JPH10170243A - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

形状測定装置及び方法

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JPH10170243A
JPH10170243A JP8330659A JP33065996A JPH10170243A JP H10170243 A JPH10170243 A JP H10170243A JP 8330659 A JP8330659 A JP 8330659A JP 33065996 A JP33065996 A JP 33065996A JP H10170243 A JPH10170243 A JP H10170243A
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JP
Japan
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measuring device
measurement
measuring
shape
reference plane
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JP8330659A
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English (en)
Inventor
Keiichi Yoshizumi
恵一 吉住
Hiroyuki Takeuchi
博之 竹内
Keiji Kubo
圭司 久保
Yukio Imada
行雄 今田
Koji Handa
宏治 半田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サブミンロンからナノメートル以下の測定精
度にて形状測定が可能な形状測定装置及び形状測定方法
を提供する。 【解決手段】 保持台1の表面側に被測定物2を保持し
裏面側に基準面3aを設け、上記被測定物の測定面2a
と上記基準面とを同時に走査するようにした。よって、
上記被測定物と上記基準面とは一体的に揺れるので、上
記基準面と上記測定面との位置関係さえ変わらなけれ
ば、上記測定面の測定精度は上記保持台の移動真直度に
は左右されずに上記基準面の平坦精度にて上記測定面の
形状を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハや、非球面レンズ等における測定面の形状測定や、表
面粗さや、段差平坦度の測定等を超高精度にて測定する
形状測定装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例えば
半導体ウエハの表面形状の測定や、非球面レンズ等の自
由曲面の形状測定や表面粗さ測定については、サブミク
ロンからナノメートル以下の測定精度が必要となってき
ている。従来の3次元測定機や表面粗さ測定機として例
えば図15に示すような形態を有するものが存在する。
即ち、定盤101上には、被測定物102が載置される
とともに、被測定物102の測定面102aに接触して
該被測定物102の表面形状測定等を行うプローブ10
3を、図示するX,Y,Z方向にそれぞれ移動させる移
動体104,105,106が設置されている。移動体
104は、門形形状であり定盤101上に並設されたレ
ール107,107に沿ってY方向に滑動する。該移動
体104の梁部104aには、該梁部104aに沿って
X方向に滑動可能なX移動体105が設けられ、該X移
動体105には先端部にプローブ103を有しZ方向に
滑動可能なZ移動体106が取り付けられている。この
ような従来の3次元測定機や表面粗さ測定機では、各移
動体104,105,106をX,Y,Z方向に滑動さ
せる手段として、コロ、エアスライド、油軸受け等が使
用される。しかしこれらの手段を用いた場合、上記移動
体を数mmから数百mm移動させたときの移動真直度
は、X,Y,Zの内の1軸のみで0.1μm程度に抑え
るのが限界である。よってX,Y,Zの3軸方向に各移
動体を移動させたときには、合計された移動真直度は数
μm程度に達してしまう。したがって、従来の測定機で
は、上述したようなサブミクロンメートルからナノメー
トル以下の測定精度にて上記測定面の形状測定を行うこ
とは不可能である。尚、このような問題は、極座標や円
筒座標を使う測定機でも回転台の移動真円度の精度が悪
いことから、同様に生じる。又、従来の3次元測定機や
表面粗さ測定機では、上述したように、被測定物102
を移動させずにプローブ103を移動させており、その
逆にプローブを固定して被測定物を移動させるタイプの
測定機は存在しない。本発明はこのような問題点を解決
するためになされたもので、サブミクロンメートルから
ナノメートル以下の測定精度にて形状測定が可能な形状
測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とす
る。
【0003】
【課題を解決するための手段】本発明の第1態様の形状
測定装置は、被測定物における測定面の形状を被測定物
用測定器を用いて形状測定するための形状測定装置であ
って、表面側には上記被測定物を保持し裏面側には基準
面を設けた保持台と、上記被測定物用測定器による上記
測定面上の走査位置に対して上記保持台の厚さ方向に沿
った軸芯上における上記基準面上の位置を上記被測定物
用測定器による走査と同時に走査し、上記保持台の厚さ
方向における上記基準面の変位量を測定する基準面用測
定器と、上記基準面、及び上記保持台の被測定物載置面
の相対的な位置関係情報、上記保持台及び上記被測定物
用測定器が相対的に移動したとき上記被測定物用測定器
が送出する上記測定面の形状測定情報、並びに上記基準
