JPH0447222A

JPH0447222A - 高精度位置比較装置

Info

Publication number: JPH0447222A
Application number: JP2154659A
Authority: JP
Inventors: Hajime Morokuma; 肇諸隈
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1992-02-17
Also published as: US5142146A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、モアレ縞グレーティング、レーザスケール、
目盛尺等を用いて物体の寸法形状の測定や二つの物体の
位置比較等を高精度で行なうための高精度位置比較装置
に関する。

〔従来の技術〕

従来よりモアレ縞グレーティング、レーザスケール、目
盛尺等を標準尺として物体の寸法を高精度で測定する装
置や二つの物体の位置合わせを精度良く行なう装置が知
られている。

これらの装置は、例えば第１６図に示した如く、ベース
１と、ベース１に固定された標準尺２と、ベース１の表
面から突出せしめられた固定台３と、ベースｌの表面上
を摺動可能な可動台４とから成り、被測定物体５の長さ
を測る場合は、被測定物体５を固定台３と可動台４との
間に挾んで可動台４の位置を標準尺２で読むようになっ
ていた。ところが、第１７図に示した如く測定軸が傾く
と標準尺２の読みに誤差か生してしまうので、これを防
ぐために所謂アツベの原理を適用して、第１８図に示し
た如く被測定物体５の測定軸と標準尺２とを一直線上に
位置せしめることにより傾きによる誤差が最小となるよ
うにすることが行なわれている。しかし、その場合、測
定器全体の長さが少なくとも測定対象物体５の２倍以上
必要ということになり、測定器が非常に大型化するとい
う問題があった。

これに対し、被測定物体の測定軸と標準尺とを異なる平
面上に置いてもアツベの誤差が生じないようにしたもの
も提案されてい−る。これは、所謂エラペンシュタイン
の原理を適用したもので、例えば第１９図に示した如く
固定台３に対して動かないようにベース１に固定された
プリズム６及びレンズ７と、可動台４と一体に設けられ
たレンズ８及び９とを備えており、固定台３に設けられ
た指標１０の像１０’をプリズム６、レンズ８．プリズ
ム９を介して標準尺２上に投影することにより可動台４
の位置を読み取るようになっている。

そして、測定軸と標準尺２との距離ｆをレンズ８の焦点
距離と等しくしておくと、例えば第２０図に示した如く
可動台４が角度φ傾いたとするとほぼｆφに等しい誤差
が生しるが、可動台４と一緒にレンズ８．プリズム９が
移動し傾いて指標１０から発する主光線自身も角度φ傾
斜するので標準尺２上で誤差を消殺する方向にｆφだけ
ずれた位置に投影され、その結果指標１０の像１０’が
常に標準尺２上の正しい位置に投影されるようになり、
誤差が生じないというものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記従来の装置は、何れも一次元方向しか測
定できず、２次元物体を２次元方向に測定する場合には
物体を置き直して２回測定しなければならず、甚だ面倒
であるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、被測定物体を置き直すこ
となく２次元的に測定２位置比較等を行ない得るように
した高精度位置比較装置を提供することを目的としてい
る。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明による高
精度位置比較装置は、被測定物体の寸法を測定するためにベースに固定された
２次元に広がる測長用グレーティングと、前記ベースに
固定された反射手段と、格子方向が前記測長用グレーテ
ィングと同じインデックスグレーティングと、前記両グ
レーティングの一方の像を前記反射手段に向けて一旦無
限遠に投影する投影手段と前記反射手段で反射された無
限遠投影像を前記両グレーティングの他方に結像せしめ
る結像手段とから成るグレーティング重ね合わせ用光学
系と、該グレーティング重ね合わせ用光学系により生じ
た干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、被測定物体にお
ける測定点位置検出手段とを備え、前記グレーティング
重ね合わせ用光学系と前記干渉縞検出手段と前記測定点
位置検出手段とを可動体に固定して成ることにより被測
定物体を置き直すことなく２次元的に測定７位置比較等
を行ない得るようにしたものである。

