JP2005077295A - Measuring apparatus for optical three-dimensional position and measuring method for position - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組立部品の相対位置や姿勢等を位置マークを用いて精密に、例えばサブミクロンの精度で測定し、電子線露光装置の電子レンズ等の精密機器を高精度で効率的に組み立てることを可能にする光学式3次元位置測定装置および位置測定方法に関するものである。 The present invention accurately measures the relative position and orientation of an assembly part using a position mark, for example, with submicron accuracy, and assembles precision equipment such as an electron lens of an electron beam exposure apparatus with high precision and efficiency. The present invention relates to an optical three-dimensional position measuring apparatus and a position measuring method.
従来、非接触に被測定物の位置を測定する方法としてカメラを用いる方法が知られている。例えば図16に示すものは、被測定物W0 の長孔S1 等の形状や寸法を光学的に計測する装置において、コンベア100によって搬入された被測定物W0 の位置が予め定める位置からずれていても、長孔S1 等の計測対象の寸法や形状を高精度に計測することができるようにするために、複数軸の産業用ロボット101の作業端に取付けられたテレビカメラ102で計測対象を撮像し、その撮像した画像を処理回路103において画像処理して、まず、被測定物W0 に対するテレビカメラ102の相対位置を検出し、位置調整を行う。例えば、被測定物W0 に形成されている長孔の長軸S1 の位置および傾斜を画像処理によって測定し、テレビカメラ102と一体的な光源104からのスリット光L0 (シート状の光線)が、前記長孔S1 の重心を通りかつ長軸方向に位置して照射されるように、テレビカメラ102を移動して位置決めしたうえで、スリット光L0 による長孔S1 や他の孔の画像をテレビカメラ102で撮像し、開口寸法等を測定する。
Conventionally, a method using a camera is known as a method for measuring the position of an object to be measured in a non-contact manner. Such as those shown in FIG. 16, there is provided an apparatus for measuring the shape and dimensions of such elongated hole S 1 of the object W 0 optically, from the position where the position of the object W 0 which is carried by the
このように、被測定物の位置検出を画像処理によって行う技術が公知の特許文献に紹介されている。 As described above, a technique for detecting the position of an object to be measured by image processing is introduced in known patent documents.
ところが上記の装置では、カメラはロボットアームに搭載されているため、被測定物の位置決め精度はロボットアームの位置決め誤差の影響を受ける。特に図16に示すような関節型のロボットアームの位置決め精度は一般に高くない。また、このロボットアームを非常に精度の高いものに変更したとしても、機械的な誤差の影響を小さくすること、例えば300mmといった測定領域において位置精度を数μmにすることは難しく、ましてサブミクロンオーダの高精度を実現するのは技術的に非常に困難であり、たとえ可能だったとしてもエアーベアリングなど超高精度な機械要素が必要であり装置製作コストが高くなる。 However, in the above apparatus, since the camera is mounted on the robot arm, the positioning accuracy of the object to be measured is affected by the positioning error of the robot arm. In particular, the positioning accuracy of an articulated robot arm as shown in FIG. 16 is generally not high. Even if this robot arm is changed to one with very high accuracy, it is difficult to reduce the influence of mechanical errors, for example, to make the positional accuracy several μm in the measurement region of 300 mm, for example, on the order of submicron. It is technically very difficult to realize the high accuracy of this, and even if it is possible, an ultra-high precision machine element such as an air bearing is required, and the manufacturing cost of the device becomes high.
加えて、カメラで長孔等の計測対象を撮像した画像の処理では正確に被測定物の3次元位置を測定するのは難しい。詳しく説明すると、計測対象をカメラで撮像して画像処理を行い、被測定物の位置や姿勢を測定し、カメラの位置調整を行ったうえで計測対象の形状測定等を行うという方法は、単純に計測対象をカメラで撮像した画像を用いるよりは高精度な形状測定を行うことができるが、カメラの位置決めのための位置や姿勢の測定を画像処理に頼っているため、測定精度はカメラの撮像性能で制限される。ところが、光を用いたカメラの撮像性能は高いものが望めず、カメラの分解能はせいぜい数μmであるため、サブミクロンオーダの高精度を実現するのは困難である。 In addition, it is difficult to accurately measure the three-dimensional position of the object to be measured by processing an image obtained by imaging a measurement target such as a long hole with a camera. In more detail, the method of capturing the measurement object with the camera, performing image processing, measuring the position and orientation of the object to be measured, adjusting the camera position, and then measuring the shape of the measurement object is simple. Although it is possible to perform highly accurate shape measurement compared to using an image obtained by capturing the measurement object with a camera, the measurement accuracy depends on the camera's position and orientation because it relies on image processing. Limited by imaging performance. However, a high-capacity imaging performance of a camera using light cannot be expected, and since the resolution of the camera is at most several μm, it is difficult to achieve high accuracy on the order of submicrons.
また、計測対象をカメラで撮像して画像処理を行い、位置や姿勢を測定するという方法では、カメラの光軸方向の距離測定は難しい。カメラに搭載されているオートフォーカスを用いることも考えられるが、画像処理をもとにしたオートフォーカスでは精度の向上が難しい。
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、例えばサブミクロンオーダの高精度で、位置マークの読み取りを3次元的に行うことのできる光学式3次元位置測定装置および位置測定方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art. For example, an optical three-dimensional position measurement capable of three-dimensionally reading a position mark with high accuracy on the order of submicrons. An object is to provide an apparatus and a position measurement method.
上記目的を達成するため、本発明の光学式3次元位置測定装置は、位置マークを備えた被測定物を支持する支持手段を有する基台と、前記基台上で2次元的に移動するXYステージと、前記XYステージ上で垂直に移動自在であるZステージと、前記Zステージに保持され、前記Zステージとともに移動して前記位置マークを検出する光学式位置マーク検知手段と、前記ZステージのX方向の位置を測定するためのXレーザー測長器と、前記ZステージのY方向の位置を測定するためのYレーザー測長器と、前記ZステージのZ方向の位置を測定するためのZレーザー測長器と、前記光学式位置マーク検知手段によって前記位置マークが検知されたときの前記X、Y、Zレーザー測長器のそれぞれの測定値に基づいて前記位置マークの3次元位置を算出する演算手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical three-dimensional position measuring apparatus of the present invention includes a base having support means for supporting an object to be measured having a position mark, and an XY that moves two-dimensionally on the base. A stage, a Z stage that is vertically movable on the XY stage, an optical position mark detection means that is held by the Z stage and moves together with the Z stage to detect the position mark, and the Z stage An X laser length measuring device for measuring the position in the X direction, a Y laser length measuring device for measuring the position in the Y direction of the Z stage, and a Z value for measuring the position in the Z direction of the Z stage. Based on the measured values of the laser length measuring device and the X, Y and Z laser length measuring devices when the position mark is detected by the optical position mark detection means, the three-dimensional position mark It characterized by having a calculating means for calculating the location.