面用測定器が送出する上記変位量に基づき、上記基準面
に対する上記測定面の形状情報を演算する測長器と、を
備えたことを特徴とする。
【0004】本発明の第2態様の形状測定装置は、下部
定盤上に配置され固定された被測定物における測定面の
形状を被測定物用測定器を移動させて形状測定するため
の形状測定装置であって、上記被測定物を間に挟んで上
記下部定盤上にてY方向に沿って互いに平行に立設され
た一対の脚部にまたがって取り付けられ上記Y方向に移
動可能な門型のYテーブルと、上記門型のYテーブル上
に設置され上記Y方向に直交するX方向へ上記Yテーブ
ル上にて移動可能なXテーブルと、上記Xテーブル上に
設けられレーザ光を使用する、X,Y,Z方向の測長光
学系を有する上部定盤と、上記上部定盤に取り付けられ
Z方向へ移動可能なZテーブルと、上記Zテーブルに取
り付けられ、上記測定面に接するスタイラス及び、該ス
タイラスと一体的に設けられるミラーを有し上記測定面
のZ方向の変位量を測定するプローブと、上記プローブ
によるZ方向の変位量測定に使用され上記プローブの移
動範囲を覆うZ基準面を有し上記下部定盤上に立設され
る枠体と、上記上部定盤から上記Z基準面までの距離Z
1及び上記上部定盤から上記ミラーまでの距離Z2をほ
ぼ同一軸線上にて測定しZ方向距離を測定する被測定物
用測定器と、上記下部定盤上に設けられ上記Xテーブル
のX方向への移動量の測定に使用するX基準面と、上記
上部定盤から上記X基準面までのX方向距離を測定する
X基準面用測定器と、上記下部定盤上に設けられ上記Y
テーブルのY方向への移動量の測定に使用するY基準面
と、上記上部定盤から上記Y基準面までのY方向距離を
測定するY基準面用測定器と、上記Z方向距離、X方向
距離及びY方向距離に基づき上記測定面の3次元形状測
定を行う制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【0005】又、本発明の第3態様の形状測定方法は、
表面側に被測定物を保持し裏面側に基準面を備えた保持
台における被測定物載置面と上記基準面との相対的な位
置関係情報を認識している形状測定装置にて実行される
上記被測定物の形状測定方法において、上記被測定物に
おける測定面の形状を測定する被測定物用測定器と上記
保持台とを相対的に移動させて上記被測定物用測定器に
て上記測定面の走査を行い上記被測定物用測定器から上
記測定面の形状測定情報を得て、上記被測定物用測定器
による上記測定面上の走査位置に対して上記保持台の厚
さ方向に沿った軸芯上における上記基準面上の位置を、
上記被測定物用測定器による上記測定面の走査と同時に
基準面用測定器にて測定し、該基準面用測定器から上記
保持台の厚さ方向における上記基準面の変位量を得て、
上記形状測定情報と、上記変位量と、上記相対的位置関
係情報とに基づき、上記基準面に対する上記測定面の形
状情報を演算することを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態の形状測定装
置及び形状測定方法について図を参照しながら以下に説
明する。尚、上記形状測定方法は、上記形状測定装置に
て実行されるものである。又、各図において同一の又は
同様の機能を果たす構成部分については同じ符号を付し
ている。図1から図4には、被測定物2における測定面
2aの形状について3次元測定を行う形状測定装置であ
って、被測定物2を載置する保持台1に基準面3aを備
え、上記測定面2a及び上記基準面3aを同時に走査測
定することで上記測定面2aの形状測定を行う形状測定
装置を示している。まず、図1に示す形状測定装置71
について説明する。尚、形状測定装置71は、被測定物
2が半導体ウエハのように、X−Y方向への移動量の測
定精度が比較的要求されない被測定物2に対する形状測
定装置である。本体ベースとしての下部石定盤5上に
は、上部石定盤としての上記保持台1をX−Y方向に滑
動させるためのX−Yテーブルの台板8が固定されてい
る。尚、台板8とYテーブル7とは、コロ軸受け9を介
して係合しておりYテーブル7は台板8に対して図1を
示す紙面を貫通する方向であるY方向に、例えば送りネ
ジ及び該送りネジを回転させるモータを有する駆動装置
10にて滑動可能である。又、図1は、図1を示す紙面
に平行であるX方向における断面図であるので、図1に
は示されていないが、Y方向に沿った断面図である図5
に示すように、Xテーブル6もコロ軸受け9を介してY
テーブル7に係合しており、Yテーブル7の場合と同様
に、Xテーブル6はYテーブル7に対してX方向に、例
えば送りネジ及び該送りネジを回転させるモータを有す
る駆動装置11にて滑動可能である。又、駆動装置1
0,11は、例えば上記モータの回転数を制御装置49
へ送出する。制御装置49は、上記モータの回転数と、
X,Y方向への各テーブル6,7の移動量との関係に基
づき、被測定物2の測定面2aにおいて現在走査されて
いるX,Y座標を算出する。
【0007】保持台1には、被測定物載置面1a側に被
測定物2が固定され、裏面1b側には基準面3aを形成
した基準板3が基準面3aを下部石定盤5に対向させて
保持される。後述するが基準面3aは、保持板1がXテ
ーブル6及びYテーブル7にてX,Y方向に移動したと
きのZ方向への保持板1、換言すると被測定物2の測定
面2aの変位量を測定するためにレーザ光が照射される
鏡面であり、図7に示すようにその平坦度ΔZMは0.
01ミクロンオーダにて形成されている。又、本実施形
態の保持板1では、図示するように、基準板3は保持板
1の裏面1bから下部石定盤5側へ突設した断面L字形
の支持部材12に、3つのボール13を介して保持さ
れ、かつ仮固定される。該ボール13は、図6に示すよ
うに正三角形の各頂点に配置されるように、互いに等間
隔にてなる3カ所に配置される。又、基準面3a及び支
持部材12において各ボール13が接触する部分には、
