JP3532347B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
測定する形状測定装置に係り、特に、レーザ干渉測長器
を備え、物体の表面形状を高精度に測定する形状測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の表面形状を測定する形状測
定装置として、例えば互いに略直交した２軸あるいは３
軸方向にそれぞれ独立に移動する移動台に被測定物の表
面の測定点を検出する変位計を設け、この変位計が測定
点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物の表面の測定
面を移動するように移動台を移動させ、この移動台の移
動軌跡に基づいて被測定物の表面形状を測定する形状測
定装置が知られている。

【０００３】この種の形状測定装置としては、例えば図
７に示されるものがある。図７において、１は光学式の
変位計、１０はＸステージ１１およびＹステージ１２か
らなるＸＹステージ１０であり、変位計１はＹステージ
１２の上面に固定されている。また、被測定物２はＸＹ
ステージ１０外部の被測定物セット台３に固定されてい
る。１３はＸステージ１１をＸ軸方向に移動するアクチ
ュエータ、１４はＹステージ１２をＹ軸方向に移動する
アクチュエータであり、１５および１６はそれぞれアク
チュエータ１３および１４を駆動するコントローラドラ
イバである。

【０００４】Ｘ軸方向と平行なＸステージ１１の一側面
側には、Ｘステージ１１の側面に取付けられたメインス
ケール１７ａと装置本体に取付けられたインデックスス
ケール１７ｂとからなるリニアエンコーダ１７が設けら
れ、ＸＹステージ１０のＸ軸方向の移動量が検出される
ようになっている。また、Ｙ軸方向と平行なＹステージ
１２の一側面側には、Ｙステージ１２の側面に取付けら
れたメインスケール１８ａとＸステージ１１に一体的に
取付けられたインデックススケール１８ｂとからなるリ
ニアエンコーダ１８が設けられ、ＸＹステージ１０のＹ
軸方向の移動量が検出されるようになっている。

【０００５】１９は変位計１から出力された検出信号に
基づいてＸＹステージ１０を移動する信号をコントロー
ラドライバ１５、１６に出力するとともに、リニアエン
コーダ１７、１８により検出されたＸＹステージ１０の
移動量を入力し、得られた移動量に基づいてＸＹステー
ジ１０の移動軌跡を解析して被測定物２の表面形状を特
定するものであり、例えばパーソナルコンピュータによ
り構成されている。

【０００６】この形状測定装置は、変位計１が被測定物
２の表面に沿って測定点を移動するようにＸＹステージ
１０を移動させ、このＸＹステージ１０の移動量をリニ
アエンコーダ１７、１８により検出することで、被測定
物２のＸ軸およびＹ軸を通るＸＹ平面と平行する平面に
おける被測定物の形状を間接的に測定するものである。

【０００７】その動作を詳しく説明すると、図８（ａ）
に示すように、まず、被測定物２をセット台３にセット
し、被測定物２の測定開始点Ｐ０を通るＹ軸上に変位計
１を移動するようＸＹステージ１０がＸ方向に移動され
る。次いで、図８（ｂ）に示すように、被測定物２の測
定開始点Ｐ０が変位計１の測定可能範囲に入るようにＸ
Ｙステージ１０がＹ軸方向に移動される。次いで、図８
（ｃ）に示すように、被測定物２と変位計１とが一定の
距離を保つよう（変位計１の測定可能範囲に入るよう）
に、Ｘステージ１１が図中上方向（Ｘ軸方向）に、Ｙス
テージ１２が図中左右方向（Ｙ軸方向）に移動され、Ｘ
Ｙステージ１０の移動量Ｓ１およびＳ２が検出される。
そして、パーソナルコンピュータ１９により得られた移
動量に基づいてＸＹステージ１０の移動軌跡が解析され
て被測定物２の表面形状が特定される。

【０００８】しかしながら、図７に示された従来の形状
測定装置にあっては、ＸＹステージ１０の移動量の検出
にリニアエンコーダ１７、１８を用いており、ＸＹステ
ージ１０のガイド等の駆動部に高度の真直度（直線性）
が要求されていた。ＸＹステージ１０の移動に伴う機械
的な誤差が被測定物２の誤差となってしまうからであ
る。

【０００９】例えば、Ｘステージ１１のガイド中心軸が
測定開始点Ｐに対しＹ軸方向に変位＋δだけずれていた
とすると、被測定物２と変位計１とが一定の距離を保つ
ようにＹステージ１２がＹ軸方向に−δだけ移動され、
この移動量−δが被測定物２の表面形状として測定され
ることになる。このため、ＸＹステージ１０やそのガイ
ド等の部材は真直度（直線性）が要求され、例えば静圧
空気案内が必要あり、測定装置が高価となってしまうと
いう問題があった。

【００１０】そこで、ＸＹステージの移動量を検出する
手段として、レーザ干渉測長器を用いた形状測定装置が
知られている。この種の形状測定装置としては、例えば
図９に示されるものがある。なお、図７に示された構成
と同様のものには、同一符号を付して説明を省略する。
また、同図では、パーソナルコンピュータ、２つのコン
トローラドライバ等は省略している。

【００１１】図９において、２０はＸ座標およびＹ座標
測定用の基準ミラーであり、反射面２０ａおよび反射面
２０ｂは高精度に互いに直角をなすように形成され、そ
れぞれＸＹステージ１０のＸ軸方向およびＹ軸方向に直
交するようにＸＹステージ１０上にセットされている。
２１は周波数安定化レーザ光源であり、この光源２１か
ら発せられたレーザ光はプリズム２２により２方向に分
割され、それぞれＸ座標測定用のレーザ干渉計２３およ
びＹ座標測定用のレーザ干渉計２４に射出される。レー
ザ干渉計２３に入射されたレーザ光は基準ミラー２０の
反射面２０ａとの間で２往復してレシーバ２５に受光さ
れ、レーザ干渉計２４に入射されたレーザ光は基準ミラ
ー２０の反射面２０ｂとの間で２往復してレシーバ２６
に受光される。レシーバ２５および２６に受光された干
渉信号は図示しないパーソナルコンピュータに入力さ
れ、これらの干渉信号に基づいてＸＹステージ１０の移
動軌跡が解析されて被測定物２の表面形状が特定され
る。

【００１２】この形状測定装置では、ＸＹステージ１０
の外部に配設されたレーザ干渉計２３および２４とＸＹ
ステージ１０上の固定された基準ミラー２０とによりＸ
Ｙステージ１０のＸ軸方向およびＹ軸方向の移動量を測
定するので、リニアエンコーダを用いた場合のように、
ＸＹステージ１０の移動に伴う真直度の誤差の影響を排
除することができる。

【００１３】例えば、Ｘステージ１１のガイド中心軸が
測定開始点Ｐに対しＹ軸方向に変位＋δだけずれていた
とすると、被測定物２と変位計１とが一定の距離を保つ
ようにＹステージ１２がＹ軸方向に−δだけ移動される
が、レーザ干渉計２４から見た基準ミラー２０の反射面
２０ｂの位置は変化しないからである。また、この種の
形状測定装置としては、特開平４−２９２０６号公報記
載の超高精度三次元測定機が報告されている。この測定
機は、定盤１上にＸＹテーブル２を設け、ＸＹテーブル
２上に架台３を設け、架台３上にＺ軸移動台５およびレ
ーザ干渉測長器を設けており、さらに定盤１上支持体８
を設け、この支持体８を介してＺ軸移動台の上方に水平
ミラーをＸ−Ｙ軸基準面９として設けている。そして、
定盤１に固定された被測定物７の被測定面とその上方に
位置するＺ軸移動台上の特定点との距離Ｚ１、並びに、
Ｘ−Ｙ軸基準面９とその下方に位置するＺ軸移動台５上
の特定点との距離Ｚ２を測定して被測定物７の形状を求
めることにより、Ｚ軸方向の真直度不足の影響を排除し
つつ大型の被測定物を測定可能にしている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示された従来の形状測定装置にあっては、ＸＹステージ
の移動時に発生するヨーイングやピッチング等に起因す
るいわゆるアッベ誤差を排除して測定することができ
ず、このアッベ誤差の影響を極力小さくするために、Ｘ
Ｙステージやそのガイド等の部材は真直度（直線性）が
要求され、例えば静圧空気案内が必要あり、測定装置が
高価となってしまうという問題があった。

