JPH0452402B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工作物または被検体の空間的寸法を高
度に精密に測定しうる３次元的干渉計式長さ測定
装置に関する。

とくに極めて短い波長の放射線のための決像
系、たとえばＸ線天文学用レフレクタを製造する
場合、常用の多座標系測定器より約２けた高い精
度の空間的測定を可能にする測定器が必要にな
る。この目的に使用しうる測定装置は一般に10n
ｍの所要分解能を達成するために、干渉計式長さ
測定系を備えなければならない。

３座標で測定する常用の干渉形式測定装置は、
測定系を装置のガイドに設定した多座標系測定器
により公知の構造を有する。このような測定装置
はドイツ連邦共和国特許第2809954号明細書に記
載されている。この場合測定ヘツドに対し相対的
に３つの空間方向に動く工作物テーブルの位置
は、装置の可動部分のガイドに沿つて多数回反射
した１つのレーザ光線により測定される。この装
置の場合、３つのすべての測定軸に対してコンパ
レータ原理の著しい支障が生ずる。すなわち測定
装置のガイド内の誤差により、原理的に達成しう
る干渉計式測定精度が制限される。たとえばドイ
ツ連邦共和国特許第2159134号、第2164898号及
び、ドイツ連邦共和国特許出願公開第2441984号
明細書から、２座標方向の干渉計式測定系を有す
るコンパレータが公知である。しかしこれらの文
献には、付加的第３座標方向のための干渉計式系
の配置は示唆されていない。

本発明の目的は、ガイド誤差の影響および不安
定性とできるだけ無関係な高い測定精度を３軸に
達成しうるように、首記の測定装置を形成するこ
とである。

本発明は、測定系を支持するケーシングに対し
相対的に動きうる工作物支持器を有する３次元的
干渉計式長さ測定装置に関し、工作物支持器に互
いに垂直に配置された３つのミラーの形の剛性空
間直交ミラー系が固定され、これらのミラーの２
つが１つの座標内の測定範囲にわたつて拡がり、
もう１つのミラーが２つの座標方向（ｘ，ｙの測
定範囲にわたつて拡がり、工作物支持器およびケ
ーシングが互いに相対的に２つの座標（ｘ，ｙ）
によつて決定される平面内で摺動可能であり、ケ
ーシングが第３の座標方向（ｚ）に摺動可能のフ
イーラを支持し、このフイーラに少なくとももう
１つのミラーが固定され、このミラーによりフイ
ーラの位置と空間直交ミラー系のミラー面の間の
距離の干渉計式差測定が可能であることを特徴と
する。

本発明による干渉計式測定装置の形成によつ
て、非常に安定でコンパクトな全構造を３つのす
べての座標でコンパレータ原理をぼぼ維持しなが
ら達成できるので、ガイド誤差は達成しうる測定
精度にほとんど影響がない。

空間直交ミラー系のミラーは有利に熱膨張の小
さい同じ材料から製造され、測定精度への熱影響
は最小にされる。ミラーは安定性の理由から有利
に互いに結合され、トリプルミラー方式の測定空
間を形成し、その際ミラーの１つは工作物支持器
の底面によつて形成することができる。

フイーラが測定装置に固く固定された場合、測
定速度が制限される。というのは探触過程の間、
比較的質量の大きい可動部分を、被検体または測
定物体との衝突を避けるように、正確に制御しな
ければならないからである。

測定器に探触過程で変位する弾性的に支持され
たフイーラピンを備えることは公知であり、かつ
この変位を検出する装置を有し、この検出装置を
介して装置の測定系によつて求めた座標測定値が
補正される。しかしこの公知フイーラは誘導測定
系のような測定値発信器を備え、これは達成しう
る測定精度が干渉計式測定系にははるかにおよば
ない。

それゆえ長さ測定装置にできるだけ質量の小さ
いフイーラピンホルダを備え、これを測定装置の
干渉計式系へ包含するのが有利である。

本発明のもう１つの構成によれば、長さ測定装
置ないしは支持部材に２つの部分光線からなる干
渉計式直交測定光線を発する少なくとも１つの測
定系が配置され、支持部材は第３の座標（ｚ）方
向に摺動可能のフイーラピンホルダを備え、フイ
ーラピンホルダに部分光線のそれぞれ１つがその
方向を反転するように配置されたミラー系によ
り、探査方向に対し直交方向に誤差として出現す
る運動の干渉計式測定が可能である。