ボール13の球面と点接触するような溝14が形成され
ている。このように支持部材12と基準板3とを3点で
支持することで、支持部材12に対して基準板3がガタ
つくことを防止できる。尚、基準板3を設けることな
く、保持台1の裏面1bに基準面3aを形成してもよ
い。このような保持台1は、基準板3と同様であり図6
に示すように、Xテーブル6の上面6aと保持台1の裏
面1bとにおいてそれぞれ3箇所に形成した溝14に配
設される3つのボール13を介してXテーブル6の上面
6aに載置される。
【0008】一方、下部石定盤5に立設した枠体15に
は、被測定物2の測定面2aに接触し測定面2aの形状
を検出するプローブ4を備えた被測定物用測定器16が
固定されており、該被測定物用測定器16の出力は測長
器17に接続される。又、下部石定盤5の裏面5b側に
は、レーザ光源19、ミラー20、対物レンズ21、及
び光検出器22を備えた、基準面3aのZ方向の変位量
を検出するための基準面用測定器18が設置される。こ
のようにプローブ4を含み被測定物用測定器16及び基
準面用測定器18は移動しない。基準面用測定器18
は、以下に概説する公知の三角測距方法により基準面3
aの上記Z方向の変位量を検出する。レーザ光源19
は、半導体レーザ素子を有し波長が780nmのレーザ
光を発する。レーザ光源19から発せられたレーザ光
は、ミラー20にて反射され下部石定盤5の開口部5c
を通過して対物レンズ21を介して基準面3aに照射さ
れる。基準面3aにて反射したレーザ光は、対物レンズ
21、ミラー20を介して光検出器22にて検出され
る。このとき、対物レンズ21と基準面3aとの間のZ
方向の距離が変化したときには、光検出器22の光検出
面に対する戻りレーザ光の照射位置が変動し、検出され
る光量が変化する。光検出器22は、該光量の変化を測
長器17へ送出する。尚、被測定物2の測定面2aにお
いてプローブ4が接触する位置と、基準面3aにおいて
レーザ光が照射される位置とは、保持台1の厚さ方向、
本実施形態ではZ方向においてほぼ同軸芯上となるよう
に、プローブ4及び対物レンズ21は配置される。この
ような配置を採ることで、Xテーブル6及びYテーブル
7の移動に伴なう当該Xテーブル6及びYテーブル7の
傾きの変化の影響を受けないようにすることができる。
【0009】測長器17は、形状測定情報に相当する被
測定物用測定器16の出力信号Z1と基準面用測定器1
8の出力信号Z2との加算動作を行う。一方、測長器1
7は、当然に、保持台1における被測定物載置面1aと
基準面3aとの相対的な位置関係情報を予め認識してい
る。尚、上記相対的な位置関係情報の具体例としては、
例えば、被測定物載置面1a及び基準面3aについて、
X,Y方向に同位置におけるZ方向の被測定物載置面1
aと基準面3aとの間の距離情報が相当する。又、この
ように測長器17は上記相対的な位置関係情報を有する
ことから、基準面3aと被測定物載置面1aとが平行で
ある必要はない。又、被測定物2と基準板3とは同一の
保持台1に設けられていることから、Xテーブル6及び
Yテーブル7にて保持台1がX,Y方向に移動したとき
Xテーブル6及びYテーブル7による移動真直度に相当
するZ方向の変位量は、被測定物2の測定面2aと基準
板3の基準面3aとにおいて同一である。したがって、
上述のように、測長器17は、上記出力信号Z1と上記
出力信号Z2との加算動作を行い、かつ該加算動作の結
果に対して上記相対的位置関係情報を考慮することで、
Xテーブル6及びYテーブル7による移動真直度に相当
するZ方向の変位量を含まずに、被測定物2の測定面2
aの形状情報を送出することができる。
【0010】測長器17の出力は制御装置49へ送出さ
れる。上述したように制御装置49は、測定面2aにお
いて現在走査している場所のX,Y座標を認識している
ことから、該走査場所における上記形状情報が供給され
ることで、該走査場所におけるX,Y,Zの3次元の形
状情報を送出することができる。以下、各走査場所につ
いて、順次上記3次元の形状情報を求めることで、測定
面2aの3次元の形状測定を行うことができる。
【0011】このように構成される形状測定装置71の
動作について説明する。保持台1の被測定物載置面1a
における被測定物装着位置に例えば半導体ウエハのよう
な被測定物2を保持する。次に、被測定物用測定器16
のプローブ4を被測定物2の測定面2aに接触させる。
又、基準面用測定器18にて基準面3aにレーザ光を照
射する。尚、このとき測定面2aにおいてプローブ4が
接触する位置と、基準面3aにおいてレーザ光が照射さ
れる位置とは、Z方向にほぼ同軸芯上に位置させる。こ
のようにプローブ4の接触位置とレーザ光の照射位置と
を配置することで、Xテーブル6及びYテーブル7にお
けるピッチング、ヨーイング、ローリングの影響を受け
にくくすることができる。このような状態にて、駆動装
置10,11に備わるモータを駆動して、Xテーブル6
及びYテーブル7をX方向及びY方向に移動させること
で、プローブ4にて測定面2aをX方向及びY方向に走
査していく。
【0012】このとき、Xテーブル6及びYテーブル7
は、例えばコロ軸受けを使用していることから従来と同
様に、例えば図8に示すようにZ方向に約0.5μmの
うねり成分が発生する。尚、図8はXテーブル6にてX
方向へ保持台1を移動させた場合のグラフであるが、Y
テーブル7にてY方向へ保持台1を移動させた場合も同
様にZ方向に約0.5μmのうねり成分が発生する。よ
って、被測定物用測定器16の出力信号Z1には、上記
うねり成分が含まれている。このとき、基準面3aには
レーザ光が照射されており、基準面3aを有する基準板
3は保持台1に固定されているので、光検出器22の出
力信号Z2においても上記うねり成分が含まれることに
なる。一方、基準面3aの平坦度は、上述のように0.
