力する引算回路36aに
接続されており、この引算回路36aによって、2つの
受光素子21,22に到達した反射光のX方向の強度差
が演算される。このように、引算回路36aはX方向強
度差演算手段を構成している。The output terminals of the respective adders 35a and 35b are connected to a subtractor 36a which outputs a voltage corresponding to the difference between the output voltage values from the respective adders 35a and 35b. The intensity difference in the X direction of the reflected light reaching the two light receiving elements 21 and 22 is calculated by 36a. As described above, the subtraction circuit 36a constitutes the X-direction intensity difference calculating means.
【0044】それぞれの加算回路35a,35bの出力
端子は、加算回路37aにも接続されており、反射光の
うちX方向に反射した光の全受光量がこの加算回路37
aにより演算される。この加算回路37aの出力電圧と
引算回路36aの出力電圧は、光量変動の要素を除くた
めに割算回路38aに送られるようになっており、この
割算回路38aからの出力値はX方向の強度差に対応し
た出力信号となる。この出力信号は変換回路39aによ
って強度差に対応してX方向の移動量が演算される。The output terminals of the respective adders 35a and 35b are also connected to an adder 37a, and the total received light amount of the reflected light in the X direction out of the reflected light is calculated by the adder 37.
It is calculated by a. The output voltage of the addition circuit 37a and the output voltage of the subtraction circuit 36a are sent to a division circuit 38a in order to remove an element of light quantity fluctuation, and the output value from the division circuit 38a is in the X direction. Output signal corresponding to the intensity difference of The amount of movement of the output signal in the X direction is calculated by the conversion circuit 39a in accordance with the difference in intensity.
【0045】2つの受光素子23,24に到達する反射
光の強度に応じて移動部材WのY方向の移動量を演算す
るために、第3と第4の受光素子23,24に接続され
たそれぞれ電流電圧変換回路33X1〜34Y2は、第1と
第2の受光素子21,22と同様に、加算回路35c,
35dに接続され、それぞれの出力端子は引算回路36
bと加算回路37bとに接続され、さらにこれらの出力
電圧は割算回路38bに接続されている。この割算回路
38bの出力値はY方向の強度差に対応した出力信号と
なり、この出力信号を変換回路39bにより強度差に対
応したY方向の移動量が演算される。In order to calculate the amount of movement of the moving member W in the Y direction according to the intensity of the reflected light that reaches the two light receiving elements 23 and 24, the moving member W is connected to the third and fourth light receiving elements 23 and 24. Each of the current-voltage conversion circuits 33 X1 to 34 Y2 includes an addition circuit 35 c, like the first and second light receiving elements 21 and 22.
35d, and each output terminal is connected to a subtraction circuit 36d.
b and an addition circuit 37b, and their output voltages are connected to a division circuit 38b. The output value of the dividing circuit 38b becomes an output signal corresponding to the intensity difference in the Y direction, and the conversion circuit 39b calculates the amount of movement in the Y direction corresponding to the intensity difference from the output signal.
【0046】前述した加算回路、引算回路、割算回路
は、演算増幅器つまりオペアンプの特性を設定して選択
されている。The above-described addition circuit, subtraction circuit, and division circuit are selected by setting the characteristics of an operational amplifier, that is, an operational amplifier.
【0047】2つの受光素子21,22に到達した反射
光の基準位置に対するずれ量を求めて移動部材WのX方
向の傾斜移動量を演算するために、電流電圧変換回路3
1X1、31X2の出力端子は、それぞれ引算回路41aと
加算回路41bに接続されており、引算回路41aによ
り受光素子21に到達する反射光の基準位置に対するX
方向のずれ量が求められる。引算回路41aと加算回路
41bの出力電圧は割算回路45aにおいて光量変動の
要素が除去された後に、X方向のずれ量に対応した出力
信号が割算回路45aから出力される。In order to calculate the amount of deviation of the reflected light that has reached the two light receiving elements 21 and 22 from the reference position and calculate the amount of tilt movement of the moving member W in the X direction, the current-voltage conversion circuit 3
Output terminals of 1 X1 and 31 X2 are connected to a subtraction circuit 41 a and an addition circuit 41 b, respectively, and the subtraction circuit 41 a outputs X to the reference position of the reflected light reaching the light receiving element 21.