又、本発明装置は、上記構成に加えて、被測定物体にお
ける測定点位置からグレーティングが重ね合わせられる
位置までの距離を前記投影手段の焦点距離と等しくして
、エラペンシュタインの原理と同様な原理により誤差が
生じないようにしたものである。

又、本発明装置は、上記構成に加えて、前記反射手段が
前記測長用グレーティングに直交するように配置されて
いても良いし、又前記測長用グレーティングが前記反射
手段を兼ねていても良い。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明の詳細な説明する
。

第１図は本発明による高精度位置比較装置の第１実施例
の縦断面図即ちＹ軸方向に対して垂直な断面図、第２図
はその要部平面図である。

図中、１１は試料載置部１１ａを有するベース、１２Ｘ
、１２Ｙは物体載置部１１ａと基本的には平行にベース
１１に固定されたモアレ縞グレーティング、１３Ｘ、１
３Ｙはモアレ縞グレーティング１２Ｘ、１２Ｙと直交す
るようにしてベース１１に固定されたＹ軸方向、Ｘ軸方
向に夫々長い平面鏡であって、物体載置部１１ａ上に被
測定物体１４が載置されるようになっている。

１５は物体載置部１１ａ、モアレ縞グレーティング１２
Ｘ、１２Ｙに対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能な
可動体である。１６は照明光源、１７は半透鏡であって
、これらがモアレ縞グレーティング１２Ｘを照明する照
明系を構成している。

１８はその焦点位置がモアレ縞グレーティング１２Ｘと
一致するように配置されていてモアレ縞グレーティング
１２Ｘの像を無限遠に投影するレンズ、１９はレンズ１
８からの光を平面鏡１３Ｘの方に向けると共に平面鏡１
３Ｘからの反射光をレンズ１８に戻す平面鏡、２０はレ
ンズ１８によりモアレ縞グレーティング１２Ｘ上に結像
せしめられたグレーティング像とグレーティングとの重
なって生じた干渉状態を検出する検出器であって、レン
ズ１８と平面鏡１９が投影手段と結像手段を兼ねたグレ
ーティング重ね合わせ用光学系２１Ｘを構成している。

そして、これと同じグレーティング重ね合わせ用光学系
２１Ｙと照明系及び検出器２０がモアレ縞グレーティン
グ１２Ｙに対しても設けられている（第２図参照）。２
２は被測定物体１４上の点を検出する顕微鏡（測定点位
置検出手段）である。そして、以上の部材は可動体１５
に固定されている。

次に本実施例の作用について説明する。

例えば、被測定物体１４の左端から点ＰまでのＸ軸方向
の距離を測るものとする。

モアレ縞グレーティング１２Ｘが照明光源１６により照
明される結果、グレーティング１２Ｘの像がレンズ１８
．平面鏡１９．平面鏡１３Ｘ、平面鏡１９．レンズ１８
の経路でグレーティング１２Ｘ自身の上に投影される。

この時、グレーティング１２Ｘの像がグレーティング１
２の面内で元のグレーティング１２Ｘに対して僅かに傾
くように上記光学素子を配置すれば、グレーティング１
２Ｘとその像が干渉してモアレ縞が出、これが検出器２
０で検出される。

ここで、可動体１５をＸ軸方向に動かすと、グレーティ
ング１２Ｘとその像が相対的に移動し、その結果モアレ
縞も動くので、このモアレ縞の数を検出器２０で検出し
計数すれば、その計数値から可動体５の移動距離１位置
がわかる。

そこで、まず被測定物体１４の左端を顕微Ｒ２２で見て
例えば顕微鏡視野内に設けた目盛と該左端とを合わせる
。この状態からスタートしてモアレ縞の数を数えはじめ
、点Ｐが視野内の同じ目盛に来たらモアレ縞の計数をや
める。

かくして、計数されたモアレ縞の数から被測定物体１４
の左端から点Ｐまでの距離がわかるが、その距離がモア
レ縞の縞と縞との間の長さは丁度整数倍とは限らないの
で、単にモアレ縞の数を計数するだけでは精度は良くな
いが、縞と縞との間の中途半端な長さを比す方法は干渉
縞計数法で知られており、それを使えば良いので、詳し
く述べない。