また、本発明の位置測定方法は、位置マークを備えた被測定物を、基台上の3次元ステージに保持されたカメラによって撮像する位置測定方法であって、前記3次元ステージを構成するX、Y、Zステージをそれぞれ移動させ、Zステージに保持されたカメラの光軸位置に被測定物の位置マークの画像を合わせる工程と、カメラの光軸位置に位置マークの画像を合わせた状態でZステージのX、Y、Z位置をそれぞれX、Y、Zレーザー測長器によって測定し、それぞれの測定値に基づいて位置マークの3次元位置を算出する工程と、を有することを特徴とする。 In addition, the position measuring method of the present invention is a position measuring method for capturing an object to be measured having a position mark with a camera held on a three-dimensional stage on a base, and the X constituting the three-dimensional stage. , Y, and Z stages are moved to align the image of the position mark of the measured object with the optical axis position of the camera held on the Z stage, and with the position mark image aligned with the optical axis position of the camera. Measuring the X, Y, and Z positions of the Z stage with X, Y, and Z laser length measuring devices, respectively, and calculating the three-dimensional position of the position mark based on the respective measured values. .
レーザー測長器を用いて被測定物の位置、姿勢の計測値を得るものであるため、測定精度が高く、サブナノメートルの分解能が可能となる。例えば、ロボットアームの移動精度に頼っていた従来の方法では高くても数μmの精度であったところを3桁以上改善することができる。 Since the measurement value of the position and orientation of the object to be measured is obtained using the laser length measuring device, the measurement accuracy is high and the sub-nanometer resolution is possible. For example, the conventional method that relies on the movement accuracy of the robot arm can improve the accuracy of several μm at the most by three orders of magnitude or more.
また、基準となるミラーの反射光をX、Y、Zレーザー測長器でそれぞれ検出して3次元座標位置を計測する構成において、3つのミラーを用いる替わりに、1つのミラーを2軸方向のレーザー測長器に対向させて、2つのミラーで構成することにより、測定点の上方に配設される基準ミラーが不必要となり、特に大きなカメラを搭載するような応用分野では、ミラー配置を気にすることなくカメラを搭載することが可能となり、装置の小型化や作業性の向上等に大きく貢献できる。 In addition, in the configuration in which the reflected light of the reference mirror is detected by the X, Y, and Z laser length measuring devices and the three-dimensional coordinate position is measured, instead of using three mirrors, one mirror is mounted in the biaxial direction. By using two mirrors facing the laser length measuring device, the reference mirror placed above the measurement point is unnecessary, and in particular in application fields where large cameras are mounted, the mirror arrangement is not important. This makes it possible to mount a camera without having to make a significant contribution to downsizing the apparatus and improving workability.
図1は一実施の形態による光学式3次元位置測定装置を示すもので、位置マークである位置マーク球4(図2参照)を備えた被測定物W1 を支持する支持手段を有する基台である支持台10と、支持台10上で2次元的に移動するXスライド11およびYスライド12からなるXYステージと、前記XYステージ上で垂直に移動自在なZステージであるZスライド13と、XYZコントローラ14と、コンピュータ15と、Zスライド13に保持されたカメラ16と、カメラ16の撮像した画像を出力するモニタ17と、画像処理装置18と、カメラ16とともに光学式位置マーク検知手段を構成する光てこ光学系19と、Zスライド13のX方向の位置を測定するためのXレーザー測長器61、62と、Zスライド13のY方向の位置を測定するためのYレーザー測長器63、64と、Zスライド13のZ方向の位置を測定するためのZレーザー測長器65とを有する(図8参照)。
FIG. 1 shows an optical three-dimensional position measuring apparatus according to an embodiment, and a base having support means for supporting an object W 1 provided with a position mark ball 4 (see FIG. 2) as a position mark. A support table 10, an XY stage including an X slide 11 and a Y slide 12 that move two-dimensionally on the support table 10, and a
コンピュータ15は、前記光学式位置マーク検知手段によって被測定物W1 の位置マーク球4が検知されたときのX、Y、Zレーザー測長器61〜65のそれぞれの測定値に基づいて位置マーク球4の3次元位置を算出する演算手段を有する。
The computer 15 detects the position mark based on the measured values of the X, Y, and Z laser
図2は実施例1による被測定物W1 の構成を示す。これは、電子線露光装置の部品で電子レンズとよばれるものであり、第1、第2のプレート2a、2bにそれぞれ設けられたレンズ開口3a、3bによってレンズ作用が発生する。この電子レンズの組み立てにおいて、レンズ開口3a、3bを整合させるための位置マーク球4は、第1、第2のベース板5a、5bに2個ずつ取り付けられており、第1、第2のベース板5a、5bはスペーサ6をはさんで固定される。
FIG. 2 shows the configuration of the workpiece W 1 according to the first embodiment. This is a part of an electron beam exposure apparatus called an electron lens, and a lens action is generated by
第1のベース板5aには第1のプレート2aが板ばね7aで固定され、同様に第2のベース板5bには第2のプレート2bが板ばね7bで固定され、各プレート2a、2bには、前述のように、電子が通過するレンズ開口3a、3bがあけられている。この電子レンズには図示しない制御電極が形成されており、電子線がレンズ開口3a、3bを通過するときにレンズ作用を発揮する。
The
この時重要なのは、第1のレンズ開口3aと第2のレンズ開口3bが正確に垂直線上にあることである。もしそうでないと、電子線がレンズの中心を通過していかないので精密なレンズ作用は発揮できないことになる。従って、第1、第2のベース板5a、5bの水平方向を精密に位置合わせし、固定する必要がある。
What is important at this time is that the first lens opening 3a and the second lens opening 3b are exactly on the vertical line. If this is not the case, the electron beam will not pass through the center of the lens, so that precise lens action cannot be achieved. Therefore, it is necessary to precisely align and fix the horizontal direction of the first and
なお、ベース板は2枚に限らず、3枚以上でもよい。ここでは、簡便のため説明は2枚だけで行う。 The number of base plates is not limited to two, but may be three or more. Here, for the sake of simplicity, description will be made with only two sheets.