この手段の利点は低い費用で高精度を達成しう
ることであり、これはフイーラピンホルダの信号
が測定物体と結合した参照ミラーに対し直接決定
されることにより達成される。フイーラピンホル
ダの位置の測定には付加的干渉計を必要とせず、
たとえばドイツ連邦共和国特許第2348272号明細
書に記載される公知の２光線平面ミラー干渉計の
２つの部分光線の１つはフイーラに固定した反射
プリズムを介して導くことができ、他の部分光線
は測定装置によつて直接参照ミラーへ向けられ
る。したがつて測定装置の測定物体に対する相対
運動およびフイーラの測定装置に対する相対運動
は同時に一致した値および方向をもつてただ１つ
の干渉計式系によつてオプトエレクトロニツク信
号形成前にいつしよに検出される。

フイーラピンホルダは光学部分に反射プリズム
または他の適当なミラー系のみを支持すればよい
ので、被検体の輪郭に追随するこの部分の質量
は、探触部分が干渉計ヘツドの完全な光学系を支
持しなければならない常用の測定系に比して、非
常に小さい。

フイーラに固定されるミラー系は、有利に調節
を要しないいわゆるトリプルプリズムである。

フイーラピンホルダの３つのすべての空間方向
の運動を検出するため、フイーラピンホルダにカ
ルテシアン座標系により導かれる３つの測定光線
のレフレクタとして役立つ３つの別個のミラー系
を配置するのが有利である。これは、フイーラピ
ンホルダが３つのすべての空間方向に摺動可能に
支持されていない場合にも有利である。それはフ
イーラピンホルダの案内誤差によつて生ずる変位
も測定できるからである。

一般にフイーラは、測定すべき物体に機械的に
接触するボールを支持する。フイーラピンをその
ホルダに交換可能に支持するのが有利であり、そ
れによつてフイーラピンホルダにボールの代りに
被検体の測定に有利と考えられる無接触のたとえ
ば光学的探査装置、試験もしくは調節装置または
たとえば顕微鏡を固定することもできる。

次に本発明を実施例の図面により説明する。第
１および第２図に示す測定装置はたとえば花崗岩
からなるベース２１を有し、その上に空気ベアリ
ングを介して２方向に案内されるテーブル２２が
支持される。テーブルのガイドは図示されていな
い。同様に空気ベアリングを介してベース２１へ
測定装置を支持するケーシング２９が、固定位置
に支持される。

第２図に示すように、ケーシング２９は２面に
切欠きを有する直方体の形を示す。ケーシング２
９のアーム３６と４０の間をケーブルが摺動す
る。

テーブル２２のミラー化した下面２６（第１
図）およびその上に支持されるミラー２４および
２５は３つの干渉計ヘツド３３，３４および３７
によつて測定される強固な３次元基準体
（Raumnormal）を形成する。干渉計ヘツドに、
ケーシング２９内のレーザ装置３０から光線が送
られる。ケーシング２９ならびにミラー２４およ
び２５を有するテーブル２２は、熱膨張の小さい
同じ材料、たとえばツエロドウール（Zerodur）
またはインバールからなる。

干渉計３３および３７の測定方向と垂直にその
交点を通る軸ｚに、フイーラ２７がケーシング２
９内で可動に支持される。フイーラの接触ボール
３９と反対の端部３８はミラー化され、第４の干
渉ヘツド３５によつて測定される。

測定系３４および３５はしたがつて差測定を行
い、それによつてケーブル２２またはケーシング
２９の高さのずれに基づく測定誤差が除去され
る。

水平測定軸は被検体２３（凹面ミラー）の表面
とほぼ一致するので、この装置の場合コンパレー
タ原理は３つのすべての方向で非常に良好な近似
において充足される。しかしフイーラ２７はケー
シング２９と固定的に結合していないので、フイ
ーラ２７はそのベアリング２８内で傾斜する場合
があり、それが水平面（ｘ，ｙ）内の測定精度に
影響する。この傾斜を検出するため、第３図によ
る改善された実施例のフイーラ２７はミラー化さ
れたシヤフトを有し、このシヤフトが摺動方向ｚ
と垂直の２つの軸ｘ，ｙ内でそれぞれ１つの干渉
計式系によつて測定される。２つの干渉計式系の
１つのみが第３図に示される。この系は主として
干渉計ヘツド４１，４２およびベアリング２８の
２つの面から突出するフイーラシヤフト２７のミ
ラー面によつて形成される。