尚、Ｙ軸方向の距離の測定も上記と同様にして行われる
。

ところで、この例では測定軸（被測定物体１４の表面１
４ａと一致する。）とモアレ縞グレーティング１２Ｘと
が相当離れているので、可動体１５が傾くと誤差がでる
が、これは被測定物体における測定定位置からグレーテ
ィングが重ね合わせられる位置までの距離をレンズ１８
の焦点距離と等しくすれば除去される。以下、これにつ
いて詳しく述べる。

いま、点Ｐを中心にして可動体１５がＹ軸のまわりに角
度ａだけ回転したとする。この時、顕微鏡２２と点Ｐは
相対的に同じ位置関係を保持しているが、第３図に示し
たように平面鏡１９が１９’の位置に動くと同時にａだ
け回転しているので、これによ方光束がレンズ１８に戻
った時読光束は時計回りに４ａだけ傾（。ここで、点Ｐ
からモアレ縞グレーティング１２Ｘに下ろした垂線の足
をＱ１点Ｐからモアレ縞グレーティング１２Ｘまでの距
離をし、レンズ１８の焦点距離をｆとすると、レンズ１
Ｂはａだけ傾き横方向に（Ｌ＋ｆ）ａだけ動いて１８′
の位置に来ているので、Ｑ点を通る主光線の傾きは（１
＋Ｌ／ｆ）ａで平面鏡１３Ｘから反射して戻った時には
−（１＋Ｌ／ｆ）ａとなる。即ち、光束は全体として２
（１＋Ｌ／ｆ）ａだけ時計回りに傾く。従って、４ａ＝
２　（１＋Ｌ／ｆ）ａの時即ちＬ＝ｆの時Ｑ点から出た
光束はＱ点に戻る即ちグレーティングの像は可動体１５
が回転する以前と同じ関係でモアレ縞グレーティング１
２Ｘの上に結像されるので、検出されるモアレ縞の数の
変化は無い。このように、被測定面１４ａをモアレ縞グ
レーティング１２Ｘに対してレンズ１８の焦点距離に等
しい距離だけ離して置くことにより、アツベの誤差を除
去することができる。尚、可動体１５がＸ軸のまわりに
回転した時にはグレーティングの像の移動は角度ａの２
乗以上の傾きだけが効くので殆と誤差にならない。

尚、Ｙ軸方向の測定の際の誤差も上記と同様の原理によ
り除去される。

かくして、本実施例によれば、被測定物体１４を置き直
すことなく２次元的に測定１位置比較等を行なうことが
できる。

第４図は第２実施例の要部平面図である。これは二つの
モアレ縞グレーティング１２Ｘ、１２Ｙをアツベの条件
を満たすように配置したものであって、グレーティング
１２Ｘ、１２Ｙ、被測定物体１４が一体に固定されてい
ると共に、グレーティング重ね合わせ用光学系２１Ｘ、
２１Ｙ、顕微＠２２が一体となってＸ軸方向、Ｙ軸方向
に移動可能となっている。

第５図は第３実施例の要部平面図である。これは２次元
格子から成るモアレ縞グレーティング１２を用いたもの
であって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のグレーティング重ね
合わせ用光学系２１Ｘ及び２１Ｙの光軸の交点を顕微鏡
２２の光軸が通るように構成されている。この場合は測
定範囲の約２倍のスペースが必要であるが、第１実施例
に比べれば小さいスペースで済むという利点がある。

第６図は第４実施例の縦断面図である。これは、モアレ
縞グレーティング１２とは別個にインデックスグレーテ
ィング２３Ｘを用い且つグレーティング重ね合わせ用光
学系の投影手段と結像手段とを別個に構成したものであ
って、インデックスグレーティング２３Ｘは投影用のレ
ンズ２４の焦点位置に配置され、モアレ縞グレーティン
グ１２は結像用のレンズ２５の焦点位置と一致し、２６
は半透鏡である。