各ベース板5a、5bには、精密にこれらの位置測定をするための計測対象である位置マーク球4が固定されている。固定の方法は例えば図2に示すように、円筒の穴をあけ、真空内で使用可能な接着剤で球を接着固定する。この位置マーク球4の上面は球面であり、例えばベアリングに用いる鋼球を用いれば50ナノメートルといった高い精度のものが現在入手可能である。またボールレンズと呼ばれる光学素子に反射膜をつけたものも使用できる。この位置マーク球4の3次元位置を、図1に示すように、XYステージ上のZスライド13に保持されたカメラ16と光てこ光学系19およびX、Y、Zレーザー測長器61〜65からなる光学式3次元測定装置を用いて測定する。図2にはカメラ16の焦点位置にある測定点Mと位置マーク球4の球心位置が一致した状態が示されている。
A position mark sphere 4 that is a measurement target for precisely measuring these positions is fixed to each of the
なお、ベース板5a、5bの位置マーク球4はそれぞれ1つ以上設ける。例えば2つ設ければ水平方向の位置だけではなく、姿勢も測定することができるのでより精度が向上できる。さらに3つ設ければ位置と姿勢の6軸をすべて測定することができる。ここでは説明を簡便にするため2つの位置マーク球のみ図示してあるが、3個以上の位置マーク球を用いる場合でもほとんど同じ構成、同じ動作フローである。
One or more position mark balls 4 of the
各位置マーク球4はあらかじめレンズ開口3a、3bとの相対位置を測定しておく。この測定にはXYテーブルを組み合わせた顕微鏡が使用できる。このようにレンズ開口3a、3bと位置マーク球4の相対位置を測定しているので、位置マーク球4の位置を測定すれば、レンズ開口3a、3bの位置がわかる。
Each position mark sphere 4 measures the relative position with the
第1のベース板5aには位置調整駒9が固定されており、第2のベース板5bの位置を水平方向に微調整できるようになっている。この微調整は図示するように押しねじで行う方法以外にも、このねじをパルスモータで制御するなどの方法により、自動的に調節することも可能である。
A
第2のベース板5bには覗き穴8が形成されており、第1のベース板5a上に設けられた位置マーク球4を、上方から測定できるようになっている。
A viewing hole 8 is formed in the
被測定物W1 は図1の装置の支持台10にセットされる。この支持台10上をX方向に移動可能にXスライド11が設けられ、Xスライド11上に、Y方向に移動可能なYスライド12が設けられ、Yスライド12上に、Z方向に移動可能なZスライド13が設けられる。このX、Y、Zスライド11〜13からなる3次元ステージは高精度である必要はない。従って、通常の転がりガイドとボールネジの組み合わせで安価に製作することができる。
The object to be measured W 1 is set on the
X、Y、Zスライド11〜13を駆動する3軸のモータはXYZコントローラ14に接続され、XYZコントローラ14はコンピュータ15に接続される。コンピュータ15には手動操作盤15aを設置し、XYZ軸のモータを手動で動かすことができるようにしておく。
A three-axis motor that drives the X, Y, and Z slides 11 to 13 is connected to an
Zスライド13にはカメラ16が固定されており、カメラ16からの画像出力は確認用のモニター17と画像処理装置18に接続される。この画像処理装置18によって、カメラ16で撮影した位置マーク球4の画像を画像処理し、位置マーク球4の中心位置(球心)を計算することができるが、こうして計算した位置マーク球4の位置は画像処理を行っているので前述したように測定誤差は比較的大きい。
A
Zスライド13に固定して光てこ光学系19を設ける。また、ハーフミラー20を、カメラ16の光軸と光てこ光学系19の光軸を一致させるように調節して固定する。
An optical lever
図3は、カメラ16と光てこ光学系19を説明するもので、カメラ16はハーフミラー20と4分の1波長板25を介して位置マーク球4を撮影する。この画像は位置マーク球4の概略位置を測定するのに用いられる。半導体レーザー21から出射した光は集光レンズ21aによって一点に集光され光ファイバー22に導入される。光ファイバー22から出射した光は偏光ビームスプリッタ23で直線偏光のP波だけが反射し、集光レンズ24で収束光に変換される。そしてさきほどのハーフミラー20で反射し、4分の1波長板25を通過し円偏光に変化し、位置マーク球4で反射し、再び4分の1波長板25を通過し今度は先度とは90度偏光方向が変化する。そしてハーフミラー20で反射し、再び偏光ビームスプリッタ23に入射するが先ほどとは90度異なる方向に偏光しているので、この偏光ビームスプリッタ23で反射せずに通過する。
FIG. 3 illustrates the
次にハーフミラー26に入射し、反射した光はポジションセンサー27に入射する。このポジションセンサー27はシリコン半導体で製作された部品であるフォトダイオードの一種であり、光の当たる場所によって4つの端子に流れる電流が変化するものである。また、このとき、ポジションセンサー27の配置は焦点位置となるようにする。この焦点位置は集光レンズ24の焦点距離、光ファイバー出射端の位置、位置マーク球4の位置によって決まるもので、図4に示すように、光ファイバー22の出射位置P1 、集光レンズ24の位置L、集光レンズ24の焦点距離f1とし、焦点位置P2 は位置マーク球4の球心と一致するものとすると、レンズの公式から各構成要素間の距離d1、d2は次式で表される。
Next, the light incident on the
1/d1+1/d2=1/f1
焦点位置P2 と位置マーク球4の球心が一致する場合、焦点位置P2 にいったん集光した光はそのまま光路を逆戻りする。そして再び光ファイバー22の出射位置P1 で焦点を結ぶが、その集光位置にハーフミラー26を介してポジションセンサー27を配置するのである。しかしポジションセンサー27の位置は厳密に合わせる必要はない。ポジションセンサー27は入射する光スポットの光量の重心位置に従って電流信号が出力されるので、厳密に焦点でなくても、光スポットのサイズがポジションセンサー27よりも小さければ光スポットの位置信号を出力することができる。従って、わざと焦点位置からポジションセンサー27を光軸方向にずらし、光スポットのサイズを広げるかわりに、位置マーク球の位置に対する感度を調整することもできる。
1 / d1 + 1 / d2 = 1 / f1
When the focal point P 2 and the sphere center of the position mark sphere 4 coincide with each other, the light once condensed at the focal point P 2 returns to the optical path as it is. Then, the focal point is again focused at the emission position P 1 of the
図3において、横方向の電流信号の差を引き算回路28で計算すると、光の当たる場所の横方向の位置を表す信号が得られ、縦方向の電流信号の差を引き算回路29で計算すると、光の当たる場所の縦方向の位置を表す信号が得られ、4つ全部の電流信号を足し算回路30で計算すると、ポジションセンサー27に当たっている光の量、全光量を表す信号が得られ、2つの割り算回路31、32でさきほどの引き算回路29の出力信号を割り算し、横方向の位置信号φ1と、縦方向の位置信号φ2を得る。
In FIG. 3, when the difference between the current signals in the horizontal direction is calculated by the