The direction shift amount is obtained. The output voltages of the subtraction circuit 41a and the addition circuit 41b are output from the division circuit 45a after the factor of the light quantity fluctuation is removed in the division circuit 45a, corresponding to the shift amount in the X direction.
【0048】同様に、第2の受光素子22にも、引算回
路41aに対応した引算回路42aと、加算回路41b
に対応した加算回路42bと、割算回路45aに対応し
た割算回路45bが接続されており、両方の割算回路4
5a,45bの出力値の差を引算回路46aにより求め
る。この出力信号を変換回路47aで変換することによ
りX方向の移動体Wの傾斜方向の移動量が演算される。Similarly, the second light receiving element 22 also includes a subtraction circuit 42a corresponding to the subtraction circuit 41a and an addition circuit 41b.
Is connected to a dividing circuit 45b corresponding to the dividing circuit 45a.
The difference between the output values of 5a and 45b is obtained by the subtraction circuit 46a. By converting this output signal by the conversion circuit 47a, the amount of movement of the moving body W in the X direction in the tilt direction is calculated.
【0049】2つの受光素子23,24に到達した反射
光の基準位置に対するずれ量を求めて移動部材WのY方
向の傾斜移動量を演算するために、電流電圧変換回路3
3X1、33X2の出力端子は、それぞれ引算回路43aと
加算回路43bに接続されており、引算回路43aによ
り受光素子23に到達する反射光の基準位置に対するY
方向のずれ量が求められる。引算回路43aと加算回路
43bの出力電圧は割算回路45cにおいて光量変動の
要素が除去された後に、Y方向のずれ量に対応した出力
信号が割算回路45cから出力される。In order to calculate the amount of deviation of the reflected light that has reached the two light receiving elements 23 and 24 from the reference position and calculate the amount of tilt movement of the moving member W in the Y direction, the current-voltage conversion circuit 3 is used.
Output terminals of 3 X1 and 33 X2 are connected to a subtraction circuit 43 a and an addition circuit 43 b, respectively, and the subtraction circuit 43 a outputs Y to the reference position of the reflected light reaching the light receiving element 23.
The direction shift amount is obtained. The output voltage of the subtraction circuit 43a and the addition circuit 43b is output from the division circuit 45c after the factor of the light amount fluctuation is removed in the division circuit 45c, corresponding to the shift amount in the Y direction.
【0050】同様に、第4の受光素子24にも、引算回
路43aに対応した引算回路44aと、加算回路43b
に対応した加算回路44bと、割算回路45cに対応し
た割算回路45dが接続されており、両方の割算回路4
5c,45dの出力値の差を引算回路46bにより求
め、この出力信号を変換回路47bで変換することによ
りY方向の移動体Wの傾斜方向の移動量が演算される。Similarly, the fourth light receiving element 24 also includes a subtraction circuit 44a corresponding to the subtraction circuit 43a and an addition circuit 43b.
Is connected to a dividing circuit 45d corresponding to the dividing circuit 45c.
The difference between the output values of 5c and 45d is obtained by the subtraction circuit 46b, and the output signal is converted by the conversion circuit 47b to calculate the amount of movement of the moving body W in the tilt direction in the Y direction.
【0051】それぞれの受光素子に到達した反射光の基
準位置に対して同じ方向へのずれ量を求めて、移動部材
Wの縦方向の移動量を演算するために、これらの割算回
路45a,45b,45c,45dからの出力信号は、
それぞれ加算回路51に送られるようになっている。こ
の加算値は基準位置に対するずれ量に対応しており、こ
の出力信号を変換回路52により変換することによって
Z方向の移動量が演算される。To calculate the amount of displacement of the reflected light reaching the respective light receiving elements in the same direction with respect to the reference position, and to calculate the amount of movement of the moving member W in the vertical direction, these dividing circuits 45a, 45a are used. The output signals from 45b, 45c, 45d are
Each is sent to the addition circuit 51. This added value corresponds to the amount of deviation from the reference position, and the output signal is converted by the conversion circuit 52 to calculate the amount of movement in the Z direction.