照明光源１６からの光がインデックスグレーティング２
３Ｘを照明し、インデックスグレーティング２３Ｘから
の光はレンズ２４により無限遠投影光となって半透鏡２
６を通過した後平面鏡１３Ｘで反射され、更に半透鏡２
６で反射されてレンズ２５によりインデックスグレーテ
ィング２３Ｘの像としてモアレ縞グレーティング１２上
に結像され、モアレ縞が検出器２０で検出される。この
場合、可動体１５が多少傾いても、第７図に示した如＜
Ｌ＝３ｆの時アツベの誤差は除去される。

即ち、本実施例は、グレーティング１２から被測定物体
面１４ａまでの距離が第１実施例の３倍とれるので、装
置の構成が遥かに容易になるという利点がある。

第８図は第５実施例の縦断面図、第９図はその要部平面
図である。これは、モアレ縞グレーティング１２に平面
Ｍ１３Ｘ、１３Ｙの役割を兼ねさせると共に、照明光と
して直線偏光を用いたものであって、２７は偏光ビーム
スプリッタ、２８゜２９は１７４波長板である。尚、第
３実施例と同様に、グレーティング重ね合わせ用光学系
２１Ｘ。

２１Ｙの光軸の交点を顕微＠２２の光軸が通るように構
成されている。

図示しない照明光源からの振動方向が紙面と平行な直線
偏光がインデックスグレーティング２３Ｘを照明し、イ
ンデックスグレーティング２３Ｘからの光はレンズ２４
により無限遠投影光となって偏光ビームスプリッタ２７
を透過し１／４波長板２８で円偏光となり、平面鏡１９
で反射された後モアレ縞グレーティング１２に入射する
。続いてモアレ縞グレーティング１２で反射された光は
、平面鏡１９で反射され１／４波長板２８で振動方向が
紙面と垂直な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ２
７で反射する。その後１／４波長板２９で円偏光となり
レンズ２５によってもモアレ縞グレーティング１２上に
インデックスグレーティング２３Ｘの像として結像せし
められる。更に、モアレ縞グレーティング１２上で重ね
合わせられたグレーティングの像の光は１／４波長板２
９で再び振動方向が紙面と平行な直線偏光となり、偏光
ビームスプリッタ２７を透過し、図示しない検出器でモ
アレ縞が検出される。この場合、被測定物体面１４ａか
らモアレ縞グレーティング１２までの距離りがレンズ２
５の焦点距離ｆの２倍の時アツベの誤差が除去される。

本実施例は、顕微鏡２２．グレーティング重ね合わせ用
光学系２１Ｘ、２１Ｙをコンパクトに構成できるという
利点がある。又、可動体１５とモアレ縞グレーティング
１２及び被測定物体１４とが干渉し難いという利点があ
る。又、第３実施例（第５図）と異なり、モアレ縞グレ
ーティング１２の周囲に平面鏡１３Ｘ、１３Ｙを配置す
る必要がないので、装置全体をモアレ縞グレーティング
１２の大きさとほぼ同じにでき、るという利点もある。

第１Ｏ図は第６実施例の縦断面図、第１１図はその要部
平面図である。これは、第５実施例においてインデック
スグレーティング２３Ｘ、２３Ｙとレンズ２４Ｘ、２４
Ｙをベース１１に固定すると共に、Ｙ軸方向及びＸ軸方
向にのみ夫々移動するダハプリズム３０Ｘ及び３０Ｙを
用いて常に直線偏光がビームスプリッタ２７に入射する
ようにしたものである。