01μmのオーダーであり、上記うねり成分に比べ非常
に微小である。よって、上記出力信号Z2は、ほとんど
上記うねり成分のみを出力していると判断することがで
きる。したがって、測長器17にて、上記相対的位置関
係情報を考慮した上で、出力信号Z1と出力信号Z2と
を加算することで、上記うねり成分を含まない、被測定
物2の測定面2aのZ方向における形状に関する情報の
みを測長器17から得ることができる。測定面2aにお
けるX,Y方向の走査場所のX,Y座標は、上述したよ
うに駆動装置10,11から制御装置49へ供給されて
いることから、測長器17からZ方向の形状情報が制御
装置49に供給されることで、制御装置49は、測定面
2aの走査場所におけるX,Y,Z方向の3次元の形状
情報を送出することができる。
【0013】尚、上述した形状測定装置71は、X,Y
方向に保持台1を移動させるタイプであるが、図2に示
す形状測定装置72のように、Y方向に代えてθ方向
と、X方向とに移動させるタイプにおいても、形状測定
装置71と同様の効果を得ることができる。尚、上記θ
方向とは、Z方向に延在する仮想軸を中心として該仮想
軸回りの方向をいう。又、図2はX方向に沿った断面を
示していることから、図2には図示されていないが、形
状測定装置72において、Xテーブル6は、図1に示す
ようにコロ軸受け9を介して台板8に滑動可能に係合し
ている。さらに又、Xテーブル6には、ベアリング24
を介して上記θ方向に回転可能なθテーブル23が取り
付けられている。このようなθテーブル23上には、形
状測定装置71と同様に、3つのボール13を介して保
持台1が載置されている。よって、保持台1は、θテー
ブル23とともに上記θ方向に回転可能である。
【0014】次に、形状測定装置73について、図3を
参照して説明する。該形状測定装置73は、図示するよ
うに被測定物2が例えば非球面レンズ30のように、測
定点のX,Y方向への移動量についても精度が要求され
る場合に対応可能な構造を有する。尚、形状測定装置7
3において、X,Y方向への保持台1の可動部分の構造
は上述の形状測定装置71の場合と同様であるので、以
下には、形状測定装置71と異なる構造についてのみ説
明を行う。即ち、保持台1における被測定物載置面1a
には、さらに、X方向に被測定物2を移動させたときの
移動量、即ちX座標をレーザ光を用いて測定可能とする
ために、Y方向に延在しレーザ光を反射する鏡面である
X基準面31aを有する基準板31と、Y方向に被測定
物2を移動させたときの移動量、即ちY座標をレーザ光
を用いて測定可能とするために、X方向に延在しレーザ
光を反射する鏡面であるY基準面32aを有する基準板
32とが設置される。これらのX基準面31a及びY基
準面32aは、平坦度が0.01ミクロンオーダーであ
るミラーである。尚、被測定物2のZ方向への変位量
は、形状測定装置71の場合と同様に、基準面3aへの
レーザ光照射にて行う。又、X方向への上記移動量がX
方向相対移動量に対応し、Y方向への上記移動量がY方
向相対移動量に対応する。
【0015】又、上述の各基準面31a,32a,3a
を用いたレーザ測長方法は、上記各基準面に反射した反
射レーザ光の位相の変化を、上記各基準面へ照射するレ
ーザ光と、上記反射レーザ光との干渉信号を計数するこ
とで検出するという、公知のレーザ測長方法を用いる。
このようなレーザ測長方法は、例えば特開平4−150
3号公報に開示されるように、上記基準面へ照射される
レーザ光をプリズム等の分岐部材にて参照光と測定光と
に分け、かつ上記参照光と測定光との位相を90度ずら
す。そして測定光を上記基準面へ照射し反射させ、戻っ
て来た反射光と上記参照光とにおける上記位相のずれに
よる干渉光を電気的に検出して、得られた干渉縞信号か
ら作成するリサージュ図形に基づき基準点と上記基準面
との距離が測定される。さらに、形状測定装置73に
は、上記X基準面31a、Y基準面32a及び基準面3
aへレーザ光を照射するためのレーザ光源33、及び上
記反射レーザ光を検出し上記レーザ測長を行う光検出器
が枠体15に設置される。上記レーザ光源33は、本実
施形態では、一つの周波数にて発振するHe−Ne周波
数安定化レーザであり、上述したように上記測定光とし
てのレーザ光は上記各基準面31a,32a,3aへ照
射され、一方、参照光としてのレーザ光は、上記測定光
が上記基準面にて反射した上記反射光との上記干渉信号
の作成のために用いられる。尚、使用されるレーザ光
は、本実施形態のように一つの周波数を有するものであ
ってもよいし、二つの周波数を有するものであってもよ
い。
【0016】X基準面31aへ照射される、レーザ光源
33から送出されたレーザ光は、プリズム34,35、
ミラー36、及び干渉器40Xを介してX基準面31a
へ到達し、X基準面31aにて反射した反射レーザ光
は、干渉器40Xを通った後、複数のミラーを介してレ
シーバ41Xへ導かれる。尚、該レシーバ41Xは、X
基準面用測定器の機能を果たす一実施形態に相当する。
又、干渉器40X及びレシーバ41X周りの詳しい構造
を図10に示す。又、干渉器40Xでは、上述のように
上記参照光及び測定光が形成され、レシーバ41Xには
上記参照光と上記反射光とが供給される。よって、レシ
ーバ41Xでは上記参照光と上記反射光とに基づき上記
干渉信号を作成し、X方向における被測定物2の移動量
が測長される。レシーバ41Xの出力は、制御装置50
へ供給される。尚、後述するように、干渉器40Y,4
0Zが存在することから総称して干渉器40と記す場合
もあり、レシーバ41Y、41Zが存在することから総
称してレシーバ41と記す場合もある。又、干渉器40
Y,40Z、及びレシーバ41Y、41Zのそれぞれの
動作は、上述の干渉器40X及びレシーバ41Xに同じ
である。又、レシーバ41Yは、Y基準面用測定器の機
能を果たす一実施形態に相当し、レシーバ41Zは、上
述した基準面用測定器18に対応するもので基準面用測
定器の機能を果たす一実施形態に相当する。Y基準面3
2aへ照射される、レーザ光源33から送出されたレー
ザ光は、プリズム34,35、ミラー、及び干渉器40
Yを介してY基準面32aへ到達し、Y基準面32aに
て反射した反射レーザ光は、干渉器40Yを通った後、
複数のミラーを介してレシーバ41Yへ導かれる。レシ
ーバ41YではY方向における被測定物2の移動量が測
長され、レシーバ41Yの出力は制御装置50へ供給さ
れる。基準面3aへ照射される、レーザ光源33から送
出されたレーザ光は、プリズム34、ミラー37〜3
9、及び干渉器40Zを介して基準面3aへ到達し、基
準面3aにて反射した反射レーザ光は、干渉器40Zを
通った後、複数のミラーを介してレシーバ41Zへ導か
れる。レシーバ41ZではZ方向の変位量が測長され、
レシーバ41Zの出力は、上述の出力信号Z2として制
御装置50へ供給される。尚、本実施形態では、Z方向
の形状測定において制御装置50は、上述した測長器1
7の機能をも果たすように構成しているが、測長器17
を備え上述のようにZ方向の測長情報を測長器17から
制御装置50へ送出するようにしてもよい。制御装置5
0は、レシーバ41X,41Yより供給される移動量の
情報に基づき、被測定物2の測定面2aにおいて現在走
査されているX,Y座標を算出する。又、Z座標の算出
については後述する。
【0017】又、例えばYテーブル7にて被測定物2を
Y方向に移動させたとき、うねり成分に相当する範囲内
でYテーブル7はX方向にも移動する。しかしながら、
Yテーブル7及び被測定物2が上記うねり成分にてX方
向に移動したときには、X座標を検出するX基準面31
aも被測定物2と一体的に上記うねり成分にてX方向に
移動しているので、該X方向へのうねり成分による移動
は誤差として検出されることはない。又、例えばX基準
面31aへのZ方向における照射位置は、点線43に示
すように、被測定物である非球面レンズ30に対してプ
ローブ4が走査しているZ方向の位置にほぼ一致するの
が好ましい。このことはY基準面32aに対する照射位
置についても同じである。このようにX,Y基準面31
a,32aに照射するレーザ光のZ方向の位置をプロー
ブ4のZ方向の走査位置にほぼ一致させる理由は、保持
台1のヨーイングが測定結果に影響を与えないようにす
るためである。
【0018】又、プローブ4がZ方向に追随するとき、
該プローブ4のZ方向への移動における真直度の精度が
悪い場合には、測定されたZ方向の位置が変化するので
それに応じて測定点のX,Y座標がずれてしまい、被測
定物2のX,Y座標測定の精度は悪くなってしまう。よ
って、形状測定装置73では、プローブ4は、特開平6
−265340号公報に開示される公知の静圧エアー軸
受け47を介してZ方向に移動可能であり、該静圧エア
ー軸受け47は、当該被測定物用測定器48の全体をZ
方向に移動可能とする軸受け44を介して枠体15に取
り付けられている。尚、静圧エアー軸受け47は、0.