このように全光量で割り算すると、ポジションセンサー27に入射する光量が変化しても、測定誤差にならない。また、全光量の信号は比較回路33に導き、あらかじめ定められた電圧と比較される。そしてその電圧に達しない場合、すなわちポジションセンサー27に入射する光量が所定の値に達しない場合はエラー信号e12を出力する。
When dividing by the total light quantity in this way, even if the light quantity incident on the
一方、ハーフミラー26で反射せずに直進した光はシリンドリカルレンズ34を通過し、4分割フォトダイオード35に入射する。この部分はいわゆる非点収差を用いたオートフォーカスである。図5はこの部分の作用を説明するもので、シリンドリカルレンズ34、すなわち円筒レンズは軸方向には曲率を持たないので、その方向についてはポジションセンサー27について説明したときと同じ場所に焦点を結ぶ。すなわち図4および図5の焦点位置P2 である。しかし円筒レンズの曲率を持つ方向についてはそのぶんだけ焦点距離が短くなる。すなわち図5の焦点位置P4 である。この2つの焦点位置P2 、P4 において、光のスポットは片側の方向についてだけ焦点を結んでいるので図に示すように直線的なスポットの形になる。そして、その間のスポット形状は両者の中間的な形となり、どこかの位置で図のようにバランスの取れた円形のスポットが得られるはずである。この位置を図5のようにP3 とする。このスポットの形を4分割フォトダイオード35で次のように測定することができる。
On the other hand, the light that has traveled straight without being reflected by the
4分割フォトダイオード35はシリコン半導体で製作された部品であるフォトダイオードの一種であり、4分割されたそれぞれの位置にあたる光の量に応じて流れる電流が変化するものである。つまり縦方向に分割されたフォトダイオードの電流出力と横方向に分割されたフォトダイオードの電流出力の差を計算すれば、このスポットの形を代表する信号が得られる。また、このバランスが取れたときの位置マーク球4の球心位置を測定点Mとする。この位置マーク球4が測定点Mより近づいたり離れたりすると焦点位置もそれにつれて動く。そして4分割フォトダイオード上のスポットの形が変化するしくみである。
The
図3にもどり、4分割フォトダイオード35の横方向の光量を足し算回路36で計算し、4分割フォトダイオード35の縦方向の光量を足し算回路37で計算する。そして両者の差を引き算回路39で計算すると、先ほど説明したスポットの形に応じた信号が得られる。横方向と縦方向の信号がバランスしたゼロの信号が、図5のP3 に対応する。また、4つ全部の電流信号を足し算回路38で計算すると、4分割フォトダイオード35に当たっている光の量、全光量を表す信号が得られ、割り算回路40でさきほどの引き算回路39の出力信号を割り算し、フォーカス信号φ3を得る。このように全光量で割り算すると、4分割フォトダイオード35に入射する光量が変化しても、測定誤差にならない。また、全光量の信号は比較回路41に導き、あらかじめ定められた電圧と比較される。そしてその電圧に達しない場合、すなわち4分割フォトダイオード35に入射する光量が所定の値に達しない場合はエラー信号e3を出力する。
Returning to FIG. 3, the lateral light amount of the four-divided
以上説明してきた光てこ光学系19の出力する信号φ1、φ2、e12、φ3、e3をコンピュータ15に入力して、位置マーク球4の画像中心がカメラ16の光軸位置に高精度で一致するまで、X、Y、Zスライド11〜13を移動させ、図2に示す状態になったときのX、Y、Zレーザー測長器61〜65の測定値から位置マーク球4の3次元座標を得る。
The signals φ1, φ2, e12, φ3, and e3 output from the optical lever
図1、および図6に示すように、支持台10にはコラム42が固定され、コラム42には、固定スペーサ43、リニアガイド44、ボール45を介して測定ボックス46を取り付ける。すなわち測定ボックス46の第1点は固定スペーサ43を介して硬く締結し、第2点はリニアガイド44を介して取り付ける。このときリニアガイド44の移動方向が固定スペーサ43の方向を向いているようにする。そして、第3点はボール45を介して固定する。ここでボール45は垂直方向の荷重は受けるが、水平方向には自由に動く軸受として作用する。すなわちこの点は垂直方向には固定するが水平方向に自由に動くことができる。
As shown in FIGS. 1 and 6, a
このように3点で支持すると、コラム42がどのように変形しても測定ボックス46は変形しないように支持される。第1、第2、第3点の間の相対距離が変化しても、リニアガイド44とボール45が動くため、その力が測定ボックス46に伝わらないからである。
When supported at three points in this way, the
測定ボックス46には図7に示す方法でXミラー47およびYミラー48を固定する。各ミラー47、48の固定で重要なのは反射面であるミラー鏡面の平面を保つように支持することである。そのためには不要な曲げモーメントを各ミラー47、48にかけないように注意することが肝要であるから、突き当て駒50をミラー1つについて3箇所に設ける。図7はこのうち2箇所を示す。突き当て駒50のまっすぐ後ろをプランジャー49で押し付ける。プランジャー49は中にばねが仕込んである部品で、一定の力で物品を押し当てることができる。このとき重要なことは突き当て駒50のまっすぐうしろにプランジャー49を配置することである。このようにすることにより、不要な曲げモーメントが各ミラー47、48にかからないので、ミラー47、48の精度が悪化するのを防止できる。Xミラー47の垂直方向の固定等についてはやはり突き当て駒53を両端に設ける。しかしミラーの自重でつきあて駒に押さえつけられているのでプランジャーは必要ない。
An
図8は5つのレーザー測長器61〜65とX、Yミラー47、48の配置を説明するもので、各レーザー測長器61〜65は距離をサブナノメートルといった高精度で測定することができる精密な計測部品である。X方向についてはX1、X2レーザー測長器61、62で測定する。Y方向についてはY1、Y2レーザー測長器63、64で測定する。そしてZ方向についてはZ1レーザー測長器65で測定する。従って、Xミラー47についてはX方向の面とZ方向の面が鏡面になっている。Yミラー48についてはY方向のみ鏡面になっている。
FIG. 8 illustrates the arrangement of the five laser
そして、X1、X2測長軸およびZ1測長軸は同一垂直平面内に配置され、また、Y1、Y2測長軸も同一垂直平面内に配置され、2つの垂直平面の交線がカメラ16および、光てこ光学系19の光軸と一致するように配置する。また、図のようにX1、Y1測長軸も同一水平面内にあり、同様にX2、Y2測長軸も同一水平面内に配置される。
The X1, X2 measuring axis and the Z1 measuring axis are arranged in the same vertical plane, and the Y1, Y2 measuring axes are also arranged in the same vertical plane. The optical lever
距離L1をX2測長軸およびY2測長軸と、X1測長軸およびY1測長軸のZ方向の距離とし、距離L2をX2測長軸およびY2測長軸と、測定点MまでのZ方向の距離とし、L3をカメラ16の光軸とZ1レーザー測長器65までの距離とし、各レーザー測長器61〜65の出力する符号を正の長さとする時、測定点Mの3次元座標であるXYZ座標を次の式で計算する。
The distance L1 is the distance in the Z direction of the X2 measurement axis and the Y2 measurement axis, and the X1 measurement axis and the Y1 measurement axis, and the distance L2 is the Z2 to the measurement point M. When the distance in the direction is set, L3 is the distance from the optical axis of the