第１２図に示した如（、ダハプリズム３０Ｘは可動体１
５が移動する時Ｙ方向には可動体１５と共に動くが、Ｘ
方向には動かないようになっている。又、ダハプリズム
３０ＹはＸ方向には可動体と共に動くが、Ｙ方向には動
かないようになっている。即ち、可動体１５には案内溝
１００Ｘをもつアームｌ０ＩＸが固定されている。この
案内溝１００Ｘに滑合するピン１０２ＸはＹ方向に動き
得る可動台１０３Ｘに固定されている。この可動台１０
３Ｘにはダハプリズム３０Ｘも固定されている。可動台
１０３Ｘはガイド１０４Ｘ、１０５Ｘに沿ってＹ方向に
移動することができる。従って可動体１５がＸ方向に動
くときにはダハプリズム３０Ｘは動かず、Ｙ方向に動く
ときには可動台１０３Ｘと共にＹ方向に動く。ダハプリ
ズム３０Ｙの動きについても全く同様である。第１１図
において、ダハプリズム３０Ｘ、３０Ｙが僅かに傾きな
がら移動したとしても、ダハプリズムの性質によりＸ軸
まわりの回転とＹ軸まわりの回転に対してはここで反射
した光束の進行方向は変化しない。従って、これらの二
つの軸のまわりの回転に対しては誤差を生ずることはな
い。又、Ｚ軸まわりの回転に対しては光束の方向は変化
するが、インデックスグレーティング２３Ｘ、２３Ｙの
像がＹ方向に動くだけであるから、この場合も誤差を生
ずることはない。

本実施例の場合、被測定物体面１４ａからモアレ縞グレ
ーティング１２までの距離りがレンズ２５の焦点距離ｆ
の３倍の時アツベの誤差が除去される。即ち、第５実施
例に比べＬを大きくとれるので、第４実施例と同様に部
品配置上の自由度が大きいという特徴がある。

第１３図は第７実施例の縦断面図である。これは、平面
鏡１９の代わりにペンタプリズム３１を用いたものであ
る。この例では、実線で示した可動体１５に固定された
光学系を移動させる場合と点線で示した可動体１５に固
定された光学系を移動させる場合とがある。何れの場合
でもモアレ縞グレーティング１２に関してグレーティン
グ重ね合わせ用光学系と反対側に被測定物体面１４ａが
存在している。前者の場合には、被測定物体面１４ａか
らモアレ縞グレーティング１２までの距離りがレンズ２
５の焦点距離ｆと等しい時アツベの誤差が除去される。

後者の場合には、被測定物体面１４ａからモアレ縞グレ
ーティング１２までの距離りがレンズ２５の焦点距離の
２倍の時アツベの誤差が除去される。

第１４図はモアレ縞検出の他の例を示す。インデックス
グレーティング２３Ｘを透過した光束は０次光（−点鎖
線）と１次光（実線）にわかれるが、レンズ２４によっ
て各々光軸に平行な光路を進み偏光ビームスプリッタ２
７．１／４波長板２８を透過して平面鏡１９で反射し、
モアレ縞グレーティング１２に到達する。二つの光束は
ここで反射して逆方向に進み、１／４波長板２８を透過
した後偏光ビームスプリッタ２７で反射し、１−／４波
長板２９を透過した後レンズ２５によりモアレ縞グレー
ティング１２の上に投影される。ここで入射じた０次光
は垂直に反射する成分と１次の回折成分とに分かれる。

同じく１次光も正反射する成分と回折する成分とに分か
れる。ここで０次光が回折した成分（０１（−点鎖線）
）と１次光が正反射した成分（ＩＯ（実線））とに注目
する。

これら二つの成分（０１，１０）はモアレ縞グレーティ
ング１２で反射したあとは同一の光路を通るのでお互い
に干渉する。その結果、モアレ縞グレーティング１２が
右又は左に動いたときグレーティングの格子間隔を周期
として変化するモアレ縞が得られる。このモアレ縞を計
数することによりグレーティングの移動量を求めること
ができる。

本発明には公知の他のモアレ縞検出の方法も適用できる
ことは言うまでもない。更に、所謂レーザスケールにつ
いてもインデックスグレーティング２３Ｘ、２３Ｙの部
分が光束分割の光学系になっているだけで、本質的にモ
アレ縞検出の場合と変わりない。

以上の説明に於いては、モアレ縞グレーティングにイン
デックスグレーティングの像を投影した例のみを示した
が、光束が逆行しても本発明の効果を得ることができる
。第１５図は第４実施例（第６図）から導きだしたこの
ような場合の変形例の縦断面図である。同図において光
源Ｉ６と検出器２０を互いに置換した点が第６図と異な
る。