05μm以下の真直度にてプローブ4の移動を可能とす
ることから、静圧エアー軸受け47を用いることで被測
定物2におけるX,Y方向の移動量を0.01μmオー
ダーで測定することが可能となる。尚、形状測定装置7
1の説明にて述べたように、レーザ光が照射される基準
面3a上の位置と、被測定物2の測定面2aにプローブ
4が接触する位置とは、Z方向に沿ってほぼ同軸芯上と
なるように配置される。又、被測定物用測定器48の出
力は、制御装置50に接続される。制御装置50は、予
め基準位置におけるZ座標値を認識しており、プローブ
4のZ方向への移動に従い被測定物用測定器48から供
給される、当該測定場所におけるZ方向の移動量に相当
する出力信号Z1と、上述したレシーバ41Zから供給
される変位量に相当する出力信号Z2とを加算すること
で、当該測定場所のZ座標値を算出する。よって制御装
置50は、当該測定場所のX,Y,Z方向の3次元の形
状情報を送出する。形状測定装置73におけるその他の
構造は、上述した形状測定装置71における構造と同様
である。
【0019】このように構成される形状測定装置73は
以下のように動作する。保持台1の被測定物載置面1a
に被測定物2が保持され、被測定物2の測定面2aには
プローブ4を接触させる。又、上述したように各基準面
31a,32a,3aにレーザ光が照射される。次に、
Xテーブル6、Yテーブル7を駆動してプローブ4の走
査を行う。このとき、X,Y,Z方向における被測定物
2の移動量、即ちX,Y,Zの各座標は、上述したよう
に、各基準面31a,32a,3aにて反射した反射レ
ーザ光に基づきレーザ測長方法により測定される。この
ようにして被測定物2の測定面2aの形状測定を行う。
【0020】尚、上述した形状測定装置71〜73で
は、いずれもレーザ光を用いてX,Y,Z方向における
移動量を測定し被測定物2の測定面2aの形状を測定す
る場合を示しているが、基準面に対する測定手段として
は、接触タイプであってもよい。又、基準面や被測定物
2の測定面2aが金属製である場合には、図4に示すよ
うに、上記基準面や測定面2aとセンサとの間の静電容
量の変化を検出可能な静電容量センサ45を用いること
もできる。尚、図4に示す形状測定装置74は、図1に
示す形状測定装置71における、基準面3aへレーザ光
を照射する装置、及びプローブ4を含み測定面2aの形
状測定を行う被測定物用測定器16に代えて、静電容量
センサ45,45を設けるとともに、各静電容量センサ
45,45の出力信号Z1,Z2に基づき測定面2aの
測長結果を送出する測長器46を設けたものである。そ
の他の構造は図1の形状測定装置71と変わるところは
ない。このような静電容量センサ45を使用した場合、
例えばレーザ光を使用する場合に比べて広範囲での測定
には適さないが、測定系の構造を簡単にすることがで
き、低コストにて製作することができ、又、レーザ光を
使用する場合と同様に基準面3a等に対して非接触にて
測定が行えることから、基準面3a等に変化を与えるこ
とがなく常に高精度にて測定が行えるというメリットが
ある。尚、静圧エアー軸受け47を、形状測定装置7
1,72,74に適用してもよい。
【0021】このように本実施形態の形状測定装置71
〜74では、被測定物2と一体的に移動する基準面を設
け、被測定物2の測定面2aと上記基準面とを同時に走
査するようにしたことから、被測定物2を移動させるX
−Yテーブルがミクロンオーダーで揺れたり曲がったり
しても、被測定物2と基準面とが一体的に揺れたり曲が
ったりする。よって、上記基準面と測定面2aとの位置
関係さえ変わらなければ、測定精度は上記X−Yテーブ
ルの移動真直度では制限されず、X−Yテーブルの移動
真直度より2桁程度精度の良い基準面の精度にて測定面
2aの形状を測定することができる
【0022】又、上述した形状測定装置71,72,7
4では、測定場所におけるX,Y,Z方向の3次元の形
状情報を算出するようにしているが、X,Y方向への移
動量について高精度が要求されない場合には、測長器1
7又は測長器46から、測定場所におけるZ方向の形状
情報のみを得るようにしてもよい。尚、このようにZ方
向のみの形状情報を得る場合、該Z方向とは鉛直方向を
意味するものに限られない。
【0023】又、上述した形状測定装置71〜74は、
いずれも被測定物2を移動させ被測定物用測定器16等
を固定したタイプであるが、これとは逆に、図9に示す
形状測定装置75のように、被測定物2を下部石定盤5
上に固定し被測定物用測定器48等をX,Y方向に移動
させるタイプであってもよい。尚、図9において、基準
面3aを有する基準板3は2点鎖線にて図示しており、
基準板3は、2点鎖線にて図示した枠体15の対向面1
5aに固定されている。ここで対向面15aとは、Z方
向に直交する方向に沿った枠体15の面であって、被測
定物2の測定面2aに対向する面である。
【0024】図9に示す形状測定装置75では、図示す
るように、Yテーブル7の下部石定盤5に固定されてい
るレールの敷設範囲よりもY方向において離れた場所に
プローブ4が設置されている。よって、図9において、
Y方向に長尺であるような被測定物の形状測定を行う場
合、形状測定装置75ではY方向への測定範囲が200
mmまでであれば上記レールとYテーブル7とが係合し
ている距離が長いので支障は生じないが、それ以上、例
えば400mmとなると、Yテーブル7のレールからプ
ローブ4までの距離が少なくとも上記400mm離れる
ことになる。よって、上記係合距離が短くなるので、
X,Yテーブルにおける重量バランスが悪くなり、プロ
ーブ4が振動の影響を受けやすくなり測定精度が悪くな
ってしまう。図11に示す形状測定装置76は、例えば
Y方向に長尺であるような大型の被測定物にも対応可能
な形状測定装置を示している。このような形状測定装置
76について以下に説明する。尚、形状測定装置76も