−X = X1 + (X2−X1)*(L1+L2)/L1
−Y = Y1 + (Y2−Y1)*(L1+L2)/L1
Z = Z1 + (X2−X1)*L3/L1
-X = X1 + (X2-X1) * (L1 + L2) / L1
-Y = Y1 + (Y2-Y1) * (L1 + L2) / L1
Z = Z1 + (X2-X1) * L3 / L1
Zスライド13が移動すると、その下のX、Yスライド11、12の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばX軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は(Y2−Y1)/L1となる。そしてこの回転が生じたときの測定点MのY方向の偏差は(Y2−Y1)*(L1+L2)/L1である。これがY座標における上式の第2項の意味である。以上の説明では簡便にするためX、Y、Z座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちX=Y=Z=0とできることは自明である。
When the
次に図1の光学式3次元位置測定装置の動作を図9のフローチャートに基づいて説明する。この動作はすべてコンピュータ15のプログラムで制御する。 Next, the operation of the optical three-dimensional position measuring apparatus of FIG. 1 will be described based on the flowchart of FIG. All these operations are controlled by a program of the computer 15.
まず繰り返し数を表すカウンターをゼロにリセットし、被測定物W1 を装置にセットする(ステップ100)。次に第1の位置マーク球4の概略位置を装置にティーチングする(ステップ101)。この操作の詳細は以下のとおりである。まずカメラ16の画像をモニター17で確認しながら手動操作盤15aを用いてXYZステージ位置を調節する。このとき、位置マーク球4がモニター17の画面の中央にあり、しかもピントがほぼあっているようにする。すなわち、モニター17の画面中央に球が見えることから、カメラ光軸上に位置マーク球4がきていることになる。またピントがほぼあっていることから上下方向についてもほぼ測定点Mに位置マーク球4がきていることになる。
First, the counter representing the number of repetitions is reset to zero, and the object to be measured W 1 is set in the apparatus (step 100). Next, the approximate position of the first position mark sphere 4 is taught to the apparatus (step 101). The details of this operation are as follows. First, the XYZ stage position is adjusted using the
次に光てこ光学系19のエラー信号e12、e3がでていないことを確認する(ステップ102)。もしもエラーがでていれば、カメラ16の光軸と光てこの光学系19の光軸があっていなかったり、レーザーダイオードなどの部品の故障が考えられるので、エラーを表示し停止する。
Next, it is confirmed that the error signals e12 and e3 of the optical lever
続いて、信号φ1、φ2がゼロになるようにX、Y軸(X、Yスライド11、12)を移動し、さらに信号φ3がゼロになるようにZ軸(Zスライド13)を移動させる(ステップ103)。この動作によって位置マーク球4から反射した光スポットはポジションセンサー27の中央で、4分割フォトダイオードによるオートフォーカス位置の中央に自動的に調節されたことになる。
Subsequently, the X and Y axes (X, Y slides 11 and 12) are moved so that the signals φ1 and φ2 become zero, and the Z axis (Z slide 13) is moved so that the signal φ3 becomes zero ( Step 103). By this operation, the light spot reflected from the position mark sphere 4 is automatically adjusted at the center of the
そして、その時のZスライド13の位置が、位置マーク球4の球心位置が測定点Mすなわちカメラ16の光軸上の焦点位置に一致したことを表していることになる。光てこの光学系19の感度は高く、特にポジションセンサー27の出力である水平方向については比較的容易にサブミクロンといった高い精度が得られる。これは位置マーク球4のサイズを小さくすることや、光てこの長さを長くすることによって容易に感度を上げられるからである。すなわち、図4に示す配置で、焦点位置P1 の位置変化はd2/d1倍されて焦点位置P2 に現れる。この拡大倍率を大きくすれば感度があがる。例えばポジションセンサー27のサイズを□4mmとし、アナログアンプの信号ノイズ比を1000とすると4μmの分解能が得られる。そして光てこの拡大率を10とすれば0.4μmの分解能が得られるといったぐあいである。
The position of the
次に各レーザー測長器61〜65の値を読み込み(ステップ104)、前述した方法でXYZ座標を計算し、モニター17に表示し、画像処理装置18のメモリーに記録する(ステップ105)。
Next, the values of the laser
ベース板5a、5bのすべての位置マーク球4を測定したか確認する(ステップ106)。もしそうでないなら、まだ測定していない位置マーク球があるのでステップ101の工程にもどる。そして、位置マーク球の設置してあるすべての部品、すなわちベース板5a、5bの位置姿勢を計算する。
It is confirmed whether all the position mark spheres 4 on the
前述したように、1つの部品に1つの位置マーク球がついている場合、部品のXYZ位置だけが測定できる。この場合は垂直軸回りに回転誤差が生じていてもわからない。また、1つの部品に2つの位置マーク球がついている場合は、部品のXYZ位置とともに垂直軸まわりの回転角度も測定できる。1つの部品に3つの位置マーク球がついている場合は、部品の位置姿勢の6自由度を決定することができる。 As described above, when one position mark sphere is attached to one part, only the XYZ position of the part can be measured. In this case, even if a rotation error occurs around the vertical axis, it is not known. When two position mark balls are attached to one part, the rotation angle around the vertical axis can be measured together with the XYZ position of the part. When three position mark spheres are attached to one part, six degrees of freedom of the position and orientation of the part can be determined.