【0052】それぞれの受光素子に到達した反射光の基
準位置に対する光軸周り方向のずれ量を求めて、移動部
材Wの光軸周りに対する回転移動量を演算するために、
それぞれの受光素子に接続された電流電圧変換回路31
Y1、31Y2、32Y1、32Y2、33Y1、33Y2、3
4Y1、34Y2は引算回路41c・・・と加算回路41d
・・・に接続され、さらにそれぞれの引算回路と加算回
路の出力端子は割算回路53a、53b、53c、53
dに接続されている。これらの割算回路からの出力信号
は、加算回路54に送られるようになっている。この加
算値は基準位置に対するずれ量に対応しており、この出
力信号を変換回路55により変換することによって回転
方向の移動量が演算される。To calculate the amount of deviation of the reflected light that has reached each light receiving element from the reference position in the direction around the optical axis and calculate the amount of rotation of the moving member W about the optical axis,
Current-voltage conversion circuit 31 connected to each light receiving element
Y1 , 31Y2 , 32Y1 , 32Y2 , 33Y1 , 33Y2 , 3
4 Y1 and 34 Y2 are a subtraction circuit 41c... And an addition circuit 41d.
, And the output terminals of the respective subtraction circuits and addition circuits are divided circuits 53a, 53b, 53c, 53
d. Output signals from these division circuits are sent to an addition circuit 54. This added value corresponds to the amount of deviation from the reference position, and the output signal is converted by the conversion circuit 55 to calculate the amount of movement in the rotational direction.
【0053】それぞれの変換回路39a、39b、47
a、47b、52、55からの出力信号に基づいて、X
軸駆動モータ4、Y軸駆動モータ、X方向傾斜駆動モー
タ、Y方向傾斜駆動モータ、Z軸駆動モータ、旋回モー
タに作動信号を送るようにすれば、それぞれの移動量が
ゼロとなるように移動部材Wを位置きめ移動することが
できる。図示する実施の形態にあっては、ビーム径が約
112〜123μm程度のレーザービームを移動部材W
に照射するようにしたところ、±20μmの変位量の範
囲についてnmの精度で変位の検出を行うことが可能で
あった。Each conversion circuit 39a, 39b, 47
a, 47b, 52, 55, X
If an operation signal is sent to the shaft drive motor 4, the Y-axis drive motor, the X-direction tilt drive motor, the Y-direction tilt drive motor, the Z-axis drive motor, and the turning motor, the respective movement amounts become zero. The member W can be positioned and moved. In the illustrated embodiment, a laser beam having a beam diameter of about 112 to
, It was possible to detect the displacement with a precision of nm in the range of the displacement amount of ± 20 μm.
【0054】上述した位置検出装置にあっては、X方向
の移動量を始めとして6軸の変位量ないし移動量を求め
るようにしているが、X方向の変位量のみのようにそれ
ぞれ1軸のみの変位量のみあるいはいずれか2軸ないし
3軸など任意の軸数の変位量を求めるようにしても良
い。In the above-described position detecting device, displacement amounts or movement amounts of six axes including the movement amount in the X direction are obtained. Alternatively, the displacement amount of an arbitrary number of axes, such as only the displacement amount or any two or three axes, may be obtained.
【0055】図7および図8に示す制御回路にあって
は、それぞれの受光素子からのアナログ信号を処理する
ことによって移動量を演算するようにしているが、それ
ぞれの受光素子からのアナログ信号を二値化して、それ
を処理することによってそれぞれの移動量を演算するよ
うにしても良い。In the control circuits shown in FIGS. 7 and 8, the movement amount is calculated by processing the analog signal from each light receiving element. The movement amount may be calculated by binarizing and processing the binarized data.