被測定物2を固定して測定装置を移動させるタイプであ
る。下部定盤に相当する下部石定盤5上には、直接に被
測定物2が固定され、又は該下部石定盤5上に設置され
Z方向に被測定物2を昇降可能とする昇降台(不図示)
を介して被測定物2が固定される。このような被測定物
2を間に挟むようにして上記下部石定盤5上には、Y方
向に沿って互いに平行に立設された一対の脚部57a,
57aにまたがって取り付けられ上記Y方向に移動可能
な門型のYテーブル57が設置される。該Yテーブル5
7上には、上記Y方向に直交するX方向へ上記Yテーブ
ル上にて移動可能なXテーブル56が設置される。この
ようなXテーブル56上には、上述した保持台1と同様
に、ボール13にて3点支持された状態で上部定盤58
が設置される。尚、図11では図示を省略しているが、
上部定盤58にも図9に示す保持台1上に設置されてい
るようなX,Y,Zの各方向の測長を行うためのレーザ
光を導く光学系が設置されている。又、上部定盤58に
は、台板59が固定され該台板59にはZ方向へ移動可
能なZテーブル42が設置されており、該Zテーブル4
2には、被測定物2の測定面2aのZ方向の変位量を測
定するプローブ4が取り付けられている。尚、プローブ
4の先端部分の内部には、図14に示すように、測定面
2aに接するスタイラス54及び、該スタイラス54と
一体的に設けられるミラー55が備わっている。又、形
状測定装置73にて設けられている上述の静圧エアー軸
受け47をプローブ4に設けることができる。さらに
又、図9に示す枠体15と同様に、プローブ4のX,Y
方向への移動範囲を覆うようにして枠体15が上部定盤
58上に立設される。該枠体15の対向面15aには、
上述の形状測定装置75の場合と同様に、基準面3aを
有する基準板3が上記プローブ4のX,Y方向への移動
範囲を覆って取り付けられている。
【0025】又、上述の形状測定装置75の場合と同様
に、下部石定盤5上には、X基準面31a及びY基準面
32aが設置されおり、又、上述の形状測定装置75の
場合と同様に、上部定盤58には、上部定盤58上にお
けるZ方向へのレーザ光送出基準点から基準面3aまで
の距離Z1及び上記レーザ光送出基準点から上記ミラー
55までの距離Z2をほぼ同一軸線上にて測定しZ方向
距離を測定する被測定物用測定器51、上部定盤58上
におけるX方向へのレーザ光送出基準点からX基準面3
1aまでのX方向距離を測定するX基準面用測定器41
X、及び上部定盤58上におけるY方向へのレーザ光送
出基準点からY基準面32aまでのY方向距離を測定す
るY基準面用測定器41Yが設けられている。又、形状
測定装置73にて説明したように、上記Z方向距離、X
方向距離及びY方向距離に基づき上記測定面の3次元形
状測定等の機能を果たす制御装置50が設けられてい
る。
【0026】当該形状測定装置76では、上記スタイラ
ス54による測定面2aの測定動作以外において、Z方
向の目標位置へ大まかにプローブ4を位置決めするため
のプローブ4のZ方向への移動は、Zテーブル42にて
行われる。そのときのプローブ4のZ方向への移動量を
測定するために、図12に示すような光源52及び光位
置検出器53を設けている。このように測長用のレーザ
光とは別個に上記移動量測定用の機構を設けたのは以下
の理由による。即ち、当該形状測定装置76における被
測定物2の測長は、上述したように参照光と反射光とに
基づき干渉信号を作成して、該干渉信号における干渉じ
まをカウントすることで行なわれる。よって上記カウン
トをどこから行うかは自由であり、測長の原点は自由に
変更することができ、測定器の電源のオン−オフで原点
を保存することはできない。一方、プローブ4は、測定
面2aに高精度に応答よく追随させる必要があるため、
プローブ4のZ方向への駆動はボイスコイル型のリニア
モータを使用している。測定面2aの形状測定中では、
プローブ4から得られるフォーカス誤差信号に基づき上
記リニアモータを駆動してプローブ4をZ方向に移動さ
せるが、測定前にプローブ4を測定面2aの近傍まで移
動させるときにはプローブ4の大まかなZ方向位置を検
出する機構が必要となるからである。
【0027】当該形状測定装置76における上記光源5
2は、プローブ4を駆動する、上記リニアモータ部分に
相当する駆動部42aに取り付けられ、一方、光位置検
出器53は上部定盤58に固定された台板59に固定さ
れている。又、光源52は、光位置検出器53に対して
光の拡散が少なくなるようにレーザ光を発するものであ
り、さらに、Z方向に対してθの角度をなしてレーザ光
を発するように傾斜して配置されている。このようにZ
方向に対して傾斜してレーザ光を発するようにした理由
を説明する。光源52と光位置検出器53とは、図13
に示すように光位置検出器53の長手方向に延在する受
光面をZ方向に平行にして光位置検出器53を設置する
こともできる。しかしながら、市販されている光位置検
出器53の上記長手方向の長さは、最大50mm程度で
あることから、図13に示すような配置では、上記50
mmを越えてプローブ4を移動させる場合には使用でき
ないことになる。そこで、上述のようにZ方向に対して
θの角度をなしてレーザ光を発するようにすることで、
光位置検出器53の上記長手方向における長さは、Ls
inθに相当することになる。ここでLは、プローブ4
のZ方向への移動量である。例えば、プローブ4がZ方
向に100mm(=L)移動するとしても、上記θを3
0度とすれば、光位置検出器53の上記長手方向の長さ
は50mm(=100×sin30)でよいことにな
る。よって、プローブ4がZ方向に上記50mm以上移
動するような場合でも市販の光位置検出器を使用するこ
とができるようになる。
【0028】このように構成される形状測定装置76に
おける測定動作は、上述の形状測定装置73、形状測定