こうして測定した部品、すなわち各ベース板5a、5bの位置姿勢から、ベース板5a、5bの位置の修正量を決める(ステップ108)。修正量があらかじめ定めておいた目標精度以内に収まっていれば、終了する(ステップ109)。そうでなければ、位置調整回数のカウンタに1を加える(ステップ110)。もし、あらかじめ定められた繰り返し数に達していれば、収束しなかったと判断してエラーを表示し、停止する(ステップ111)。
The amount of correction of the position of the
2つのベース板5a、5bを接続しているボルトを緩め、その修正量にしたがって位置調整駒9の調節ねじを回転させて位置を調整し、再びボルトを締めてベース板5a、5bを固定する(ステップ112)。そして、再びステップ101にもどる。
The bolts connecting the two
また、以上説明した測定動作をすでに1度以上行ったあとなら、ティーチングを省略することができる。すなわち、ステップ101の工程を省略し、自動的にXYZスライド11〜13をティーチングの完了している位置まで移動し位置マーク球4の位置を精密測定することが可能である。なお、アナログ演算回路の記号を用いて各センサーからの信号処理を説明したが、これを直接アナログデジタル変換し、コンピュータの内部で演算しても同じである。
Further, teaching can be omitted after the measurement operation described above has been performed once or more. That is, it is possible to omit the
また、非常に高い精度で位置を測定する場合、レーザーの波長が気圧や温度変化の影響を受けて変化することが知られている。これについては波長トラッカーを追加し、波長補正するのが有効である。この波長トラッカーについてはすでに製品が購入可能であり、よく知られた技術である。 Further, it is known that when measuring the position with very high accuracy, the wavelength of the laser changes under the influence of atmospheric pressure or temperature change. For this, it is effective to add a wavelength tracker and correct the wavelength. This wavelength tracker is a well-known technology that is already available for purchase.
図10は実施例2を示すもので、Zスライド13に固定した5つのレーザー測長器71〜75のみが実施例1と異なっており、残りの部材は同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。
FIG. 10 shows the second embodiment. Only the five laser
本実施例において、Xミラー47はX方向とZ方向の面が鏡面になっているミラーであり、Yミラー48はY方向が鏡面になっているミラーである。そして、X方向についてはX1、X2レーザー測長器71、72で測定する。Y方向についてはY1レーザー測長器73で測定する。そしてZ方向についてはZ1、Z2レーザー測長器74、75で測定する。また、X1、X2測長軸およびZ1測長軸を同一垂直平面内に配置し、X1、Y1測長軸を同一水平面内に配置し、Z1、Z2測長軸をY方向に離間して配置する。
In this embodiment, the
距離L1をX2測長軸と、X1測長軸のZ方向の距離とし、距離L2をX2測長軸と、測定点MまでのZ方向の距離とし、カメラ16の光軸とZ1レーザー測長器74までを距離L3、Z1測長軸とZ2測長軸の間を距離L4とし、各レーザー測長器71〜75の出力する符号を正の長さとした時、測定点MのXYZ座標は次の式で計算される。
The distance L1 is the distance in the Z direction of the X2 measurement axis and the X1 measurement axis, the distance L2 is the distance in the Z direction to the X2 measurement axis and the measurement point M, the optical axis of the
−X = X1 + (X2−X1)*(L1+L2)/L1
−Y = Y1 + (Z2−Z1)*(L1+L2)/L4
Z = Z1 + (X2−X1)*L3/L1
-X = X1 + (X2-X1) * (L1 + L2) / L1
-Y = Y1 + (Z2-Z1) * (L1 + L2) / L4
Z = Z1 + (X2-X1) * L3 / L1
Zスライド13が移動すると、その下のX、Yスライド11、12の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばX軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は(Z2−Z1)/L4となる。そしてこの回転が生じたときの測定点MのY方向の偏差は(Z2−Z1)*(L1+L2)/L4である。これがY座標における上式の第2項の意味である。
When the
以上の説明では簡便にするためX、Y、Z座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちX=Y=Z=0とできることは自明である。この実施例においては、実施例1に比べてYミラー48を小さくすることができるという利点がある。
In the above description, the X, Y, and Z coordinate offsets are omitted for the sake of simplicity. It is obvious that an arbitrary position can be made the origin, that is, X = Y = Z = 0 by adding an offset constant to the above equation. In this embodiment, there is an advantage that the
図11は実施例3を示すもので、Zスライド13に固定した5つのレーザー測長器81〜85のみが実施例1と異なっており、残りの部材は同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。
FIG. 11 shows the third embodiment. Only the five laser
本実施例において、Xミラー47はX方向とZ方向の面が鏡面になっているミラーであり、Yミラー48はY方向が鏡面になっているミラーである。そして、X方向についてはX1レーザー測長器81で測定する。Y方向についてはY1レーザー測長器82で測定する。そしてZ方向についてはZ1、Z2、Z3レーザー測長器83〜85で測定する。また、X1測長軸およびZ1、Z3測長軸を同一垂直平面内に配置し、X1、Y1測長軸を同一水平面内に配置し、Z1、Z2測長軸をY方向に離間して配置する。
In this embodiment, the
距離L1をX1測長軸と測定点MまでのZ方向の距離とし、距離L3をカメラ16の光軸とZ3レーザー測長器83までの距離とし、Z1測長軸とZ2測長軸の間を距離L4、Z2測長軸とZ3測長軸の間を距離L5とし、レーザー測長器81〜85の出力する符号を正の長さとした時、測定点MのXYZ座標は次の式で計算される。
The distance L1 is the distance in the Z direction from the X1 measuring axis to the measuring point M, the distance L3 is the distance from the optical axis of the
−X = X1 + (Z3−Z1)*L1/L5
−Y = Y1 + (Z2−Z1)*L1/L4
