JPH05231830A

JPH05231830A - 水平距離測定装置

Info

Publication number: JPH05231830A
Application number: JP4035873A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kusano; 正明草野; Atsushi Taguchi; 淳田口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で水平距離を測定する。【構成】可動プローブ２に、第１の測定部Ｐと第２の
測定部Ｑを設けた。また、基準部１には第１の測定部Ｐ
とこの基準部１との間の水平距離を測定する第１の距離
測定手段４ａと、第２の測定部Ｑと基準部１との間の水
平距離を測定する第２の距離測定手段４ｂとを設けた。
そして、２つの測定手段４ａ、４ｂの測定値から正確な
値を得るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水平距離測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】曲面を有する物体（被測定物）の形状を
測定するためには、座標測定装置が使用される。そし
て、この座標測定装置には一般に水平距離測定装置が組
み込まれている。図２は、従来の水平距離測定装置が組
み込まれた２次元形状測定装置を示す概略図である。定
盤５上に設置された第１の支柱６と第２の支柱７との間
には、両支柱を結ぶはり９が渡されている。この両支柱
６、７には、はり９を垂直方向（図中Ｙ軸方向）に移動
させるための垂直方向移動手段８が設けられている。

【０００３】はり９には、このはり９に沿って水平方向
（図中Ｘ軸方向）に移動可能な水平方向移動手段１０が
取り付けられている。そして、この水平方向移動手段１
０には、被測定物との接触点を検出するための可動プロ
ーブ２が設けられている。また、はり９の一端には基準
部１が設置されている。この基準部１には、基準部１と
可動プローブ２に設けられた測長部Ｐまでの距離を測定
する水平距離測定手段３が設けられている。

【０００４】第１の支柱６と第２の支柱７との間には、
垂直方向に対してはり９よりも上側に第２のはり１１が
渡されている。第２のはり１１には、水平方向移動部１
２が取り付けられ、この移動部１２は水平方向移動手段
１０とともにはり１１に沿って水平方向に移動するよう
に構成されている。また、水平方向移動部１２には、可
動プローブ２の垂直方向の位置（被測定物の高さ）を測
定するための垂直距離測定手段１３が設置されている。

【０００５】測定時は、まず、定盤５上の第１の支柱６
と第２の支柱７との間に、形状を測定しようとする被測
定物（例えばレンズ）を載置する。次に、可動プローブ
２を水平方向移動手段１０と垂直方向移動手段８によっ
て移動させ、被測定物の任意の測定点（第１測定点とす
る）に接触させる。そして、可動プローブ２の位置を水
平距離測定手段３と垂直距離測定手段１３によって測定
する。これにより第１測定点の２次元座標が求まる。

【０００６】被測定物の２次元形状の測定は、水平方向
移動手段１０および垂直方向移動手段８によって可動プ
ローブ２を複数の測定点に順次移動させて被測定物と接
触させ、各測定点での可動プローブ２の位置を前述のよ
うに測定していくことで行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、技術の高度化に
伴って測定時に要求される形状精度が厳しくなってきて
いる。そのため、この種の水平距離測定装置にも、より
一層の精度の向上が望まれている。しかし、従来の装置
では、分解能が10nmとされているにもかかわらず、測定
値に数十nmのバラツキが生じていた。そのため、数十nm
のオーダーで測定した場合は測定値の信頼性が低く、結
果として精度が低くなるという問題があった。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明の水平距離測定装置では、基準部、可動プローブ、該
可動プローブに設けられた第１の測定部と前記基準部と
の間の水平距離を測定する第１の距離測定手段および前
記可動プローブに設けられた第２の測定部と前記基準部
との間の水平距離を測定する第２の距離測定手段と、を
有するようにした。

【００１０】

【作用】図３は、従来の装置における測定状態を示す概
略図である。従来から、可動プローブが被測定物と接触
した際に装置のたわみ等によって可動プローブの取り付
け角度が変化することは予想されていた。しかし、この
角度の変化は無視できる程度のものとして、測定精度と
の関連について考慮されていなかった。ところが、本発
明者らが鋭意研究した結果、可動プローブが被測定物と
接触すると、図３に示すように可動プローブ２が鉛直方
向に対し無視できない程度に傾き、しかもその傾き角θ
が測定の度に異なることを見出した。

【００１１】一般に、水平距離を測定するに際し、水平
距離測定手段３によってプローブの先端部（スタイラ
ス）２ａと基準部の間の距離を測定することは困難なの
で、通常は可動プローブの先端部２ａを支持するプロー
ブ本体２ｂに測長部Ｐを設け、この測長部Ｐと基準部と
の間の距離ｄを測定している。従って、仮に可動プロー
ブ２がθ分傾いていると、水平距離測定手段３は傾いた
状態における測長部Ｐ’までの距離を測定していること
になる。つまり、測定された距離ｄ（実測値）にはΔの
誤差が含まれていることになる。

【００１２】ところで、傾き角θが常に一定であれば、
測定値も常に一定の距離ｄとなるはずである。しかしな
がら、本発明者らの研究によると、測定（プローブを接
触させる）の度に微妙な関係でθが変わることが判っ
た。そして、このことが原因で精度が低下することが判
明した。そこで、本発明者らは、傾き角θを測定してΔ
を求め、実測値ｄを補正すれば精度が向上することを着
想し、本発明をなすに至った。