【００１５】また、特開平４−２９２０６号公報記載の
超高精度三次元測定機にあっても、レーザ干渉測長器本
体が架台３上に設けられているため、光学系が複雑化し
てしまうといった問題があった。そこで、本発明は、各
軸方向に対応するレーザ干渉計と基準ミラーとの間の測
長経路の中心軸が、それぞれ被測定物の測定点を通り、
それぞれの軸方向と平行な直線上に一致するように、基
準ミラーおよびレーザ干渉計を配設することにより、ア
ッべ誤差を解消して高精度な形状測定を行うことができ
る低コストな形状測定装置を提供することを目的として
いる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、被測定物の表面の測定点を
検出する変位計と、変位計と被測定物とのうち何れか一
方を固定して、該変位計の検出方向に平行な軸を含む互
いに略直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なくとも２つ
の軸方向にそれぞれ独立に移動する移動台と、変位計が
測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物の表面に
沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸方向にそ
れぞれ独立に移動する移動手段と、測長基準となる反射
面を含む基準ミラーと、該基準ミラーの反射面との間に
それぞれ測長光路を形成するレーザ干渉計と、該レーザ
干渉計にレーザ光を供給するレーザ供給系と、を有する
少なくとも１つのレーザ干渉測長器と、を備え、該レー
ザ干渉測長器の測長結果に基づいて被測定物の表面形状
を測定する形状測定装置において、前記レーザ干渉測長
器の測長光路の中心軸が、前記被測定物の測定点を通る
よう、基準ミラーおよびレーザ干渉計を配設し、前記レ
ーザ供給系が、レーザ光源から射出されたレーザ光を前
記レーザ干渉計に導光する光ファイバを有し、前記変位
計、前記レーザ干渉計、並びに、前記光ファイバの射出
部が前記移動台に固定され、前記被測定物および前記基
準ミラーが前記移動台の外部に固定されたことを特徴と
する。

【００１７】請求項１記載の発明では、少なくとも変位
計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉測長
器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される各測
長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、前記
基準ミラーおよび前記レーザ干渉計が配設される。この
ため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつつ
変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応す
る軸方向の移動量を測定することができるので、被測定
物の形状を高精度に測定することができる。また、ＸＹ
ステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を極
めて高精度にする必要がないので、測定装置のコストを
低減することができる。また、レーザ光源から射出され
たレーザ光が光ファイバによって移動台の軸方向に対応
するレーザ干渉計に導光されるので、レーザ光源発生装
置等を移動台若しくはその周辺から離隔して自由な位置
に設置することができる。また、光ファイバの射出部は
移動台上にも設置することができる。したがって、レー
ザ供給系のレイアウトの自由度を向上することができる
とともに、装置をコンパクト化することができる。な
お、一般のガスレーザを用いたレーザ光源発生装置は、
その大きさおよび重量 から移動台上に設置するには不向
きだからである。また、前記変位計、前記レーザ干渉
計、並びに、前記光ファイバの射出部が前記移動台上に
固定され、前記被測定物および前記基準ミラーが前記移
動台の外部に固定される。このため、変位計、レーザ干
渉計、並びに、光ファイバの射出部はその重量が軽量か
つ一定であるので、移動台の移動負荷を軽減し、好適な
追従性を実現するアクチュエータの設計が容易となる。
特に被測定物および基準ミラーの重量が変位計およびレ
ーザ干渉計の重量よりも大きいときには有効である。

【００１８】請求項２記載の発明は、被測定物の表面の
測定点を検出する変位計と、変位計と被測定物とのうち
何れか一方を固定して、該変位計の検出方向に平行な軸
を含む互いに略直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なく
とも２つの軸方向にそれぞれ独立に移動する移動台と、
変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、測長基準と
なる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラーの反射面
との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ干渉計と、
該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ供給系と、
を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器と、を備
え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて被測定物
の表面形状を測定する形状測定装置において、前記レー
ザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測定物の測
定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉計を配設
し、前記レーザ供給系が、半導体レーザからなり、前記
変位計、前記レーザ干渉計、並びに、前記半導体レーザ
が前記移動台に固定され、前記被測定物および前記基準
ミラーが前記移動台の外部に固定されたことを特徴とす
る。

【００１９】請求項２記載の発明では、少なくとも変位
計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉測長
器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される各測
長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、前記
基準ミラーおよび前記レーザ干渉計が配設される。この
ため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつつ
変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応す
る軸方向の移動量を測定することができるので、被測定
物の形状を高精度に測定することができる。ま た、ＸＹ
ステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を極
めて高精度にする必要がないので、測定装置のコストを
低減することができる。また、前記レーザ供給系が、半
導体レーザからなるので、Ｈｅ−Ｎｅレーザに代表され
るガスレーザを用いる場合に比べ、装置全体を著しく小
型化することができる。また、半導体レーザは移動台上
にも設置することもできるので、レーザ供給系のレイア
ウトの自由度を向上することができる。なお、一般に、
ガスレーザを用いたレーザ光源発生装置は、その大きさ
および重量から移動台上に設置するには不向きだからで
ある。また、前記変位計、前記レーザ干渉計、並びに、
前記半導体レーザが前記移動台上に固定され、前記被測
定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部に固定さ
れる。このため、変位計、レーザ干渉計、並びに、半導
体レーザはその重量が軽量かつ一定であるので、移動台
の移動負荷を軽減し、好適な追従性を実現するアクチュ
エータの設計が容易となる。特に被測定物および基準ミ
ラーの重量が変位計およびレーザ干渉計の重量よりも大
きいときには有効である。

【００２０】請求項３記載の発明は、被測定物の表面の
測定点を検出する変位計と、変位計と被測定物とのうち
何れか一方を固定して、該変位計の検出方向に平行な軸
を含む互いに略直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なく
とも２つの軸方向にそれぞれ独立に移動する移動台と、
変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、測長基準と
なる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラーの反射面
との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ干渉計と、
該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ供給系と、
を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器と、を備
え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて被測定物
の表面形状を測定する形状測定装置において、前記レー
ザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測定物の測
定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉計を配設
し、前記移動台が、前記各軸方向にそれぞれ独立に移動
する第１移動台と、該第１移動台に搭載され、前記変位
計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、前記各軸
方向のうち少なくとも前記変位計の検出方向と平行な軸
方向に独立に移動する第２移動台と、からなり、前記移
動手段が、第２移動台が移動可能な軸方向に対 し、第１
移動台を前記変位計の検出信号の低周波数帯域の変動に
追従するように移動させ、第２移動台を前記変位計の検
出信号の高周波数帯域の変動に追従するように移動させ
るようにし、前記レーザ供給系が、レーザ光源から射出
されたレーザ光を前記レーザ干渉計に導光する光ファイ
バを有し、前記変位計、並びに、前記第２移動台の前記
変位計の検出方向と平行な軸方向に対応する前記レーザ
干渉計および前記光ファイバの射出部が、前記第２移動
台に固定され、前記変位計の検出方向と平行な軸方向に
対応する軸方向以外の軸方向に対応する前記前記レーザ
干渉計および光ファイバの射出部が、前記第１移動台に
固定され、前記被測定物および前記基準ミラーが前記移
動台の外部に固定されたことを特徴とする。