Z = Z1 + (Z3−Z1)*(L3+L5)/L5
-X = X1 + (Z3-Z1) * L1 / L5
-Y = Y1 + (Z2-Z1) * L1 / L4
Z = Z1 + (Z3-Z1) * (L3 + L5) / L5
Zスライド13が移動すると、その下のX、Yスライド11、12の影響もあり大きな位置、姿勢誤差が生じるが、上式で計算すればその影響を排除することができる。例えばX軸回りの回転誤差が生じたとするとその回転角度は(Z2−Z1)/L4となる。そしてこの回転が生じたときの測定点MのY方向の偏差は(Z2−Z1)*L1/L4である。これがY座標における上式の第2項の意味である。
When the
以上の説明では簡便にするためX、Y、Z座標のオフセットは省略した。上式にオフセットの定数を加えることにより任意の位置を原点、すなわちX=Y=Z=0とできることは自明である。この実施例においても、実施例1に比べてYミラー48を小さくすることができるという利点がある。
In the above description, the X, Y, and Z coordinate offsets are omitted for the sake of simplicity. It is obvious that an arbitrary position can be made the origin, that is, X = Y = Z = 0 by adding an offset constant to the above equation. Also in this embodiment, there is an advantage that the
図12は実施例4における被測定物である電子レンズを示すもので、実施例1における電子レンズの位置マーク球4に替えて、図13に示す位置マークである同心円状のフレネルパターン94を用いたものである。半導体レーザーのような単一波長の光をこのような同心円状のパターンに照射し、回折させることにより、位置マーク球と同じ作用が可能である。
FIG. 12 shows an electron lens that is an object to be measured in Example 4. Instead of the position mark sphere 4 of the electron lens in Example 1, a
図12の電子レンズは、図2に示す構成と同様である。すなわち、第1のベース板5aにスペーサ6をはさんで第2のベース板5bを固定する。第1のベース板5aには第1のプレート2aが板ばね7aで固定され、プレート2aには電子が通過するレンズ開口3aがあけられている。同様に第2のベース板5bには第2のプレート2bが板ばね7bで固定され、プレート2bには電子が通過するレンズ開口3bがあけられている。この電子レンズには図示しない制御電極が形成されており電子線がレンズ開口3a、3bを通過するときにレンズ作用を発揮する。
The electron lens shown in FIG. 12 has the same configuration as that shown in FIG. That is, the
この時重要なのは第1段めのレンズ開口3aと第2段めのレンズ開口3bが正確に垂直線上にあることである。もしそうでないと、電子線がこの穴の中心を通過していかないので精密なレンズ作用は発揮できないことになる。したがって第1、第2のベース板5a、5bの水平方向を精密に位置あわせし、固定する必要がある。
What is important at this time is that the first-
そこで、各プレート2a、2bにフレネルパターン94を形成する。これは前述の位置マーク球4の球面と同じ作用をする。このとき回折の次数によって、主に2つの配置が考えられる。フレネルパターン94について図14の(a)、(b)に示すように、フレネルパターン94の上側と下側で測定点Mが検出されるため、上側の位置、つまり図14の(a)に示す配置で測定点Mを測定し、次に下側の位置、つまり図14の(b)の配置で測定点Mを測定し、両者の中点を計算し、そこを位置マークの測定点とする。このようにすると、フレネルパターン94を形成しているプレート2a、2bが、たとえ傾斜していても、正確にフレネルパターン94の中心を測定できる。本実施例では、実施例1に比べて、より電子レンズのレンズ開口3a、3bに近いところに位置マークであるフレネルパターン94を配置できるので精度の向上が期待できる。
Therefore, a
また、フレネルパターンは電子レンズのレンズ開口の製作と同時に半導体リソグラフィプロセスを応用して製作可能であるため、両者の相対位置を高精度に製作可能である。つまり、実施例1においては各位置マーク球4とレンズ開口3a、3bの相対位置をあらかじめ顕微鏡などを用いて測定する必要があったが、本実施例では必要ない。
Further, since the Fresnel pattern can be manufactured by applying a semiconductor lithography process simultaneously with the manufacturing of the lens aperture of the electron lens, the relative position of both can be manufactured with high accuracy. That is, in Example 1, it was necessary to measure the relative positions of the position mark spheres 4 and the
なお、図13に示す同心円状のフレネルパターン94に替えて、図15に示すような横方向と縦方向の短冊状のフレネルパターン95、96を用いてもよい。半導体レーザーのような単一波長の光をこのような2つの短冊状のフレネルパターン95、96に照射し、回折させることにより、円筒面と同じ作用が可能であり、縦、横方向の短冊状パターン95、96はそれぞれ縦、横方向の円筒面として考えてよい。
Instead of the
すなわち、位置マークにこのような2つのフレネルパターン、および反射平面の3つを利用するものである。X方向のフレネルパターンを用いた場合はX方向の位置が測定でき、Y方向のフレネルパターンを用いた場合はY方向の位置が測定できる。Z方向についてはフレネルパターンのない反射平面を用いて測定する。また、各フレネルパターン95、96については同心円状のフレネルパターン94と同様に上側と下側の測定位置で位置測定が可能であるのでその中点を計算し、位置マークの測定点Mとする。
That is, three such Fresnel patterns and three reflection planes are used for the position mark. When the Fresnel pattern in the X direction is used, the position in the X direction can be measured, and when the Fresnel pattern in the Y direction is used, the position in the Y direction can be measured. The Z direction is measured using a reflection plane having no Fresnel pattern. Further, since each
短冊状のフレネルパターンは直線からできているので半導体リソグラフィに用いるマスクの製作が容易である。従って、製作コストを削減し、また製作精度も向上できるという利点がある。 Since the strip-shaped Fresnel pattern is made of a straight line, it is easy to manufacture a mask used for semiconductor lithography. Therefore, there are advantages that the manufacturing cost can be reduced and the manufacturing accuracy can be improved.