装置75の場合と同様であるので、その説明は省略す
る。形状測定装置76によれば、被測定物2を覆って
X,Yテーブル56,57を設け、プローブ4はYテー
ブル57のレール間に配置していることから、例えばY
方向に長尺な被測定物2においても、高精度にて形状測
定を行うことができる。
【0029】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の第1及び第
2態様の形状測定装置、並びに第2態様の形状測定方法
によれば以下の効果を奏する。即ち、被測定物を保持す
る保持台に基準面を設け、上記被測定物の測定面と上記
基準面とを同時に走査するようにしたことから、上記測
定面を測定する被測定物用測定器と上記保持台とを相対
的に移動させたときの移動真直度がたとえミクロンオー
ダーで揺れたり曲がったりしたとしても、被測定物と基
準面とは一体的に揺れたり曲がったりする。したがっ
て、上記基準面と上記測定面との位置関係さえ変わらな
ければ、上記測定面の測定精度は上記移動真直度には左
右されずに上記基準面の平坦精度にて上記測定面の形状
を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態である形状測定装置の構
造を示す図である。
【図2】 図1に示す形状測定装置の他の実施形態を示
す図である。
【図3】 図1に示す形状測定装置の別の実施形態を示
す図である。
【図4】 図1に示す形状測定装置に備わる測定器を他
の測定器に変更した形状測定装置を示す図である。
【図5】 図1に示すI−I線における断面図である。
【図6】 図1に示すボールの配置位置を説明するため
の平面図である。
【図7】 図1に示す基準面の平坦度を示すグラフであ
る。
【図8】 図1に示すXテーブルを移動させたときにZ
方向に生じるうねり成分量を示すグラフである。
【図9】 本発明のさらに他の実施形態における形状測
定装置の構造を示す斜視図である。
【図10】 図3に示す形状測定装置に備わる干渉器及
びレシーバ周りの詳しい構造を示す斜視図である。
【図11】 本発明のさらに別の実施形態における形状
測定装置の構造を示す斜視図である。
【図12】 図11に示すプローブの周りを表した正面
図であり、Z方向に対して傾斜して光源を配置した場合
を示す図である。
【図13】 図11に示すプローブの周りを表した正面
図であり、Z方向に平行に光位置検出器を配置した場合
を示す図である。
【図14】 図11に示すプローブの先端部分の内部構
造を示す断面図である。
【図15】 従来の形状測定装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…保持台、2…被測定物、2a…測定面、3a…基準
面、4…プローブ、6…Xテーブル、7…Yテーブル、
15…枠体、16…被測定物用測定器、17…測長器、
18…基準面用測定器、31a…X基準面、32a…Y
基準面、33…レーザ光源、41X,41Y,41Z…
レシーバ、44…軸受け、47…静圧エアー軸受け、4
8…被測定物用測定器、71,72,73,74,7
5,76…形状測定装置。
フロントページの続き (72)発明者 今田 行雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 半田 宏治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定物(2)における測定面(2a)
    の形状を被測定物用測定器(16,48)を用いて形状
    測定するための形状測定装置であって、 表面側には上記被測定物を保持し裏面側には基準面(3
    a)を設けた保持台(1)と、 上記被測定物用測定器による上記測定面上の走査位置に
    対して上記保持台の厚さ方向に沿った軸芯上における上
    記基準面上の位置を上記被測定物用測定器による走査と
    同時に走査し、上記保持台の厚さ方向における上記基準
    面の変位量を測定する基準面用測定器(18)と、 上記基準面、及び上記保持台の被測定物載置面(1a)
    の相対的な位置関係情報、上記保持台及び上記被測定物
    用測定器が相対的に移動したとき上記被測定物用測定器
    が送出する上記測定面の形状測定情報、並びに上記基準
    面用測定器が送出する上記変位量に基づき、上記基準面
    に対する上記測定面の形状情報を演算する測長器(1
    7)と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
  2. 【請求項2】 上記保持台は、鉛直方向にそれぞれが直
    交しかつそれぞれが互いに直交するX,Y方向に移動可
    能な移動台(6,7)上に載置されて上記X,Y方向に
    移動し、一方、上記被測定物用測定器及び上記基準面用
    測定器は固定されている、請求項1記載の形状測定装
    置。
  3. 【請求項3】 上記被測定物及び基準面が、鉛直方向で
    あって上記厚さ方向であるZ方向に直交する方向に配置
    されるとき、上記保持台はさらに、上記X及びY方向に
    それぞれX基準面(31a)及びY基準面(32a)を
    備え、 上記X方向における上記保持台とのX方向相対移動量を
    測定するX基準面用測定器(41X)と、 上記Y方向における上記保持台とのY方向相対移動量を
    測定するY基準面用測定器(41Y)と、 上記X方向相対移動量、上記Y方向相対移動量、及び上
    記測長器が送出する形状情報が供給され、上記X方向相
    対移動量、上記Y方向相対移動量、及び上記形状情報に
    基づき上記測定面の3次元形状測定を行う制御装置(5
    0)と、を備えた請求項1記載の形状測定装置。
  4. 【請求項4】 上記保持台は、鉛直方向にそれぞれが直
    交しかつそれぞれが互いに直交するX,Y方向に移動可