【００２１】請求項３記載の発明では、少なくとも変位
計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉測長
器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される各測
長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、前記
基準ミラーおよび前記レーザ干渉計が配設される。この
ため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつつ
変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応す
る軸方向の移動量を測定することができるので、被測定
物の形状を高精度に測定することができる。また、ＸＹ
ステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を極
めて高精度にする必要がないので、測定装置のコストを
低減することができる。また、前記移動台が、前記各軸
方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、該第１移
動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのうち何れか
一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくとも前記変
位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動する第２移
動台と、からなり、前記移動手段が、第２移動台が移動
可能な軸方向に対し、第１移動台を前記変位計の検出信
号の低周波帯域の変動に追従するように移動させ、第２
移動台を前記変位計の検出信号の高周波数帯域の変動に
追従するように移動させるように構成している。このた
め、移動手段により第１移動台を低周波数帯域の変動、
すなわち測定点が被測定物の形状に概ね追従するように
移動させるとともに、第２移動台を高周波数帯域の変
動、すなわち第１移動台の振動や被測定物の表面粗さに
追従するよう移動させ、制御帯域を分担させて測定点を
移動することができる。したがって、測定を高速化する
ことができる。また、レーザ光源 から射出されたレーザ
光が光ファイバによってそれぞれ移動台の各軸方向に対
応するレーザ干渉計に導光されるので、レーザ光源発生
装置等を移動台若しくはその周辺から離隔して自由な位
置に設置することができる。また、光ファイバの射出部
は移動台上にも設置することができる。したがって、レ
ーザ供給系のレイアウトの自由度を向上することができ
るとともに、装置をコンパクト化することができる。な
お、一般のガスレーザを用いたレーザ光源発生装置は、
その大きさおよび重量から移動台上に設置するには不向
きだからである。また、前記変位計、並びに、前記第２
移動台の移動可能な軸方向に対応する前記レーザ干渉計
および前記光ファイバの出射部が前記第２移動台に固定
され、前記第２移動台の移動可能な軸方向以外の軸方向
に対応する前記レーザ干渉計および前記光ファイバの出
射部が前記第１移動台に固定され、前記被測定物および
前記基準ミラーが前記移動台の外部に固定される。第２
移動台には、各軸方向に対応する全てのレーザ干渉計を
固定するのが理想であるが、第２移動台の移動負荷が大
きくなり、第２移動台の好適な追従性が得られない場合
がある。このため、第２移動台に固定されるレーザ干渉
計を少なくし、第２移動台の移動負荷を小さくすること
で、第２移動台の移動をより高速化することができる。
このとき、残りのレーザ光源およびレーザ干渉計が第１
移動台上にあっても、アッベ誤差を発生することなく十
分な追従性を得ることができる。

【００２２】請求項４記載の発明は、被測定物の表面の
測定点を検出する変位計と、変位計と被測定物とのうち
何れか一方を固定して、該変位計の検出方向に平行な軸
を含む互いに略直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なく
とも２つの軸方向にそれぞれ独立に移動する移動台と、
変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、測長基準と
なる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラーの反射面
との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ干渉計と、
該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ供給系と、
を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器と、を備
え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて被測定物
の表面形状を測定する形状測定装置において、前記レー
ザ干渉測長器の測長光路の中心軸が 、前記被測定物の測
定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉計を配設
し、前記移動台が、前記各軸方向にそれぞれ独立に移動
する第１移動台と、該第１移動台に搭載され、前記変位
計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、前記各軸
方向のうち少なくとも前記変位計の検出方向と平行な軸
方向に独立に移動する第２移動台と、からなり、前記移
動手段が、第２移動台が移動可能な軸方向に対し、第１
移動台を前記変位計の検出信号の低周波数帯域の変動に
追従するように移動させ、第２移動台を前記変位計の検
出信号の高周波数帯域の変動に追従するように移動させ
るようにし、前記レーザ供給系が、半導体レーザからな
り、前記変位計、並びに、前記第２移動台の前記変位計
の検出方向と平行な軸方向に対応する前記レーザ干渉計
および前記半導体レーザが、前記第２移動台に固定さ
れ、前記変位計の検出方向と平行な軸方向に対応する軸
方向以外の軸方向に対応する前記前記レーザ干渉計およ
び半導体レーザが、前記第１移動台に固定され、前記被
測定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部に固定
されたことを特徴とする。

【００２３】請求項４記載の発明では、少なくとも変位
計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉測長
器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される各測
長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、前記
基準ミラーおよび前記レーザ干渉計が配設される。この
ため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつつ
変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応す
る軸方向の移動量を測定することができるので、被測定
物の形状を高精度に測定することができる。また、ＸＹ
ステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を極
めて高精度にする必要がないので、測定装置のコストを
低減することができる。また、前記移動台が、前記各軸
方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、該第１移
動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのうち何れか
一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくとも前記変
位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動する第２移
動台と、からなり、前記移動手段が、第２移動台が移動
可能な軸方向に対し、第１移動台を前記変位計の検出信
号の低周波帯域の変動に追従するように移動させ、第２
移動台を前記変位計の検出信号の高周波数帯域の変動に
追従するように移動 させるように構成している。このた
め、移動手段により第１移動台を低周波数帯域の変動、
すなわち測定点が被測定物の形状に概ね追従するように
移動させるとともに、第２移動台を高周波数帯域の変
動、すなわち第１移動台の振動や被測定物の表面粗さに
追従するよう移動させ、制御帯域を分担させて測定点を
移動することができる。したがって、測定を高速化する
ことができる。また、前記レーザ供給系が、複数の半導
体レーザからなるので、Ｈｅ−Ｎｅレーザに代表される
ガスレーザを用いる場合に比べ、装置全体を著しく小型
化することができる。また、半導体レーザは移動台上に
も設置することもできるので、レーザ供給系のレイアウ
トの自由度を向上することができる。なお、一般に、ガ
スレーザを用いたレーザ光源発生装置は、その大きさお
よび重量から移動台上に設置するには不向きだからであ
る。また、前記変位計、並びに、前記第２移動台の移動
可能な軸方向に対応する前記レーザ干渉計および前記半
導体レーザが前記第２移動台に固定され、前記第２移動
台の移動可能な軸方向以外の軸方向に対応する前記レー
ザ干渉計および前記半導体レーザが前記第１移動台に固
定され、前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動
台の外部に固定される。第２移動台には、各軸方向に対
応する全てのレーザ干渉計を固定するのが理想である
が、第２移動台の移動負荷が大きくなり、第２移動台の
好適な追従性が得られない場合がある。このため、第２
移動台に固定されるレーザ干渉計を少なくし、第２移動
台の移動負荷を小さくすることで、第２移動台の移動を
より高速化することができる。このとき、残りのレーザ
光源およびレーザ干渉計が第１移動台上にあっても、ア
ッベ誤差を発生することなく十分な追従性を得ることが
できる。

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。 （第１の実施の形態） 図１および図２は本発明に係る形状測定装置の好ましい
実施の形態を示す図であり、図１はその全体構成を示す
図である。なお、図７および図９に示された従来の形状
測定装置と構成が同様のものには、同一符号を付して説
明する。また、同図では、パーソナルコンピュータ、コ
ントローラドライバ等は省略している。