【0056】受光素子21〜24は2軸方向の反射光の
ずれ位置を検出するためにサーフェスセンサとなってい
るが、電極21Y1、21Y2からY方向のずれを検出する
ための出力信号を使用しない場合には、サーフェスセン
サに代えてラインセンサを用いるようにしても良い。Each of the light receiving elements 21 to 24 is a surface sensor for detecting a displacement position of the reflected light in the two axial directions, and outputs an output signal for detecting a displacement in the Y direction from the electrodes 21 Y1 and 21 Y2. When not used, a line sensor may be used instead of the surface sensor.
【0057】前述した場合には、四角錐形状の4つの角
錐面11〜14を反射部材10の凹面Cによって形成す
るようにしているが、図9(A)に示すように、四角錐
形状の突部を反射部材10に設けることにより、その突
部に4つの角錐形状の反射面11〜14を形成するよう
にしても良い。In the above-described case, the four pyramid surfaces 11 to 14 of the quadrangular pyramid are formed by the concave surface C of the reflecting member 10, but as shown in FIG. By providing the projection on the reflection member 10, four pyramid-shaped reflection surfaces 11 to 14 may be formed on the projection.
【0058】図9(B)は反射部材10に3つの反射面
11a〜13aを有する三角錐形状の突部を設けた場合
を示す図であり、この場合には図2に示された角度εを
120度とし、3つの反射面に対応させて3つの受光素
子を用いて、3つの反射面からの反射光の光量やずれ位
置を検出することにより、前述した6軸の移動量を検出
することもできる。反射面を3つの角錐形状とする場合
にも、それぞれの反射面を凹面に形成するようにしても
良い。また、凹面あるいは突部に形成する角錐形状の反
射面としては、少なくとも3つの角錐面を有していれ
ば、角錐面の数を任意の数とすることができる。FIG. 9B is a view showing a case in which a triangular pyramid-shaped projection having three reflecting surfaces 11a to 13a is provided on the reflecting member 10, and in this case, the angle ε shown in FIG. Is set to 120 degrees, the three light receiving elements corresponding to the three reflecting surfaces are used to detect the amount of light reflected from the three reflecting surfaces and the shift position, thereby detecting the above-described six-axis movement amount. You can also. Even when the reflecting surfaces have three pyramid shapes, each reflecting surface may be formed as a concave surface. The number of pyramid surfaces can be any number as long as the pyramid-shaped reflecting surface formed on the concave surface or the projection has at least three pyramid surfaces.
【0059】前述した実施の形態にあっては、反射光を
直接受光素子21〜24に照射させるようにしている
が、図10に示すように、光ファイバーなどのライトガ
イド部材61を用いて反射光を受光素子に案内するよう
にしても良い。その場合には、図1に示す受光素子21
〜24の受光面に対応する位置に、ライトガイド部材6
1の先端の受光面61a〜61dを臨ませ、後端部を束
ねてその後端面に受光素子62を臨ませることにより、
1つの受光素子62により前述したそれぞれの移動量を
検出することができる。それに使用する受光素子62と
しては、受光面の数に対応して4分割したフォトディテ
クタつまりフォトダイオードを使用することができる。In the above-described embodiment, the reflected light is directly radiated to the light receiving elements 21 to 24. However, as shown in FIG. 10, the reflected light is applied by using a light guide member 61 such as an optical fiber. May be guided to the light receiving element. In that case, the light receiving element 21 shown in FIG.
Light guide members 6 at positions corresponding to the light receiving surfaces
By facing the light receiving surfaces 61a to 61d at the front end of the device 1, bundling the rear end, and allowing the light receiving element 62 to face the rear end surface,
Each of the movement amounts described above can be detected by one light receiving element 62. As the light receiving element 62 used therefor, a photodetector, that is, a photodiode divided into four parts corresponding to the number of light receiving surfaces can be used.