    能な移動台(6,7)上に載置されて上記X,Y方向に
    移動し、一方、上記被測定物用測定器、上記基準面用測
    定器、X基準面用測定器、及びY基準面用測定器は固定
    されている、請求項3記載の形状測定装置。
  5. 【請求項5】 上記基準面の上記変位量の測定にはレー
    ザ光を使用した、請求項1又は2記載の形状測定装置。
  6. 【請求項6】 上記基準面の上記変位量、及び上記X基
    準面及び上記Y基準面を用いたX方向、Y方向の各相対
    移動量の測定にはレーザ光を使用し、上記X方向、Y方
    向の各相対移動量は、上記X基準面及び上記Y基準面の
    それぞれから反射した反射光の位相変化を、上記X基準
    面及び上記Y基準面へ照射するレーザ光と上記反射光と
    の干渉信号を計数して検出することで算出される、請求
    項3又は4記載の形状測定装置。
  7. 【請求項7】 上記基準面用測定器は、上記レーザ光を
    使用するタイプに代えて、上記基準面とセンサ間との静
    電容量の変化を測定する静電容量タイプである、請求項
    5又は6記載の形状測定装置。
  8. 【請求項8】 上記被測定物用測定器は、上記測定面に
    接触するプローブ(4)を有し、該プローブが静圧エア
    ー軸受け(47)を介して設置される、請求項1ないし
    7のいずれかに記載の形状測定装置。
  9. 【請求項9】 上記保持台は、上記移動台上に3点で支
    持される、請求項2ないし8のいずれかに記載の形状測
    定装置。
  10. 【請求項10】 下部定盤(5)上に配置され固定され
    た被測定物(2)における測定面(2a)の形状を被測
    定物用測定器を移動させて形状測定するための形状測定
    装置であって、 上記被測定物を間に挟んで上記下部定盤上にてY方向に
    沿って互いに平行に立設された一対の脚部にまたがって
    取り付けられ上記Y方向に移動可能な門型のYテーブル
    (57)と、 上記門型のYテーブル上に設置され上記Y方向に直交す
    るX方向へ上記Yテーブル上にて移動可能なXテーブル
    (56)と、 上記Xテーブル上に設けられレーザ光を使用する、X,
    Y,Z方向の測長光学系を有する上部定盤(58)と、 上記上部定盤に取り付けられZ方向へ移動可能なZテー
    ブル(42)と、 上記Zテーブルに取り付けられ、上記測定面に接するス
    タイラス(54)及び、該スタイラスと一体的に設けら
    れるミラー(55)を有し上記測定面のZ方向の変位量
    を測定するプローブ(4)と、 上記プローブによるZ方向の変位量測定に使用され上記
    プローブの移動範囲を覆うZ基準面(3a)を有し上記
    下部定盤上に立設される枠体(15)と、 上記上部定盤から上記Z基準面までの距離Z1及び上記
    上部定盤から上記ミラーまでの距離Z2をほぼ同一軸線
    上にて測定しZ方向距離を測定する被測定物用測定器
    (51)と、 上記下部定盤上に設けられ上記XテーブルのX方向への
    移動量の測定に使用するX基準面(31a)と、 上記上部定盤から上記X基準面までのX方向距離を測定
    するX基準面用測定器(41X)と、 上記下部定盤上に設けられ上記YテーブルのY方向への
    移動量の測定に使用するY基準面(32a)と、 上記上部定盤から上記Y基準面までのY方向距離を測定
    するY基準面用測定器(41Y)と、 上記Z方向距離、X方向距離及びY方向距離に基づき上
    記測定面の3次元形状測定を行う制御装置(50)と、
    を備えたことを特徴とする形状測定装置。
  11. 【請求項11】 上記ZテーブルのZ方向位置を検出す
    るため、上記Zテーブルに設けられた光源(52)と、
    上記上部定盤に設けられ上記光源が発する光が照射され
    た位置を検出する光位置検出器(53)とをさらに備え
    た請求項10記載の形状測定装置。
  12. 【請求項12】 上記プローブは、静圧エアー軸受け
    (47)を介して設置される、請求項10又は11に記
    載の形状測定装置。
  13. 【請求項13】 上記光源はレーザ光源であり、かつ該
    レーザ光源は上記Z方向に対して傾斜した方向へレーザ
    光を発する、請求項11又は12記載の形状測定装置。
  14. 【請求項14】 表面側に被測定物(2)を保持し裏面
    側に基準面(3a)を備えた保持台(1)における被測
    定物載置面と上記基準面(3a)との相対的な位置関係
    情報を認識している形状測定装置にて実行される上記被
    測定物の形状測定方法において、 上記被測定物における測定面(2a)の形状を測定する
    被測定物用測定器(16,48)と上記保持台とを相対
    的に移動させて上記被測定物用測定器にて上記測定面の
    走査を行い上記被測定物用測定器から上記測定面の形状
    測定情報を得て、 上記被測定物用測定器による上記測定面上の走査位置に
    対して上記保持台の厚さ方向に沿った軸芯上における上
    記基準面上の位置を、上記被測定物用測定器による上記
    測定面の走査と同時に基準面用測定器(18)にて測定
    し、該基準面用測定器から上記保持台の厚さ方向におけ
    る上記基準面の変位量を得て、 上記形状測定情報と、上記変位量と、上記相対的位置関
    係情報とに基づき、上記基準面に対する上記測定面の形
    状情報を演算することを特徴とする形状測定方法。
JP8330659A 1996-12-11 1996-12-11 形状測定装置及び方法 Pending JPH10170243A (ja)

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