【００３４】図１において、１は光学式の変位計、１０
はＸステージ１１およびＹステージ１２からなるＸＹス
テージであり、移動台を構成している。変位計１は、そ
の検出方向がＹステージ１２の移動方向、すなわちＹ軸
方向と平行となるようにＹステージ１２の上面に設置さ
れている。また、被測定物２はＸＹステージ１０外のセ
ット台３にセットされている。

【００３５】変位計１は、微小スポットを被測定物２の
表面に結び、その反射光を電気信号に変換して検出信号
として出力し、被測定物２の表面の測定点Ｐを検出する
ものである。変位計１の測定範囲は、例えば±０．５μ
ｍ程度であり、微小スポットがこの範囲内にあるときに
その変位に比例した検出信号を出力する。なお、被測定
物２に非接触の光学式変位計はきわめて高感度、かつ小
型、軽量である点で有利であるが、これに限るものでは
なく、例えば触針式のものや渦電流を利用したものでも
よい。

【００３６】Ｙステージ１２は、Ｙステージ１２本体と
一体的に設けられ、Ｙステージ１２本体から突出した板
状部材１２ａを含み、Ｙステージ１２本体の上面と板状
部材１２ａの上面とは同一平面を形成している。板状部
材１２ａの上面には、Ｘステージ１１のＸ軸方向の移動
量を測定するために、Ｘ座標測定用のレーザ干渉計２
３、光ファイバケーブル３３の射出部３３ａおよびレシ
ーバ２５がセットされている。また、Ｙステージ１２本
体の上面には、Ｙステージ１２のＹ軸方向の移動量を測
定するために、Ｙ座標測定用のレーザ干渉計２４、光フ
ァイバケーブル３４の射出部３４ａおよびレシーバ２６
がセットされている。

【００３７】また、ＸＹステージ１０外には、Ｘ座標測
定用の基準平面ミラー３１、Ｙ座標測定用の基準平面ミ
ラー３２、レーザ光源２１およびプリズム２２が設けら
れている。Ｘ座標測定用の基準平面ミラー３１は、その
反射面３１ａがＸＹステージ１０のＸ軸方向と直交する
ように図示しないセット台上にセットされており、後述
するレーザ干渉計２３から射出されたレーザ光を反射し
てレーザ干渉計との間に測長光路を形成するものであ
る。

【００３８】Ｙ座標測定用の基準平面ミラー３２は、そ
の反射面３２ａがＸＹステージ１０のＹ軸方向と直交す
るようにセット台４上にセットされており、後述するレ
ーザ干渉計２４から射出されたレーザ光を反射してレー
ザ干渉計２４との間に測長光路を形成するものである。
レーザ光源２１は、周波数安定化レーザ光を発生するも
のである。レーザ光としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ
等のガスレーザが用いられる。レーザ光源２１から発せ
られたレーザ光は、プリズム２２により２分割され、一
方のレーザ光は光ファイバケーブル３３を通してレーザ
干渉計２３に導光され、もう一方のレーザ光は光ファイ
バケーブル３４を通してレーザ干渉計２４に導光される
ようになっている。すなわち、レーザ光源２１、プリズ
ム、光ファイバケーブル３３、３４はレーザ供給系を構
成している。

【００３９】Ｘ座標測定用のレーザ干渉計２３は、図２
に示すように、ビームスプリッタ２３ａ、コーナーキュ
ーブプリズム２３ｂおよび平面ミラー２３ｃから構成さ
れている。ビームスプリッタ２３ａは、光ファイバケー
ブル３３を通して入射されたレーザ光を測長光と参照光
に２分割するものであり、図２（ａ）に示すように、基
準平面ミラー３１との間にコーナーキューブプリズム２
３ｂを介して測長光路を形成するとともに、図２（ｂ）
に示すように、平面ミラー２３ｃとの間にコーナーキュ
ーブプリズム２３ｂを介して参照光路を形成するように
なっている。

【００４０】測長光は図２（ａ）中の矢印で示されるよ
うに、基準平面ミラー３１との間を２往復し、参照光は
図２（ｂ）中矢印で示されるように、平面ミラー２３ｃ
との間を２往復してそれぞれレシーバ２５に受光され、
その明暗信号（干渉信号）が図示しない測長カウンタに
よりカウントされる。測長カウンタは、基準平面ミラー
３１とレーザ干渉計２３との間の距離Ｌの変化に応じて
レシーバにより検出された明暗信号の繰り返し回数をカ
ウントするものである。例えば距離Ｌがレーザ光の波長
λだけ変化すると、測定光と参照光との光路差は４λと
なり、レシーバ２５により４回の明暗信号が検出され、
この検出回数が測長カウンタによりカウントされる。実
際には、この明暗信号をさらには電気的手法により分割
し、レーザ干渉測長機の分解能を向上させている。分解
能としては、λ／１２８、λ＝６３３ｎｍが一般的であ
る。

【００４１】Ｘ座標測定用のレーザ干渉計２３、光ファ
イバケーブル３３の射出部３３ａおよびレシーバ２５
は、図２（ａ）中に仮想線Ａで示され、ビームスプリッ
タ２３ａと基準平面ミラー３１との間に形成される２本
の測長光路の中心軸が、変位計１の測定点Ｐを通り、Ｘ
Ｙステージ１０のＸ軸方向に平行となるように、Ｙステ
ージ１２の板状部材１２ａの上面に配設されている。

【００４２】また、Ｙ座標測定用のレーザ干渉計２４
も、レーザ干渉計２３と同様に構成されており、Ｙ座標
測定用のレーザ干渉計２４、光ファイバケーブル３４の
射出部３４ａおよびレシーバ２５は、ビームスプリッタ
２４ａと基準平面ミラー３２との間に形成される２本の
測長光路の中心軸が、変位計１の測定点Ｐを通り、ＸＹ
ステージ１０のＹ軸方向に平行となるように、Ｙステー
ジ１２の上面に配設されている。

【００４３】本実施の形態の形状測定装置では、Ｘ座標
測定用のレーザ干渉計２３と基準平面ミラー３１との間
に形成される測長光路の中心軸が、変位計１の測定点Ｐ
を通り、ＸＹステージ１０のＸ軸方向に平行となるよう
に、レーザ干渉計２３、光ファイバケーブル３３の射出
部３３ａおよびレシーバ２５がＹステージ１２の板状部
材１２ａの上面に配設されるとともに、Ｙ座標測定用の
レーザ干渉計２５と基準平面ミラーとの間に形成される
測長光路の中心軸が、変位計１の測定点Ｐを通り、ＸＹ
ステージ１０のＹ軸方向（変位計１の検出方向と平行な
軸方向）に平行となるように、レーザ干渉計２４、光フ
ァイバケーブル３４の射出部３４ａおよびレシーバ２６
がＹステージ１２の上面に配設されている。

【００４４】このため、ＸＹステージ１０の移動に伴う
真直度の誤差の影響を排除するとともに、アッベ誤差を
排除しつつ移動台のそれぞれの軸方向の移動量を測定す
ることができるので、被測定物の形状を高精度に測定す
ることができる。また、ＸＹステージ１０のガイド等の
部材を極めて高精度にする必要がないので、測定装置の
コストを低減することができる。

【００４５】また、レーザ光源２１から発せられ、プリ
ズム２２により２分割されたレーザ光を光ファイバケー
ブル３３、３４を通してレーザ干渉計２３、２４に導光
することができるので、レーザ光源２１をＸＹステージ
１０上から離隔して自由な位置に設置することができ
る。したがって、レーザ供給系のレイアウトの自由度を
向上することができるとともに、装置をコンパクト化す
ることができる。