【0060】本発明は前記した実施の形態に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能である。たとえば、図示する場合には、ヘリウム・ネ
オンレーザーが使用されているが、他のガスレーザー、
固体レーザーおよび半導体レーザーを使用するようにし
ても良い。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, in the illustration, a helium-neon laser is used, but other gas lasers,
A solid-state laser and a semiconductor laser may be used.
【0061】[0061]
【発明の効果】本発明にあっては、移動体に設けられた
角錐面からの反射光の光量を検出することによって、移
動体の入射光に対する直角方向の移動量を検出すること
ができる。また、反射光が受光面に到達した位置の基準
位置に対するずれ量を検出することにより、移動体の入
射光に対する傾斜移動量、縦方向移動量および回転移動
量を検出することができる。受光素子を使用するだけの
簡単な構造で、移動体が微小に変位ないし移動した場合
にその方向と量とを高精度に検出することができる。検
出装置は熱膨張の影響を受けにくく、高い信頼性の位置
検出装置が得られる。According to the present invention, by detecting the amount of reflected light from the pyramidal surface provided on the moving body, the amount of movement of the moving body in the direction perpendicular to the incident light can be detected. Further, by detecting the amount of deviation of the position at which the reflected light reaches the light receiving surface with respect to the reference position, it is possible to detect the amount of tilt movement, the amount of vertical movement, and the amount of rotational movement of the moving body with respect to the incident light. With a simple structure using only a light receiving element, when the moving body is slightly displaced or moved, the direction and amount thereof can be detected with high accuracy. The detection device is hardly affected by thermal expansion, and a highly reliable position detection device can be obtained.
【図1】本発明の一実施の形態である位置検出装置の基
本原理を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a basic principle of a position detecting device according to an embodiment of the present invention.
【図2】受光素子の配置状態を示す図1の平面図であ
る。FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 showing an arrangement state of light receiving elements.
【図3】(A)は移動部材が入射光の光軸に対して直角
の方向つまり横方向に変位した場合における入射光の反
射状況を示す断面図であり、(B)は移動部材が傾斜し
た場合における入射光の反射状況を示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating a state of reflection of incident light when the moving member is displaced in a direction perpendicular to the optical axis of the incident light, that is, in a lateral direction, and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state of reflection of incident light in a case where the reflection is performed.
【図4】(A)は移動部材が入射光の光軸に沿う方向つ
まり縦方向に変位した場合における入射光の反射状況を
示す断面図であり、(B)は移動部材が入射光の光軸周
りに回転変位した場合における入射光の反射状況を示す
断面図である。FIG. 4A is a cross-sectional view illustrating a state of reflection of incident light when the moving member is displaced in a direction along the optical axis of the incident light, that is, in a vertical direction, and FIG. It is sectional drawing which shows the reflection situation of the incident light at the time of rotating displacement about an axis.
【図5】(A)はレーザービームが凹面の頂点に光軸を
一致させて反射部材に照射された場合における各々の反
射面における照射面積を示す平面図であり、(B)は移
動部材が横方向に移動することによって変化した状態の
照射面積を示す平面図である。FIG. 5A is a plan view showing an irradiation area on each reflecting surface when a laser beam is irradiated on a reflecting member with an optical axis coincident with a vertex of a concave surface, and FIG. 5B is a plan view showing a moving member; It is a top view which shows the irradiation area of the state changed by moving to the horizontal direction.
【図6】(A)は受光素子の具体的構造を示す斜視図で
あり、(B)は第1と第2の受光素子を示す断面図であ
る。FIG. 6A is a perspective view illustrating a specific structure of a light receiving element, and FIG. 6B is a cross-sectional view illustrating first and second light receiving elements.
【図7】位置検出装置の制御部の一部を示すブロック図
である。FIG. 7 is a block diagram showing a part of a control unit of the position detecting device.
【図8】位置検出装置の制御部の一部を示すブロック図
である。FIG. 8 is a block diagram showing a part of a control unit of the position detecting device.
