JPS63317705A - 形状測定機 - Google Patents

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】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、物体の形状をサブミクロンの精度で測定す
る形状測定機に関するものである。

（ロ）従来の技術 形状測定機としては、触針式のものと、非接触式のもの
の二つが知られている。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 触針式の形状測定機は、プローブで被測定物を接触測定
するため、被測定面にキズができるという問題がある。

従って、超精密金型、やわらかい材、料の部品の形状測
定には、用いることはできない。また、プローブの移動
速度が極めて遅いために測定に多大な時間がかかり、又
プローブの走査メカニズムも極めて複雑であるという問
題があった。

一方、非接触式のものでは、キズ、速度等に問題はない
。しかし、先触針のため被測定面に傾きがあると光が散
乱し、測定不能になるという重大な問題がある。光学（
第１５巻、第６号、　１９８６年１２月発行）に超高精
度測定機についての非接触の傾き面補正を有するものが
紹介されているが、しかしそれらせいぜい０〜２５°ま
での面補正しかな（、十分とは言えない。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、被
測定物にキズがつかず、測定時間が短く、メカニズムが
シンプルで試料面の傾きに対して測定が限定されない形
状測定機を提供するしのである。

（ニ）問題点を解決するための手段 この発明は、常に定点となるレーザヘッドからのレーザ
ビームの集光点に被測定物をスライドして位置合わせす
ることにより、その定点へのスライド距離によって被測
定物の形状を求める形状測定機である。

その詳細な構成は、静圧で軸受けされ回転位置が精密に
決められ得る回転テーブルと、その回転テーブルの周囲
部位に配設され、所定圧離隔てた対物に集光点を結び得
るレーザヘッドと、被測定物を載置する載置台と、その
載置台を水平方向及び垂直方向にそれぞれスライドさせ
て被測定物の被測定面をレーザヘッドからの光の集°光
位置に一致させ得る水平軸ステージ及び垂直軸ステージ
と、その二つのステージのスライド距離から被測定物の
形状を表示する表示手段とからなる形状測定機である。

（ホ）作用 測定は、被測定物をレーザビームの焦点に位置合わせす
ることで行うから、被測定物はキズつくことはなく、測
定が早く進み、又走査メカニズムらシンプルで済む。

更に、レーザヘッドは回転テーブル上に配設されており
測定用の光照射方向が３６０度回転可能であるから、任
意角度の被測定面に対し常に垂直に測定用の光を照射で
きる。

（へ）実施例 この発明を第１〜５図に示す実施例に基づき説明する。

しかし、これによってこの発明が限定されるものではな
い 第１図に、形状測定機Ｍの基本構成を示す。静圧軸受（
図示省略）で保持された回転テーブルｌの周囲部位に、
レーザヘッド２が取り付けられている。レーザヘッド２
からのレーザビームの集光点（焦点）は、回転テーブル
ｌの回転中心に一致するように調整されている。回転テ
ーブルｌの中心位置のズレ量を１μｍ以下に調整するこ
とにより、レーザヘッド２が回転テーブルｌの回転でど
の位置へ移動しても、レーザビームの焦点は回転テーブ
ル１の回転中心と１μｍ以下の精度で一致する。３は、
被測定物４を載置する載置台である。

載置台３は、水平軸ステージ５上を水平方向（矢印Ｘ方
向）にスライドする。水平軸ステージ５は、水平軸ステ
ージ６上を水平方向（矢印Ｙ方向）にスライドする。

ここで、レーザヘッド２からのレーザビームの焦点位置
を被測定物４の測定面に位置合わせしてゆき、焦点位置
にあることをレーザヘッドに組み込まれているセンサで
確認しなから載置台３を矢印Ｘ方向にスライドさせレー
ザヘッド２からのフォーカス誤差信号に基づき垂直軸ス
テージ６をフィードバック制御し回転テーブルｌの回転
中心すなわち、レーザの焦点に被測定面を一致させる。

その際の水平及び垂直座標を回転テーブルｌの動きから
読み取り、表示手段７に形状測定結果を表示する。この
際、両ステージ５．６の動きをレーザ干渉計で読めば、
０１吋μの測定精度で形状測定できることがわかる。