【００４６】また、一般にレーザ光源２１は、その大き
さおよび重量の故、ＸＹステージ１０上に搭載するのに
は適していないが、本実施形態の形状測定装置では、変
位計１、レーザ干渉計２３、２４、レシーバ２５、２
６、並びに、光ファイバ３３、３４の射出部３３ａ、３
４ａをＸＹステージ１０上に配設している。これらは、
その重量が軽量かつ一定であるので、ＸＹステージ１０
の移動負荷を軽減し、好適な追従性を実現するアクチュ
エータ１３、１４の設計が容易となる。特に被測定物２
や基準平面ミラー３１、３２の重量がこれらの重量より
も大きいときには有効である。

【００４７】図３は、図１に示す形状測定装置とは異な
る形状測定装置の構成を示す図である。なお、図１およ
び図９に示された形状測定装置と構成が同様のものに
は、同一符号を付して説明する。また、同図でも、パー
ソナルコンピュータ、コントローラドライバ等は省略し
ている。

【００４８】図３に示すように、図３に示す形状測定装
置は、図１に示された形状測定装置と反対に、被測定物
２および基準平面ミラー２０をＹステージ１１上に配設
し、変位計１、レーザ干渉計２３、２４、並びに、レシ
ーバ２５、２６をＸＹステージ１０外に配設したもので
ある。２０はＸ座標およびＹ座標測定用の基準ミラーで
あり、ミラー面２０ａおよびミラー面２０ｂは高精度に
互いに直角をなすように形成され、それぞれＸＹステー
ジ１０のＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するようにＸＹ
ステージ１０上にセットされている。

【００４９】Ｘ座標測定用のレーザ干渉計２３ａおよび
レシーバ２５は、レーザ干渉計２３と基準平面ミラー２
０の反射面２０ａとの間に形成される測長光路の中心軸
が、変位計１の測定点Ｐを通り、ＸＹステージ１０のＸ
軸方向に平行となるように配設されている。また、Ｙ座
標測定用のレーザ干渉計２３ａおよびレシーバ２５も同
様に、レーザ干渉計２４と基準平面ミラー２０の反射面
２０ｂとの間に形成される測長光路の中心軸が、変位計
１の測定点Ｐを通り、ＸＹステージ１０のＹ軸方向に平
行となるように配設されている。

【００５０】このため、この形状測定装置においても、
ＸＹステージ１０の移動に伴う真直度の誤差の影響を排
除するとともに、アッベ誤差を排除しつつ移動台のそれ
ぞれの軸方向の移動量を測定することができる。したが
って、被測定物の形状を高精度に測定することができ
る。また、ＸＹステージ１０のガイド等の部材を極めて
高精度にする必要がないので、測定装置のコストを低減
することができる。

【００５１】また、変位計１、レシーバ２５、２６、図
１に示された光ファイバケーブル３１、３２等をＸＹス
テージ１０外に設けているので、これらの配線がＸＹス
テージ１０の移動の際に邪魔になることもなく、装置構
成が簡素化される。なお、図３に示された形状測定装置
では、レーザ光源２１から発せられたレーザ光をプリズ
ム２２により分割し、直接レーザ干渉計２３、２４に導
光したが、図１に示された形状測定装置のように、光フ
ァイバケーブルを用いて導光すると、レーザ光源２１を
自由な位置に設置することができ、装置の小型化を実現
することができることはいうまでもない。

【００５２】また、上記第１の実施の形態では、変位計
１とレーザ干渉計２３、２４等とがＸＹステージ１０上
に配設され、被測定物２と基準平面ミラー３１、３２と
がＸＹステージ外に配設されており、上記図３に示され
た形状測定装置では、被測定物２と基準平面ミラー２０
とがＸＹステージ１０上に配設され、変位計１とレーザ
干渉計２３、２４等をＸＹステージ外に配設されている
が、変位計と基準平面ミラーとをＸＹステージ１０上に
配設し、被測定物とレーザ干渉計等とＸＹステージ１０
外に配設してもよく、あるいは、被測定物とレーザ干渉
計等とをＸＹステージ上に配設し、変位計と基準平面ミ
ラーとをＸＹステージ外に配設してもよい。これらは、
例えば被測定物の大きさおよび重量、ＸＹステージの移
動負荷、設置のし易さ等から最適な組み合せを選択すれ
ばよい。

【００５３】（第２の実施の形態） 図４は本発明に係る第２の実施の形態の形状測定装置の
構成を示す図である。なお、図１、図９に示された形状
測定装置と構成が同様のものには、同一符号を付して説
明する。また、同図でも、パーソナルコンピュータ、コ
ントローラドライバ等は省略している。

【００５４】図４において、変位計１は、ＸＹステージ
１０のＹステージ１２上に設けられたＹステージ４０上
にセットされており、被測定物２はＸＹステージ１０外
にセットされている。Ｙステージ４０は、図示しないア
クチュエータによって変位計１の検出方向と平行なＹ軸
方向にわずかに移動されるようになっており、その移動
ストロークは±１ｍｍである。

【００５５】４１、４２は周波数安定化された半導体レ
ーザであり、レーザ供給系を構成している。半導体レー
ザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザと比較して可干渉距離が短く、
安定した波長が得にくいが、小型、かつ軽量なので設置
性に優れている。Ｙ座標測定用の基準ミラー３２は、そ
の反射面がＸＹステージ１０のＹ軸方向と直交するよう
ＸＹステージ１０外に配設されている。また、Ｙ座標測
定用のレーザ干渉計２４、半導体レーザ４２およびレシ
ーバ２６は、レーザ干渉計２４と基準平面ミラー３２と
の間に形成される測長光路の中心軸が、変位計１の測定
点Ｐを通り、ＸＹステージ１０のＹ軸方向に平行となる
ようにＹステージ４０上に配設されている。Ｘ座標測定
用の基準ミラー３２は、その反射面がＸＹステージ１０
のＸ軸方向と直交するようＸＹステージ１０外に配設さ
れている。また、Ｘ座標測定用のレーザ干渉計２４、半
導体レーザ４２およびレシーバ２６は、例えばＹステー
ジ４０がそのストロークの中央の原点に位置するとき、
レーザ干渉計２４と基準平面ミラー３２との間に形成さ
れる測長光路の中心軸が、変位計１の測定点Ｐを通り、
ＸＹステージ１０のＹ軸方向に平行となるようにＹステ
ージ１２の板状部材１２ａ上に配設されている。

【００５６】Ｙステージ１０は、変位計１の検出信号の
低周波数帯域の変動に基づいて測定点Ｐが被測定物２の
形状に概ね追従するようにアクチュエータ１４により低
速で移動されるようになっている。一方、Ｙステージ４
０は、変位計１の検出信号の高周波信号に基づいて測定
点Ｐが、ＸＹステージ１０の振動や被測定物２の表面粗
さに追従するように高速に移動されるようになってい
る。すなわち、ＸＹステージ１０は、第１移動台に相当
し、Ｙステージ４０は第２移動台に相当する。

【００５７】本実施の形態の形状測定装置は、Ｙステー
ジ１０およびＹステージ４０の制御帯域を分担し、Ｙス
テージ１０およびＹステージをそれぞれのアクチュエー
タによって独立に移動することによって、低周波数帯域
から高周波帯域までの振動をＹステージ１０単独でカバ
ーするものと比較して、測定の高速化を図ったものであ
る。