上記の実施例においては、いずれも、2つのミラーを位置基準としたレーザー測長器を用いて位置測定を行うので、高精度の位置測定を行うことが可能である。そして、位置測定の精度はレーザー測長器が受け持つので、移動する部材であるXスライド、Yスライド、Zスライドは高精度である必要はない。従って、装置製作コストを抑えることができる。 In each of the above embodiments, since the position measurement is performed using the laser length measuring device with the two mirrors as the position reference, it is possible to perform the position measurement with high accuracy. Further, since the laser length measuring device is responsible for the accuracy of position measurement, the X slide, Y slide, and Z slide that are moving members do not need to be highly accurate. Therefore, the device manufacturing cost can be suppressed.
また、レーザー測長器の配置を変えることで、一方のミラー、例えばY側のミラーの縦方向のサイズを小さくしたり、2つのミラーの縦方向のサイズを小さくすることができる。 Also, by changing the arrangement of the laser length measuring device, the vertical size of one mirror, for example, the Y-side mirror, can be reduced, or the vertical size of the two mirrors can be reduced.
また、位置マークを位置マーク球の球面とし、球心のX、Y方向の位置を光てこ光学系で読み取ることにより極めて精密に位置を測定することができる。そして、光軸方向すなわちZ位置についても高精度に測定することができる。 Further, the position mark can be a spherical surface of the position mark sphere, and the position of the sphere center in the X and Y directions can be read with an optical lever optical system, so that the position can be measured very precisely. The optical axis direction, that is, the Z position can also be measured with high accuracy.
あるいは、位置マークをフレネルパターンで構成することにより、半導体リソグラフィプロセスで位置マーク製作が可能となり、半導体プロセスで製作する部品は、その製造工程の中で部品と位置マークを同時に製作することができる。従って、部品と位置マークの相対位置精度を向上できるうえに、製作コストも抑えられる。 Alternatively, by forming the position mark with a Fresnel pattern, the position mark can be manufactured by a semiconductor lithography process, and a part manufactured by the semiconductor process can be manufactured simultaneously with the part and the position mark. Therefore, the relative positional accuracy between the part and the position mark can be improved, and the manufacturing cost can be reduced.
さらに、直線パターンのフレネルパターンを用いることで位置マークの製作がより簡単になり、被測定物と位置マークの製作コストを抑えられる。 Further, the use of a linear Fresnel pattern makes it easier to manufacture the position mark, and the manufacturing cost of the object to be measured and the position mark can be reduced.
また、ミラー保持部材とベースの固定を3箇所で行い、1点は固定スペーサをはさんで固定し、1点はそのスペーサの方角に移動軸を沿わせたリニアガイドをはさんで固定し、1点は球を平板ではさんで固定することにより、支持台が変形しても測定基準であるミラーの相対関係が不変であり測定精度が劣化するおそれのない光学式3次元位置測定装置を実現できる。 Also, the mirror holding member and the base are fixed at three locations, one point is fixed with a fixed spacer, and one point is fixed with a linear guide with the moving axis along the direction of the spacer. At one point, by fixing the sphere with a flat plate, an optical three-dimensional position measurement device is realized that does not cause the measurement accuracy to deteriorate because the relative relationship of the mirror, which is the measurement reference, remains unchanged even if the support base is deformed. it can.
2a、2b プレート
3a、3b レンズ開口
4 位置マーク球
5a、5b ベース板
6 スペーサ
7a、7b 板ばね
8 覗き穴
9 位置調整駒
10 支持台
11 Xスライド
12 Yスライド
13 Zスライド
14 XYZコントローラ
15 コンピュータ
15a 手動操作盤
16 カメラ
17 モニター
19 光てこ光学系
20、26 ハーフミラー
21 半導体レーザー
21a、24 集光レンズ
22 光ファイバー
23 偏光ビームスプリッタ
25 4分の1波長板
27 ポジションセンサー
28、29、39 引き算回路
30、36、37、38 足し算回路
31、32、40 割り算回路
33、41 比較回路
34 シリンドリカルレンズ
35 4分割フォトダイオード
42 コラム
43 固定スペーサ
44 リニアガイド
45 ボール
46 測定ボックス
47 Xミラー
48 Yミラー
49 プランジャー
50、53 突き当て駒
61、71、81 X1レーザー測長器
62、72 X2レーザー測長器
63、73、82 Y1レーザー測長器
64 Y2レーザー測長器
65、74、83 Z1レーザー測長器
75、84 Z2レーザー測長器
85 Z3レーザー測長器
94、95、96 フレネルパターン
2a,
Claims (12)
前記3次元ステージを構成するX、Y、Zステージをそれぞれ移動させ、Zステージに保持されたカメラの光軸位置に被測定物の位置マークの画像を合わせる工程と、
カメラの光軸位置に位置マークの画像を合わせた状態でZステージのX、Y、Z位置をそれぞれX、Y、Zレーザー測長器によって測定し、それぞれの測定値に基づいて位置マークの3次元位置を算出する工程と、
を有することを特徴とする位置測定方法。 A position measurement method for imaging an object to be measured having a position mark with a camera held on a three-dimensional stage on a base,
Moving each of the X, Y, and Z stages constituting the three-dimensional stage to align the image of the position mark of the object to be measured with the optical axis position of the camera held on the Z stage;
With the position mark image aligned with the optical axis position of the camera, the X, Y, and Z positions of the Z stage are measured by the X, Y, and Z laser length measuring devices, respectively. Calculating a dimension position;
A position measuring method characterized by comprising:
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