光源１６からの光束がモアレ縞グレーティング１２を照
明する。モアレ縞グレーティング１２からの光束は、レ
ンズ２５を通った後、半透鏡２６゜平面鏡１３Ｘで夫々
反射して半透鏡２６を透過する。そして、レンズ２４で
モアレ縞グレーティング１２の像をインデックスグレー
ティング２３Ｘの上に投影する。この結果生じたモアレ
縞を検出器２０で検出する。本実施例は、光線が逆行す
るだけであるから第６図の場合と同様にＬ＝ｆのときア
ツベの誤差を除去することができる。他の実施例につい
ても同様の関係が成り立つ。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による高精度位置比較装置は、被測
定物体を置き直すことなく二次元的に測定９位置比較等
を行ない得るという実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高精度位置比較装置の第１実施例
の縦断面図、第２図は第１実施例の要部平面図、第３図
は第１実施例における誤差除去原理を示す図、第４図は
第２実施例の要部平面図、第５図は第３実施例の要部平
面図、第６図は第４実施例の縦断面図、第７図は第４実
施例における誤差除去原理を示す図、第８図は第５実施
例の縦断面図、第９図は第５実施例の要部平面図、第１
０図は第６実施例の縦断面図、第１１図は第６実施例の
要部平面図、第１２図は第６実施例のダハプリズム案内
機構の平面図、第１３図は第７実施例の縦断面図、第１
４図はモアレ縞検出の他の例を示す図、第１５図は第４
実施例の変形例の縦断面図、第１６図は一従来例の概略
縦断面図、第１７図及び第１８図は夫々上記従来例にお
ける誤差発生原理及びアツベの原理の適用を示す図、第
１９図は他の従来例の概略縦断面図、第２０図は上記能
の従来例におけるエラペンシュタインの原理の適用を示
す図である。１１−・・・ベース、１２，１２Ｘ、１２Ｙ・・・・モ
アレ縞グレーティング、１３Ｘ、１３Ｙ、１９・・・・
平面鏡、１４・・・・被測定物体、１５・・・・可動体
、１６・・・・照明光源、１７．２６・・・・半透鏡、
１８゜２４．２５・・・・レンズ、２０・・・・検出器
、２１Ｘ。２１Ｙ・・・・グレーティング重ね合わせ用光学系、２
２・・・・顕微鏡、２３Ｘ、２３Ｙ・・・・インデック
スグレーテインク、２７・・・・偏光ビームスプリッタ
、２８．２９−−−−１／４波長板、３０Ｘ、３０Ｙ・
・・・ダハプリズム、３１・・・・ペンタプリズム。１−１３図第１４図第１６図矛１７図矛１８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定物体の寸法を測定するためにベースに固定
された２次元に広がる測長用グレーティングと、前記ベ
ースに固定された反射手段と、格子方向が前記測長用グ
レーティングと同じインデックスグレーティングと、前
記両グレーティングの一方の像を前記反射手段に向けて
一旦無限遠に投影する投影手段と前記反射手段で反射さ
れた無限遠投影像を前記両グレーティングの他方に結像
せしめる結像手段とから成るグレーティング重ね合わせ
用光学系と、該グレーティング重ね合わせ用光学系によ
り生じた干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、被測定物
体における測定点位置検出手段とを備え、前記グレーテ
ィング重ね合わせ用光学系と前記干渉縞検出手段と前記
測定点位置検出手段とを可動体に固定して成る高精度位
置比較装置。
（２）被測定物体における測定点位置からグレーティン
グが重ね合わせられる位置までの距離が前記投影手段の
焦点距離と等しいことを特徴とする請求項（１）に記載
の高精度位置比較装置。
（３）前記反射手段が前記測長用グレーティングに直交
するように配置されていることを特徴とする請求項（１
）又は（２）に記載の高精度位置比較装置。
（４）前記測長用グレーティングが前記反射手段を兼ね
ていることを特徴とする請求項（１）又は（２）に記載
の高精度位置比較装置。