【００５８】本来、Ｙステージ４０は、Ｙ座標測定用の
レーザ干渉計２４等とともに、Ｘ座標測定用のレーザ干
渉計２３等も配設し、Ｙ軸だけでなくＸ軸方向にも移動
するように構成するのが理想的である。しかし、Ｙステ
ージ４０の移動方向がＹ軸方向のみでも、Ｙステージ４
０を高速に移動することができれば、変位計１の測定範
囲内に保ちつつ変位計１の測定点Ｐが被測定物２に倣っ
て移動するようＹステージ４０を移動することができ
る。このため、Ｙステージ１０の移動ストロークを小さ
くしている。移動ストロークは、Ｙステージ４０の移動
負荷等の条件により異なるが、±２ｍｍ以内、好ましく
は±１ｍｍ以内がよい。

【００５９】また、Ｙステージ４０にＸ座標測定用のレ
ーザ干渉計２３等を配設しようとすると、Ｙステージ４
０のサイズが大きくなるとともに、変位計１およびレー
ザ干渉計２３、２４等を含むＹステージ４０の重量が大
きくなり、Ｙステージの移動負荷が増大する。また、Ｘ
軸方向にも移動させようとすると、新たにＸステージを
設ける必要があり、ステージの重量が大きくなるととも
に、ステージの構成が複雑化してしまう。

【００６０】Ｙ軸方向は変位計１の検出方向と平行であ
り、測定精度に最も影響するからである。第２移動台を
ＸＹステージとするか一軸ステージとするか、各座標の
うち何れの座標測定用のレーザ干渉計等を搭載するかど
うかは、測定装置に要求される測定精度、コスト等を考
慮して決定すればよい。このように、本実施の形態で
は、移動ステージが、Ｘ軸およびＹ軸方向にそれぞれ独
立に移動するＸＹステージ１０と、ＸＹステージ１０に
搭載され、Ｙ軸方向に独立に移動するＹステージ４０
と、からなり、Ｙステージ１２を変位計１の検出信号の
低周波帯域の変動に追従するように移動させ、Ｙステー
ジ４０を変位計１の検出信号の高周波数帯域の変動に追
従するように移動させるように構成している。

【００６１】このため、Ｙステージ１２を低周波数帯域
の変動、すなわち測定点が被測定物の形状に概ね追従す
るように移動させるとともに、Ｙステージ４０を高周波
数帯域の変動、すなわちＸＹステージ１０の振動や被測
定物２の表面粗さに追従するよう移動させ、制御帯域を
分担させて測定点を移動することができる。したがっ
て、測定を高速化することができる。

【００６２】また、小型、かつ軽量の半導体レーザ４
１、４２によりレーザ供給系を構成しているので、装置
全体を著しく小型化することができる。また、例えばレ
ーザ供給系をＸＹステージ１０上、Ｙステージ４０に配
設することができ、レーザ供給系のレイアウトの自由度
を向上することができる。なお、本実施の形態では、レ
ーザ供給系として、半導体レーザを用いたが、図１に示
された形状測定装置のように、レーザ光源２１から発せ
られたレーザ光を光ファイバケーブル３３、３４を通し
て各レーザ干渉計２３、２４に供給してもよいことはい
うまでもない。

【００６３】また、上記第１〜第２の実施の形態では、
説明を容易にするため、互いに直交するＸ軸およびＹ軸
からなるＸＹ平面上を測定点Ｐが移動する２次元の形状
測定装置に説明したが、測定点Ｐを互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にそれぞれ移動する３次元の形
状測定装置にも適用されることは勿論である。また、上
記第１〜第２の実施の形態では、Ｘ座標、Ｙ座標ともレ
ーザ干渉測長器を用いて測定しているが、変位計の検出
方向と平行な軸方向の座標に対してのみレーザ干渉測長
器を用いてもよい。変位計の検出方向と平行な軸方向の
測定精度は、被測定物の測定精度に最も影響するファク
タであり、この軸方向の測定精度が高ければ、他の軸方
向の測定精度を多少落としても、高い被測定物の測定精
度が得られるからである。すなわち、レーザ干渉測長器
をＸ座標、Ｙ座標の双方に対して用いるか、Ｙ座標（変
位計と平行な軸方向の座標）に対して用いるかは、形状
測定装置の要求精度に応じて決定すればよい。

【００６４】ところで、レーザ干渉測長器を用いてＸＹ
ステージ若しくはＸＹＺステージのそれぞれの軸方向の
移動量を測定する場合、各軸方向はそれぞれの基準平面
ミラーの反射面の法線方向となる。実際には、各基準平
面ミラーが互いに直角をなすように配設するのは困難な
場合があり、厳密には非直交座標系において形状測定が
行われることになる。そこで、予め各基準ミラーの直角
度を測定しておき、レーザ干渉測長器により測定された
各軸方向の測定値を理想的な直交座標に変換する手段
を、例えばパーソナルコンピュータに設ければ、より高
精度な形状測定を行うことができる。

【００６５】図５は複数の基準平面ミラーにより形成さ
れる実際の座標系Ｘ´Ｙ´Ｚ´と理想的な直交座標系Ｘ
ＹＺとの関係を示す図である。実際の座標系Ｘ´Ｙ´Ｚ
´における任意の点ｕの座標を（ｘ´，ｙ´，ｚ´）で
表し、理想的な直交座標系ＸＹＺにおける点ｕの座標を
（ｘ，ｙ，ｚ）で表すとすると、両者の間には次式の関
係が成立する。

【００６６】

【数１】

【００６７】ただし、ｉｘ，ｊｘ，ｋｘは、Ｘ方向の単
位ベクトル ｉｙ，ｊｙ，ｋｙは、Ｙ方向の単位ベクトル ｉｚ，ｊｚ，ｋｚは、Ｚ方向の単位ベクトル 式（１）の行列の各係数は、予め各基準平面ミラーの直
角度を測定して求められる。これらの係数に基づいて式
（１）に示された行列の逆行列を算出することにより、
次式に示すように、点ｕの座標を（ｘ´，ｙ´，ｚ´）
を点ｕの座標を（ｘ，ｙ，ｚ）に変換することができ
る。

【００６８】

【数２】

【００６９】具体的には、例えば図８に示すように、実
際の座標系Ｘ´Ｙ´Ｚ´のＸ´Ｙ´軸と平面と理想的な
座標系ＸＹＺのＸＹ平面とが同一の平面を共有し、Ｙ´
軸とＹ軸とが一致するように設定すると、Ｚ´軸のＹ軸
方向成分とＺ軸とのなす角度α、Ｚ´軸のＸ軸方向成分
とＺ軸とのなす角度β、並びに、Ｘ´軸とＸ軸とのなす
角度γがそれぞれ実測可能となる。このとき、式（１）
に示された行列および逆行列はそれぞれ次のようにな
る。

【００７０】

【数３】

【００７１】

【数４】

【００７２】この逆行列を用いてレーザ干渉測長器によ
り実測された座標値が理想的な直交座標系の座標値に変
換されることになる。

【００７３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、少なくと
も変位計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干
渉測長器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成され
る各測長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよ
う、前記基準ミラーおよび前記レーザ干渉計を配設す
る。このため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排
除しつつ変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向
に対応する軸方向の移動量を測定することができるの
で、被測定物の形状を高精度に測定することができる。
また、ＸＹステージあるいはＸＹＺステージやガイド等
の部材を極めて高精度にする必要がないので、測定装置
のコストを低減することができる。また、レーザ光源か
ら射出されたレーザ光を光ファイバによってそれぞれ移
動台の各軸方向に対応するレーザ干渉計に導光するの
で、レーザ光源発生装置等を移動台若しくはその周辺か
ら離隔して自由な位置に設置することができる。また、
光ファイバの 射出部は移動台上にも設置することができ
る。したがって、レーザ供給系のレイアウトの自由度を
向上することができるとともに、装置をコンパクト化す
ることができる。また、前記変位計、前記レーザ干渉
計、並びに、前記光ファイバの射出部を前記移動台上に
固定し、前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動
台の外部に固定する。このため、変位計、レーザ干渉
計、並びに、光ファイバの射出部はその重量が軽量かつ
一定であるので、移動台の移動負荷を軽減し、好適な追
従性を実現するアクチュエータの設計が容易となる。特
に被測定物の重量が変位計およびレーザ干渉計の重量よ
りも大きいときには有効である。