【００１３】図４は、本発明の原理を説明するための概
念図である。本発明では、プローブ本体２ｂに２か所の
測長部ＰおよびＱを設け、基準部にはそれぞれの測長部
に対応させた水平距離測定手段を設けてある。従って、
測定時は第１の距離測定手段で測定された測長部Ｐまで
の水平距離ｄ₁と、第２の距離測定手段で測定された測
長部Ｑまでの水平距離ｄ₂の２つの測定値が得られる。
そして、この値からプローブ２の傾き角θを求めること
ができる。

【００１４】つまり、両測定値の差δ（＝ｄ₁−ｄ₂）
を第１の距離測定手段と第２の距離測定手段の垂直距離
Ｓで割った値がtan θに相当し、傾き角θは下式により
求まる。

【００１５】

【数１】

【００１６】次に、求めたθの値をもとにして、測定時
におけるプローブ本体２ｂの測長部Ｑと被測定物上の測
定点Ｒ（プローブの先端部２ａのほぼ中心）との垂直距
離Ｈを算出する。つまり、プローブが傾いていない時の
測長部Ｑと前記測定点Ｒとの垂直距離をＨ_C、プローブ
２の中心軸Ｔから測長部ＰおよびＱまでの距離（両者は
等しい値に設定してある）をＷ、とすると垂直距離Ｈは
下式により求まる。

【００１７】

【数２】

【００１８】よって、正確な水平距離ｄ_C（可動プロー
ブが傾いていない時の値）は、下式により求まる。

【００１９】

【数３】

【００２０】なお、第１の距離測定手段と第２の距離測
定手段の間の垂直距離Ｓ、プローブ２が傾いていない状
態での測長部Ｐと測定点Ｒとの垂直距離Ｈ_Cおよびプロ
ーブの中心軸Ｔから測長部ＰおよびＱまでの距離Ｗの値
は、あらかじめ装置を構成する際に設定しておくことが
でき、数１〜数３に示した計算においては定数として扱
うことができる。従って、水平距離ｄ₁およびｄ₂の値
を測定により求めれば、ｄ_Cは演算処理によって求ま
る。

【００２１】なお、この演算処理は、測定者が手計算で
行うことも可能だが、マイコン等の演算手段に前記Ｓ、
Ｈ_C、Ｗの値を設定しておき、測定値ｄ₁、ｄ₂の値を
入力してｄ_Cを求める方が望ましい。また、測定に際し
ては、測定者が手動でプローブを移動させるよりも、機
械的な移動手段を設ける方が好ましい。

【００２２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である水平距離測
定装置が組み込まれた２次元形状測定装置を示す概略図
である。なお、図２と同一機能を有する構成部品に対し
ては同一符号を付してその説明を省略する。本実施例の
装置では、可動プローブ２の本体２ｂに２か所の測長部
ＰおよびＱを設けてある。一方、基準部１には、この基
準部１と測長部Ｐまでの距離ｄ₁を測定する第１の距離
測定手段４ａと、基準部１と測長部Ｑまでの距離ｄ₂を
測定する第２の距離測定手段４ｂとが設置されている。
また、測定された前記ｄ₁とｄ₂の値から前述の計算式
（数１〜数３）に基づいて正確な距離ｄ_Cを算出する演
算手段１４が設置されている。

【００２３】本実施例においては、被測定物の測定点に
可動プローブ２を接触させた際に、この可動プローブ２
の位置を第１の距離測定手段４ａと、第２の距離測定手
段４ｂと、垂直方向距離測定手段１３とによって測定す
る。演算手段１４は、第１の距離測定手段４ａでの測定
値ｄ₁と第２の距離測定手段４ｂでの測定値ｄ₂を基に
プローブ２の水平距離（ｄ_C）を算出する。従って、各
測定点での２次元座標が正確に求まるため、被測定物の
２次元形状も正確に測定される。

【００２４】なお、被測定物の３次元形状を測定する際
は、例えば被測定物がレンズの場合、このレンズの中心
軸を回転軸として少しずつ回転させ、その回転の都度、
前述の２次元形状を測定すれば良い。図５に、本実施例
による測定結果の一例を示す。演算手段で求められた正
確な距離ｄ_Cは、同一測定点について何回測定した場合
でも、距離測定手段（４ａ、４ｂ）の分解能の範囲内に
おさまった。

【００２５】なお、第１の距離測定手段４ａ、第２の距
離測定手段４ｂ、垂直方向距離測定手段１３としては、
既知のさまざまな測長手段、例えばエンコーダやレーザ
測長計を用いることができる。特に精密な測定を必要と
する場合は、レーザ測長器のような高精度の距離測定手
段を用いればよい。このような測定手段としては、ヘテ
ロダインレーザ干渉計等が挙げられる。

【００２６】以上、本実施例では、プローブを被測定物
に接触させて測定を行う接触式の測定装置について説明
した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、プロ
ーブを接触させずに測定を行う非接触式の測定装置にお
いても同様の効果を奏するものである。

【００２７】

【効果】以上のように、本発明によれば、水平距離を高
精度で測定することができる。そのため、被測定物の表
面形状を精度よく測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の実施例である２次元形状測定装置
の概略図である。

【図２】は、従来の２次元形状測定装置の概略図であ
る。

【図３】は、従来の測定状態を示す概念図である。

【図４】は、本発明の原理を説明するための概念図であ
る。

【図５】は、実施例による測定結果の一例である。

【主要部分の符号の説明】

１基準部２可動プローブ４ａ第１距離測定手段４ｂ第２距離測定手段９はり１０水平方向移動手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準部、可動プローブ、該可動プローブ
に設けられた第１の測定部と前記基準部との間の水平距
離を測定する第１の距離測定手段および前記可動プロー
ブに設けられた第２の測定部と前記基準部との間の水平
距離を測定する第２の距離測定手段とを有する水平距離
測定装置。