傾斜を指示するこの２つの干渉計の差信号はベ
アリング２８に設置したピエゾ駆動装置による傾
斜除去またはｙ方向測定結果のコンピユータ補正
に使用することができる。

さらに測定結果からコンピユータによりミラー
２４〜２６の平面性偏差およびこれらミラー相互
の直角配置の偏差を補正することができる。さら
にミラー２４〜２６によつて形成される測定空間
の位置による変形を１度測定し、たとえば近似関
数の形で装置の評価コンピユータに記憶させ、こ
の関数をそのつどの測定値の補正に永続的に使用
することができる。

第１〜３図に示した実施例の場合、工作物テー
ブルは２方向可動に支持される。テーブル２２を
固定的に、ケーシング２９を可動に配置するか、
または両要素をそれぞれ１方向可動に支持するこ
とももちろん可能であり、それによつて測定装置
の使用性は制限されない。

第４図に示す干渉計式測定装置は図示されてい
ない被検体と結合する平面対向ミラー１０５およ
びこれに対し相対的に可動の、測定系すなわち干
渉計光学系の主体を含む部分１０１からなる。

干渉計光学系はレーザ発生装置１１０、２光線
平面ミラー干渉計１０４、オプトエレクトロニツ
ク受信器１２３および測定値表示装置１２４を有
する。

平面ミラー干渉計は第５図に示す構造を有す
る：ビームスプリツター１２６はこれに入射する
２モードレーザ１１０の互いに垂直に偏光した少
し周波数のずれた２成分かなる光線１２９を２つ
の部分光線１０７，１０８に分割し、そのうち１
つの部分光線１０８は３次元基準体の１つのミラ
ー１０５，１１５ｂの位置を、他方の部分光線１
０７はフイーラピンホルダ１０２，１１２の位置
をそれぞれ干渉計式に測定するのに役立つ。その
際ビームスプリツター１２６を透過した部分光線
はプリズム１２８で２回反射した後、受光器１２
３へ入射し、参照光線を形成する。ビームスプリ
ツター１２６で反射された部分光線１０７はλ／
４板を通過した後、その変位を測定すべき平面ミ
ラーへ当り、そこで反射され、その偏光面回転の
ため帰路でλ／４板を２回通過した後、ビームス
プリツター１２６を通る。プリズム１２７による
方向変換の後、この光線は第２測定光線１０８と
して平面ミラーへ反射され、もう１度偏光回転し
た後再びビームスプリツター１２６に達し、そこ
で参照光線と干渉する。

測定装置の部分１０１に、測定光線１０７およ
び１０８の方向に可動のフイーラ１０９のホルダ
１０２が懸吊されている。このホルダ１０２はト
リプルプリズム１０６を支持し、このプリズムは
部分１０１と結合する第２トリプルプリズム１０
３によつて反射された測定光線１０７の２回目の
方向変換を行い、この光線１０７は平面ミラー１
０５へ当り、そこで再び反射される。干渉計１０
４の第２測定光線は直接平面ミラー１０５に達す
る。

この光学構造の場合、被検体と結合する平面ミ
ラー１０５の測定ヘツド１０１に対する各変位
ΔL₁は干渉計１０４の測定光路の光路長を４×
ΔL₁変化することになる。フイーラ１０９が図示
の値ΔL₂だけ変位する場合も２つの部分光線１０
７および１０８からなる測定光路の光路長は４×
ΔL₂だけ変化する。それによつて平面ミラー１０
５、測定ヘツド１０１およびフイーラ１０９の変
位は、値および符号が一致して干渉計１０４によ
つて検出することが保証される。

第６図ないし第８図には３次元測定装置の具体
的実施例が３つの断面図で示される。この装置
は、トリプルプリズムのように互いに垂直に配置
された３つの平面ミラー１１５ａ，ｂおよびｃか
らなる空間直交ミラー系を有し、これらのミラー
は図示されていない工作物と結合している。測定
系を支持する部材１１１は３次元基準体に対し相
対的に３つの座標内で可動である。１組の板ばね
１２２ａおよび１２２ｂによりフイーラ１１９の
ホルダ１１２は部材１１１にミラー面１１５ａと
垂直の方向に可動に懸吊されている。

フイーラ１１９の運動方向の位置は干渉計１１
４ａによつて検出され、その２つの部分光線１１
７ａおよび１１８ａは直接、またはプリズム１１
３ａおよび１１６ａで２回反転した後、対向ミラ
ー１１５ａに当る。