【００７４】請求項２記載の発明によれば、少なくとも
変位計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉
測長器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される
各測長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、
前記基準ミラーおよび前記レーザ干渉計を配設する。こ
のため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつ
つ変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応
する軸方向の移動量を測定することができるので、被測
定物の形状を高精度に測定することができる。また、Ｘ
ＹステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を
極めて高精度にする必要がないので、測定装置のコスト
を低減することができる。また、前記レーザ供給系が、
半導体レーザからなるので、ヘリウム−ネオンレーザに
代表されるガスレーザを用いる場合に比べ、装置全体を
著しく小型化することができる。また、半導体レーザは
移動台上にも設置することができるので、レーザ供給系
のレイアウトの自由度を向上することができる。また、
前記変位計、前記レーザ干渉計、並びに、前記半導体レ
ーザを前記移動台上に固定し、前記被測定物および前記
基準ミラーが前記移動台の外部に固定する。このため、
変位計、レーザ干渉計、並びに、半導体レーザはその重
量が軽量かつ一定であるので、移動台の移動負荷を軽減
し、好適な追従性を実現するアクチュエータの設計が容
易となる。特に被測定物の重量が変位計およびレーザ干
渉計の重量よりも大きいときには有効である。

【００７５】請求項３記載の発明によれば、少なくとも
変位計の検出方向と平行な軸方向に 対応するレーザ干渉
測長器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される
各測長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、
前記基準ミラーおよび前記レーザ干渉計を配設する。こ
のため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつ
つ変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応
する軸方向の移動量を測定することができるので、被測
定物の形状を高精度に測定することができる。また、Ｘ
ＹステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を
極めて高精度にする必要がないので、測定装置のコスト
を低減することができる。また、前記移動台が、前記各
軸方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、該第１
移動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのうち何れ
か一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくとも前記
変位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動する第２
移動台と、からなり、前記移動手段が、第２移動台が移
動可能な軸方向に対し、第１移動台を前記変位計の検出
信号の低周波帯域の変動に追従するように移動させ、第
２移動台を前記変位計の検出信号の高周波数帯域の変動
に追従するように移動させるように構成する。このた
め、移動手段により第１移動台を低周波数帯域の変動、
すなわち測定点が被測定物の形状に概ね追従するように
移動させるとともに、第２移動台を高周波数帯域の変
動、すなわち第１移動台の振動や被測定物の表面粗さに
追従するよう移動させ、制御帯域を分担させて測定点を
移動することができる。したがって、測定を高速化する
ことができる。また、レーザ光源から射出されたレーザ
光を光ファイバによってそれぞれ移動台の各軸方向に対
応するレーザ干渉計に導光するので、レーザ光源発生装
置等を移動台若しくはその周辺から離隔して自由な位置
に設置することができる。また、光ファイバの射出部は
移動台上にも設置することができる。したがって、レー
ザ供給系のレイアウトの自由度を向上することができる
とともに、装置をコンパクト化することができる。ま
た、前記変位計、並びに、前記第２移動台の移動可能な
軸方向に対応する前記レーザ干渉計および前記光ファイ
バの出射部を前記第２移動台に固定し、前記第２移動台
の移動可能な軸方向以外の軸方向に対応する前記レーザ
干渉計および前記光ファイバの出射部を前記第１移動台
に固定し、前記被測定物および前記基準ミラーを前記移
動台の外部に固定する。第２移動台には、各軸方向に対
応する全てのレーザ干渉計を固定するのが理想である
が、第２移動台の移動負荷が大 きくなり、第２移動台の
好適な追従性が得られない場合がある。このため、第２
移動台に固定されるレーザ干渉計を少なくし、第２移動
台の移動負荷を小さくすることで、第２移動台の移動を
より高速化することができる。このとき、残りのレーザ
光源およびレーザ干渉計が第１移動台上にあっても、ア
ッベ誤差を発生することなく十分な追従性を得ることが
できる。

【００７６】請求項４記載の発明によれば、少なくとも
変位計の検出方向と平行な軸方向に対応するレーザ干渉
測長器の基準ミラーとレーザ干渉計との間に形成される
各測長光路の中心軸が、被測定物の測定点を通るよう、
前記基準ミラーおよび前記レーザ干渉計を配設する。こ
のため、レーザ干渉測長器によりアッベ誤差を排除しつ
つ変位計の移動台の少なくとも変位計の検出方向に対応
する軸方向の移動量を測定することができるので、被測
定物の形状を高精度に測定することができる。また、Ｘ
ＹステージあるいはＸＹＺステージやガイド等の部材を
極めて高精度にする必要がないので、測定装置のコスト
を低減することができる。また、前記移動台が、前記各
軸方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、該第１
移動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのうち何れ
か一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくとも前記
変位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動する第２
移動台と、からなり、前記移動手段が、第２移動台が移
動可能な軸方向に対し、第１移動台を前記変位計の検出
信号の低周波帯域の変動に追従するように移動させ、第
２移動台を前記変位計の検出信号の高周波数帯域の変動
に追従するように移動させるように構成する。このた
め、移動手段により第１移動台を低周波数帯域の変動、
すなわち測定点が被測定物の形状に概ね追従するように
移動させるとともに、第２移動台を高周波数帯域の変
動、すなわち第１移動台の振動や被測定物の表面粗さに
追従するよう移動させ、制御帯域を分担させて測定点を
移動することができる。したがって、測定を高速化する
ことができる。また、前記レーザ供給系が、複数の半導
体レーザからなるので、Ｈｅ−Ｎｅレーザに代表される
ガスレーザを用いる場合に比べ、装置全体を著しく小型
化することができる。また、半導体レーザは移動台上に
も設置することもできるので、レーザ供給系のレイアウ
トの自由度を向上することができる。また、前記変位
計、並びに、前記第２移 動台の移動可能な軸方向に対応
する前記レーザ干渉計および前記半導体レーザを前記第
２移動台に固定し、前記第２移動台の移動可能な軸方向
以外の軸方向に対応する前記レーザ干渉計および前記半
導体レーザを前記第１移動台に固定し、前記被測定物お
よび前記基準ミラーを前記移動台の外部に固定する。第
２移動台には、各軸方向に対応する全てのレーザ干渉計
を固定するのが理想であるが、第２移動台の移動負荷が
大きくなり、第２移動台の好適な追従性が得られない場
合がある。このため、第２移動台に固定されるレーザ干
渉計を少なくし、第２移動台の移動負荷を小さくするこ
とで、第２移動台の移動をより高速化することができ
る。このとき、残りのレーザ光源およびレーザ干渉計が
第１移動台上にあっても、アッベ誤差を発生することな
く十分な追従性を得ることができる。

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【００８０】

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態の形状測定装置
を示すであり、図１（ａ）はその要部平面図、図１
（ｂ）はその要部正面図である。