第２図に、ここで用いられているレーザヘッド２の光学
系を模式的に示す。レーザ８は例えば半導体レーザであ
り、レーザビームがコリメートレンズ９でコリメートさ
れ、対物レンズ１０で集光され、被測定物４に照射され
、被測定面で反射される。反射したビームは、４分割フ
ォトディテクタ等の光電センサ１１と、同じく４分割フ
ォトディテクタ等の光電センサ１２に入射する。光電セ
ンサ１１では被測定面の傾きに応じて第３図に示すよう
にレーザビームの入射位置が変化する。４分割フォトデ
ィテクタの４つのセンサ出力が同じになるようｉこ、レ
ーザヘッド２を回転テーブルｉ上で回転する。４つのセ
ンサ出力が同じとなる点は、レーザビームの光軸が被測
定物４の被測定面に対して垂直になっていることを意味
しており、この状態であれば高精度で、フォーカス位置
を測定することができる。フォーカス位置については、
センサ１２で位置検出する。

第２図に示したレーザーヘッド２では、平凹レンズ１３
と円筒レンズ１４の組み合わせで、非点収差をｆｌｌ用
し１ニフオーカス誤差の検出センサで、精度は０．ｌｎ
ｍ程度である。フォーカス誤差があると、センサ而での
ビーム形状が、楕円形状になり、フォーカス位置では、
真円になる。これを４分割フォトディテクタによりセン
シングすることにより、焦点位置を検出する（第４図を
参照）。

ここでセンサ１２は、レーザビームが被測定面に対して
垂直でないと測定できない（測定可能な傾斜角度はθ〜
５°以内）。

センサ１１の信号によりレーザヘッド２を試料面に対し
垂直にし、その後センサ１２により垂直軸ステージ６を
フィードバック制御し、被測定物４をフォーカス位置に
移動させる。被測定物４を水平方向に移動し、その時の
測定点をフォーカス位置すなわち空間上の不動点に移動
させることにより水平座標に対応した垂直座標を求めて
いき、形状測定ずろ。

測定誤差はフォーカス誤差により左右されるが、第５図
に示すように、臨界角プリズム１５ａ。

１６ａを２個用いたセンサｌｌａ、１２ａを有するレー
ザーヘッド２ａではｌｎｍの分解能でフォーカス誤差を
測定できる。ここで、水平及び垂直軸をレーザ干渉計で
測定ケると、０，１μｍの形状測定を行うことが可能と
なる。

なお、ステージ系もしくはレーザヘッドの少なくとも一
方を回転テーブルの而に対して垂直にスライド可能な構
成にすることにより、形状測定機Ｍは三次元の形状測定
が可能となる。

（ト）発明の効果 この発明によれば、接触式測定機で発生するプローブに
よる、被測定面の破損及び変形、多大な測定時間の必要
、複雑な走査メカニズムの必要がなく、又非接触式測定
機で生じる被測定面の傾きによる、反射ビームの散乱と
いう問題らなく、任意の傾きを存する自由曲面を非接触
でサブミクロン以下の構成度測定することができるとい
う効果が得られている。

従って、この発明を用いると、超精密レンズ用金型、磁
気ヘッド、ＶＩＲ用シリンダ等の超精密部品の形状をサ
ブミクロンの精度で短時間に測定でき、超精密加工技術
を支えろ、基礎技術に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明図、第２図
はその実施例で用いるレーザヘッドを示す構成説明図、
第３〜４図はレーザヘッドからのレーザビームの位置合
わせを示す投影説明図、第５図はレーザヘッドの他の実
施例を示す第２図相当図である。 Ｍ・・・・・・形状測定機、 ｌ・・・・回転テーブル、　　２・・・・・・レーザヘ
ッド、３・・・・・・載置台、　　　　　５・・・・・
水平軸ステージ、６・・・・・・垂直軸ステージ、７・
・・・表示手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、静圧で軸受けされ回転位置が精密に決められ得る回
   転テーブルと、その回転テーブルの周囲部位に配設され
   、所定距離隔てた対物に集光点を結び得るレーザヘッド
   と、被測定物を載置する載置台と、その載置台を水平方
   向及び垂直方向にそれぞれスライドさせて被測定物の被
   測定面をレーザヘッドからの光の集光位置に一致させ得
   る水平軸ステージ及び垂直軸ステージと、その二つのス
   テージのスライド距離から被測定物の形状を表示する表
   示手段とからなる形状測定機。 ２、レーザヘッドからの光の集光位置が回転テーブル上
   の中心である特許請求の範囲第１項に記載の形状測定機
   。