ホルダ１１２のミラー１１５ｂと垂直の方向の
変位およびホルダ１１２のミラー１１５ｃと垂直
の軸を中心とする回転は、互いにずらして配置し
た２つの干渉計１１４ｂおよび１１４ｄによつて
検出される。したがつて、そのフイーラピン１１
９のホルダ１１２を介して導かれる部分光線１１
７ｂおよび１１７ｄはそれぞれ２つのプリズム１
１３ｂ／１１６ｂおよび１１３ｄ／１１６ｄによ
つて反転されるけれど、部分光線１１８ｂおよび
１１８ｄはミラー１１５ｂに再び直接に当る。

最後に、測定装置は第７図に示すようにさらに
２つの干渉計１１４ｃおよび１１４ｅを有し、こ
れらはフイーラのミラー面１１５ｃと垂直の方向
の変位およびホルダ１１２のミラー面１１５ｂと
垂直の軸を中心とする旋回運動を検出する。光線
を案内するプリズム１１３ｃおよびｅまたは１１
６ｃおよびｅで示される。

前記５つの干渉計によつて、被検体の測定に影
響しないホルダ１１２のフイーラピン１１９の軸
を中心とする回転は別として、空間直交ミラー系
１１５の測定装置１１１の間のすべての自由度の
運動が検出される。５つの干渉計に光線分割系１
２１によつて共通のレーザ１２０から光線が送ら
れる。さらに各干渉計１１４にオプトエレクトロ
ニツク受信装置１２５が配置され、そのうち第８
図には装置１２５ａ，ｂおよびｅのみが示され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の第１実施例の縦断面
図、第２図は第１図装置のケーシングの斜視図で
あり、第３図は第１図装置のフイーラの他の実施
例の縦断面図であり、第４図は第２実施例のフイ
ーラホルダの１座標方向の運動を示す図であり、
第５図は第４図装置の干渉計の光路図であり、第
６図は第３実施例の縦断面図であり、第７図は第
６図装置の−線断面図であり、第８図は第６
図装置の−線断面図である。 ２２……工作物支持器、２４，２５……ミラ
ー、２６……ミラー面、２７……フイーラ、２９
……ケーシング、３８……ミラー、１０２……フ
イーラホルダ、１０１；１１１……長さ測定装
置、１０２；１１２……フイーラホルダ、１０
５；１１５ａ，ｂ，ｃ……対向ミラー、１０６；
１１６……ミラー系（プリズム）、１０７，１０
８；１１７，１１８……部分光線、１０４……ミ
ラー干渉計、１０３；１１３……ミラー系、１１
４ａ〜ｅ……干渉計式測定系、１１０；１２０…
…レーザ発生器、１２１……光線分割系、１２２
ａ，ｂ……板ばね、１０９；１１９……接触器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定系を支持するケーシング２９に対し相対
   的に動きうる工作物支持器２２を有する３次元的
   干渉計式長さ測定装置において、工作物支持器２
   ２に互いに垂直に配置された３つのミラー２４，
   ２５，２６の形の剛性空間直交ミラー系が固定さ
   れ、これらのミラーの２つ２４，２５が１つの座
   標内の測定範囲にわたつて拡がり、もう１つのミ
   ラー２６が２つの座標方向（ｘ，ｙ）の測定範囲
   にわたつて拡がり、工作物支持器２２およびケー
   シング２９が互いに相対的に２つの座標（ｘ，
   ｙ）によつて決定される平面内で摺動可能であ
   り、ケーシング２９が第３の座標方向（ｚ）に摺
   動可能にフイーラ２７を支持し、このフイーラに
   少なくとももう１つのミラー３８が固定され、こ
   のミラーによりフイーラ２７の位置と空間直交ミ
   ラー系のミラー面２６の間の距離の干渉計式差測
   定が可能であることを特徴とする３次元的干渉計
   式長さ測定装置。 ２ フイーラ２７が矩形に形成したミラー化され
   たシヤフトを有し、このシヤフトが２つの離れた
   干渉計光束によつて測定される特許請求の範囲第
   １項記載の測定装置。 ３ 水平摺動可能の工作物支持器２２の底面がミ
   ラー２６として形成されている特許請求の範囲第
   １項記載の測定装置。 ４ 工作物支持器２２および空間直交ミラー２
   ４，２５，２６が熱膨張の小さい同じ材料で形成