【図9】(A)は反射面の他の具体例を示す斜視図であ
り、(B)は反射面のさらに他の具体例を示す斜視図で
ある。FIG. 9A is a perspective view showing another specific example of the reflection surface, and FIG. 9B is a perspective view showing still another specific example of the reflection surface.
【図10】受光手段の他の具体例を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing another specific example of the light receiving unit.
10 反射部材 11 第1の反射面 12 第2の反射面 13 第3の反射面 14 第4の反射面 15 頂点 16 光源 17 光源からの入射光 21 第1の受光素子 22 第2の受光素子 23 第3の受光素子 24 第4の受光素子 21X1〜24Y2 電極 31X1〜34Y2 電流電圧変換器 35a〜35d 加算回路 36a,36b 引算回路 37a,37b 加算回路 38a,38b 割算回路 39a,39b 変換回路 41a〜44a 引算回路 41b〜44b 加算回路 41c〜44c 引算回路 41d〜44d 加算回路 45a〜45d 割算回路 46a,46b 引算回路 47a,47b 変換回路 51 加算回路 52 変換回路 53a,53b 割算回路 54 加算回路 55 変換回路 C 凹面 W 移動部材Reference Signs List 10 reflecting member 11 first reflecting surface 12 second reflecting surface 13 third reflecting surface 14 fourth reflecting surface 15 vertex 16 light source 17 incident light from light source 21 first light receiving element 22 second light receiving element 23 Third light receiving element 24 Fourth light receiving element 21 X1 to 24 Y2 electrode 31 X1 to 34 Y2 current-voltage converter 35a to 35d Addition circuit 36a, 36b Subtraction circuit 37a, 37b Addition circuit 38a, 38b Division circuit 39a, 39b conversion circuits 41a-44a subtraction circuits 41b-44b addition circuits 41c-44c subtraction circuits 41d-44d addition circuits 45a-45d division circuits 46a, 46b subtraction circuits 47a, 47b conversion circuits 51 addition circuits 52 conversion circuits 53a, 53b Division circuit 54 Addition circuit 55 Conversion circuit C Concave surface W Moving member
Claims (4)
記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
対して直角方向である横方向の移動量を検出する位置検
出装置であって、 前記入射光の照射される位置を頂点として前記入射光周
りに相互に所定の角度をなして前記移動体に形成された
少なくとも3つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
も3つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段のうち2つの受光手段に到達し
た反射光の強度に応じて、前記入射光に対して直角方向
をなすX方向の強度差を演算するX方向強度差演算手段
と、 それぞれの前記受光手段のうち2つの受光手段に到達し
た反射光の強度に応じて、前記X方向に対して直角方向
をなすY方向の強度差を演算するY方向強度差演算手段
と、 前記X方向の強度差に基づいて前記移動体のX方向の移
動量を演算するX方向移動量演算手段と、 前記Y方向の強度差に基づいて前記移動体のY方向の移
動量を演算するY方向移動量演算手段とを有することを
特徴とする位置検出装置。1. A position detecting apparatus for irradiating a moving body with incident light from a light source and detecting a moving amount of the moving body in a horizontal direction perpendicular to the incident light by the reflected light from the moving body. And at least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with a position irradiated with the incident light as a vertex, and each of the reflecting surfaces At least three light receiving means for receiving the reflected light from the light source, and the intensity in the X direction perpendicular to the incident light according to the intensity of the reflected light that has reached two of the light receiving means. An X-direction intensity difference calculating means for calculating a difference, and an intensity difference in a Y direction perpendicular to the X direction according to the intensity of the reflected light reaching two of the light receiving means. Computed Y direction strong Difference calculation means; X-direction movement amount calculation means for calculating the movement amount of the moving body in the X direction based on the intensity difference in the X direction; and Y-direction movement of the moving body based on the strength difference in the Y direction. A position detection device comprising: a Y-direction movement amount calculating means for calculating a movement amount.