【図２】図１に示されたレーザ干渉器２３の要部を示す
拡大図であり、図２（ａ）はその測長光路を示す図、図
２（ｂ）はその参照光路を示す図である。

【図３】図１に示す形状測定装置とは異なる形状測定装
置を示すであり、図３（ａ）はその要部平面図、図３
（ｂ）はその要部正面図である。

【図４】本発明に係る第２の実施の形態の形状測定装置
を示すであり、図４（ａ）はその要部平面図、図４
（ｂ）はその要部正面図である。

【図５】本発明に係る形状測定装置により実測される非
直交座標系Ｘ´Ｙ´Ｚ´と理想的な直交座標ＸＹＺ系と
の関係を示す図である。

【図６】本発明に係る形状測定装置により実測される非
直交座標系Ｘ´Ｙ´Ｚ´と理想的な直交座標ＸＹＺ系と
の誤差を測定する一方法を示す図である。

【図７】従来の形状測定装置の一例を示すであり、図５
（ａ）はその要部平面図、図５（ｂ）はその要部正面図
である。

【図８】図５に示された形状測定装置の測定動作を示す
図である。

【図９】従来の形状測定装置の一例を示す図であり、図
７（ａ）はその要部平面図、図７（ｂ）はその要部正面
図である。

【符号の説明】

１ 変位計 ２ 被測定物 ３、４、５、６ セット台 １０ ＸＹステージ（移動台、第１移動台） １１ Ｘステージ １２ Ｙステージ １３、１４ アクチュエータ（移動手段） １５、１６ コントローラドライバ １７、１８ リニアエンコーダ １９ パーソナルコンピュータ（変換手段） ２０、３１、３２ 基準平面ミラー（基準ミラー） ２０ａ、３１ａ、３２ａ 反射面 ２１ レーザ光源（レーザ供給系） ２２ プリズム（レーザ供給系） ２３、２４ レーザ干渉計 ２３ａ、２４ａ ビームスプリッタ ２３ｂ、２４ｂ コーナーキューブプリズム ２３ｃ、２４ｃ 平面ミラー ２５、２６ レシーバ ３３、３４ 光ファイバケーブル（レーザ供給系） ３３ａ、３４ａ 光ファイバケーブルの射出部 ４０ Ｙステージ（第２移動台） ４１、４２ 半導体レーザ（レーザ供給系）

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面の測定点を検出する変位計
   と、 変位計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、該変
   位計の検出方向に平行な軸を含む互いに略直交したＸ
   軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なくとも２つの軸方向にそれぞ
   れ独立に移動する移動台と、 変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
   の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
   方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、 測長基準となる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラ
   ーの反射面との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ
   干渉計と、該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ
   供給系と、を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器
   と、を備え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて
   被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、 前記レーザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測
   定物の測定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉
   計を配設し、 前記レーザ供給系が、レーザ光源から射出されたレーザ
   光を前記レーザ干渉計に導光する光ファイバを有し、 前記変位計、前記レーザ干渉計、並びに、前記光ファイ
   バの射出部が前記移動台に固定され、 前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部
   に固定された ことを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】被測定物の表面の測定点を検出する変位計
   と、 変位計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、該変
   位計の検出方向に平行な軸を含む互いに略直交したＸ
   軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なくとも２つの軸方向にそれぞ
   れ独立に移動する移動台と、 変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
   の表面に沿って測定点 を移動するよう前記移動台を各軸
   方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、 測長基準となる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラ
   ーの反射面との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ
   干渉計と、該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ
   供給系と、を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器
   と、を備え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて
   被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、 前記レーザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測
   定物の測定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉
   計を配設し、 前記レーザ供給系が、半導体レーザからなり、 前記変位計、前記レーザ干渉計、並びに、前記半導体レ
   ーザが前記移動台に固定され、 前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部
   に固定されたことを特徴とする形状測定装置。
3. 【請求項３】被測定物の表面の測定点を検出する変位計
   と、 変位計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、該変
   位計の検出方向に平行な軸を含む互いに略直交したＸ
   軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なくとも２つの軸方向にそれぞ
   れ独立に移動する移動台と、 変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
   の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
   方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、 測長基準となる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラ
   ーの反射面との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ
   干渉計と、該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ
   供給系と、を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器
   と、を備え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて
   被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、 前記レーザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測
   定物の測定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉
   計を配設し、 前記移動台が、 前記各軸方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、 該第１移動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのう
   ち何れか一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくと
   も前記変位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動す
   る第２移動台と、からなり、 前記移動手段が、第２移動台が移動可能な軸方向に対
   し、第１移動台を前記変位計の検出信号の低周波数帯域
   の変動に追従するように移動させ、第２移動台を前記変
   位計の検出信号の高周波数帯域の変動に追従するように
   移動させるようにし、 前記レーザ供給系が、レーザ光源から射出されたレーザ
   光を前記レーザ干渉計に導光する光ファイバを有し、 前記変位計、並びに、前記第２移動台の前記変位計の検
   出方向と平行な軸方向に対応する前記レーザ干渉計およ
   び前記光ファイバの射出部が、前記第２移動台に固定さ
   れ、 前記変位計の検出方向と平行な軸方向に対応する軸方向
   以外の軸方向に対応する前記前記レーザ干渉計および光
   ファイバの射出部が、前記第１移動台に固定され、 前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部
   に固定されたことを特徴とする形状測定装置。
4. 【請求項４】被測定物の表面の測定点を検出する変位計
   と、 変位計と被測定物とのうち何れか一方を固定して、該変
   位計の検出方向に平行な軸を含む互いに略直交したＸ
   軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち少なくとも２つの軸方向にそれぞ
   れ独立に移動する移動台と、 変位計が測定点の検出信号を略一定に保ちつつ被測定物
   の表面に沿って測定点を移動するよう前記移動台を各軸
   方向にそれぞれ独立に移動する移動手段と、 測長基準となる反射面を含む基準ミラーと、該基準ミラ
   ーの反射面との間にそれぞれ測長光路を形成するレーザ
   干渉計と、該レーザ干渉計にレーザ光を供給するレーザ
   供給系と、を有する少なくとも１つのレーザ干渉測長器
   と、を備え、該レーザ干渉測長器の測長結果に基づいて
   被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、 前記レーザ干渉測長器の測長光路の中心軸が、前記被測
   定物の測定点を通るよう、基準ミラーおよびレーザ干渉
   計を配設し、 前記移動台が、 前記各軸方向にそれぞれ独立に移動する第１移動台と、 該第１移動台に搭載され、前記変位計と被測定物とのう
   ち何れか一方を固定して、前記各軸方向のうち少なくと
   も前記変位計の検出方向と平行な軸方向に独立に移動す
   る第２移動台と、からなり、 前記移動手段が、第２移動台が移動可能な軸方向に対
   し、第１移動台を前記変位計の検出信号の低周波数帯域
   の変動に追従するように移動させ、第２移動台を前記変
   位計の検出信号の高周波数帯域の変動に追従するように
   移動させるようにし、 前記レーザ供給系が、半導体レーザからなり、 前記変位計、並びに、前記第２移動台の前記変位計の検
   出方向と平行な軸方向に対応する前記レーザ干渉計およ
   び前記半導体レーザが、前記第２移動台に固定され、 前記変位計の検出方向と平行な軸方向に対応する軸方向
   以外の軸方向に対応する前記前記レーザ干渉計および半
   導体レーザが、前記第１移動台に固定され、 前記被測定物および前記基準ミラーが前記移動台の外部
   に固定されたことを特徴とする形状測定装置。