   されている特許請求の範囲第１項から第３項まで
   のいずれか１項記載の測定装置。 ５ 支持部材に配置された、２つの部分光線１０
   ７，１０８；１１７，１１８からなる干渉計式直
   交測定光線を発する測定系１０４；１１４および
   支持部材に対して相対的に動きうる工作物支持器
   を有する３次元的干渉計式長さ測定装置におい
   て、工作物支持器に互いに垂直に配置された３つ
   のミラー１０５；１１５ａ，ｂ，ｃが剛性空間直
   交ミラー系として固定され、これらのミラーの２
   つ１１５ｂ，ｃが１つの座標内の測定範囲にわた
   つて拡がり、第３のミラー１０５，１１５ａが２
   つの座標方向（ｘ，ｙ）の測定範囲にわたつて拡
   がり、工作物支持器および支持部材１０１；１１
   １は互いに相対的に２つの座標（ｘ，ｙ）によつ
   て決定される平面内を摺動可能であり、支持部材
   １０１；１１１は第３の座標（ｚ）方向に摺動可
   能のフイーラ１０９；１１９を支持するフイーラ
   ピンホルダ１０２；１１２を有し、フイーラピン
   ホルダ１０２；１１２に、上記２つの部分光線の
   それぞれ１つ１０７；１１７がその方向を反転す
   るミラー系１０６，１１６が固定され、このミラ
   ー系により探査方向に対し直交方向に誤差として
   出現する運動の干渉計式測定が可能であることを
   特徴とする３次元的干渉計式長さ測定装置。 ６ 測定光線１０７，１０８を発する測定系１０
   ４が自体公知の２光線平面ミラー干渉計である特
   許請求の範囲第５項記載の測定装置。 ７ ミラー系がトリプルプリズム１０６，１１６
   である特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 ８ フイーラピンホルダ１０２に固定されたミラ
   ー系（トリプルプリズム１０６，１１６）が、対
   向ミラー１０５；１１５ａ，ｂ，ｃと、長さ測定
   装置１０１；１１１に固定された、測定光線１０
   ７；１１７の方向を反転するもう１つのミラー系
   １０３；１１３との間に配置されている特許請求
   の範囲第５項記載の測定装置。 ９ 支持部材１１１に３つの測定系１１４ａ，
   ｂ，ｃが配置され、フイーラピンホルダ１１２ま
   たはフイーラ１１９は第４のミラー１１６ａを有
   し、該ミラーは測定系１１４ａと共に、フイーラ
   １１９と第３のミラー１１５ａの間の距離の干渉
   計式測定が可能であり、少なくとももう１つの測
   定系１１４ｂが２つの部分光線１１７ｂ；１１８
   ｂを有し、これらの光線の１つ１１７ｂは、フイ
   ーラピンホルダ１１２又はフイーラ１１９に、第
   ４のミラー１１６ａに対し直交配置された第５の
   ミラー１１６ｂを介して導かれる特許請求の範囲
   第５項記載の測定装置。 １０ フイーラピンホルダ１１２が少なくとも３
   つの個々のミラー系１１６ａ，ｂ，ｃを支持し、
   これらのミラーがカルテシアン座標系の軸に沿つ
   て導かれる３つの干渉計式測定光線１１７ａ，
   ｂ，ｃのレフレクタとして役立つ特許請求の範囲
   第５項記載の測定装置。 １１ フイーラピンホルダ１１２が少なくとも１
   つの座標方向で互いにずれて配置された２つのミ
   ラー系１１６ｂ，ｄ；ｃ，ｅを支持し、これを介
   して互いに平行の２つの測定光線１１７ｂ，ｄ；
   ｃ，ｅが導かれる特許請求の範囲第５項記載の測
   定装置。 １２ 種々の干渉計式測定系１１４ａ〜ｅの部分
   光線をレーザ発生器１１０；１２０の射出光線か
   ら分割するビームスプリツター系１２１を有する
   特許請求の範囲第１０項記載の測定装置。 １３ フイーラピンホルダ１１２が板ばね１２２
   ａ，ｂにより測定装置の干渉計を支持する部材１
   １１に懸架されている特許請求の範囲第６項記載
   の測定装置。 １４ フイーラピンホルダ１０２；１１２が試験
   または調節装置を支持する特許請求の範囲第６項
   記載の測定装置。