記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
対する傾斜方向の移動量を検出する位置検出装置であっ
て、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
とも3つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
も3つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段のうち2つの受光手段に到達し
た反射光の基準位置に対して相互に異なった方向であっ
て前記入射光に対するX方向へのずれ量を演算するX方
向ずれ量演算手段と、 それぞれの前記受光手段のうち2つの受光手段に到達し
た反射光の基準位置に対して相互に異なった方向であっ
て前記X方向に対して直角方向となったY方向のずれ量
を演算するY方向ずれ量演算手段と、 前記X方向のずれ量に基づいて前記移動体のX方向の傾
斜移動量を演算するX方向傾斜演算手段と、 前記Y方向のずれ量に基づいて前記移動体のY方向の傾
斜移動量を演算するY方向傾斜演算手段とを有すること
を特徴とする位置検出装置。2. A position detecting device for irradiating a moving body with incident light from a light source and detecting a moving amount of the moving body in a tilt direction with respect to the incident light by reflected light from the moving body, At least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the emitted light as a vertex, and receiving the reflected light from each of the reflecting surfaces. At least three light receiving means, and a shift amount in the X direction with respect to the incident light in directions different from each other with respect to a reference position of the reflected light reaching the two light receiving means among the respective light receiving means is calculated. X direction shift amount calculating means, and Y which is different from each other with respect to the reference position of the reflected light that has reached two of the light receiving means and is perpendicular to the X direction. One A displacement amount calculating means for calculating a displacement amount in the Y direction; an inclination calculating means for calculating an inclination direction in the X direction based on the displacement amount in the X direction; and a displacement amount in the Y direction. And a Y-direction inclination calculating means for calculating the amount of tilt movement of the moving body in the Y direction based on the position.
記移動体からの反射光により前記移動体の前記光源に対
して接近離反方向である縦方向の移動量を検出する位置
検出装置であって、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
とも3つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
も3つの受光手段と、それぞれの前記受光手段に到達し
た反射光の基準位置に対して同じ方向へのずれ量を演算
するZ方向ずれ量演算手段と、 前記Z方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光源に
対して接近離反方向である縦方向の移動量を演算する縦
方向移動量演算手段とを有することを特徴とする位置検
出装置。3. A position detecting device that irradiates a moving body with incident light from a light source and detects a vertical movement amount of the moving body in a direction of approaching and moving away from the light source by reflected light from the moving body. And at least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the incident light as a vertex, and from each of the reflecting surfaces At least three light receiving means for receiving the reflected light, a Z-direction shift amount calculating means for calculating a shift amount in the same direction with respect to a reference position of the reflected light reaching each of the light receiving means, And a vertical movement amount calculating means for calculating a vertical movement amount, which is a direction in which the moving body approaches and separates from the light source, based on the shift amount.
記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
対する光軸周りの回転方向の移動量を検出する位置検出
装置であって、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
とも3つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
も3つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段に到達した反射光の基準位置に
対する光軸周り方向のずれ量を演算する回転方向ずれ量
演算手段と、 前記回転方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光軸
周りに対する回転移動量を演算する回転移動量演算手段
とを有することを特徴とする位置検出装置。4. A position detecting device that irradiates a moving body with incident light from a light source and detects a moving amount of the moving body in a rotation direction around an optical axis with respect to the incident light by the reflected light from the moving body. At least three pyramid-shaped reflecting surfaces formed on the moving body at a predetermined angle around the incident light with the optical axis center of the incident light as a vertex; and reflections from the respective reflecting surfaces. At least three light receiving means for receiving light; a rotational direction shift amount calculating means for calculating a shift amount in a direction around the optical axis with respect to a reference position of the reflected light reaching each of the light receiving means; A rotational movement amount calculating means for calculating a rotational movement amount of the moving body around the optical axis based on the rotation amount.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15236798A JPH11344305A (en) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | Position detecting apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15236798A JPH11344305A (en) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | Position detecting apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11344305A true JPH11344305A (en) | 1999-12-14 |
Family
ID=15538986
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15236798A Pending JPH11344305A (en) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | Position detecting apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11344305A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1998
- 1998-06-02 JP JP15236798A patent/JPH11344305A/en active Pending
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