JPS58123404A - ３次元的干渉計式長さ測定装置 - 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】 本発明は工作物または被検体の空間的・Ｊ″′法を高度
に精密に測定しつる６次元的干渉３」一式４＜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４吉イ象系たと
えばＸ線入文学用レフレククを製：徴する場合、常用の
多座標系測定器より約２：ケた７、％い精度の空間的測
定を可能にする測定器力；必要ｐｃなる。この目的に使
用しうる測定装置は一般に１Ｑ　ｎｒｎの所要分解能を
達成するため、干渉計式長さ測定系を備えなければなら
ない。

６座標で画定する常用の干渉計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（、てより公知の
構造を有する。このような測定器・４は***特許第２８
０９９５４号明細書に記載される。この場合測定ヘッド
に対し相対的に６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って多数回反射した
１つのレーず光線により測定される。この装置の場合、
６つのすべての測定輪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
よシ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***特許第２１５９１３４号、第２１６４８
９８号および***公開特許公報第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６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６軸に達成しつるように
、首記の測定装置を形成することである。

この目的は特許請求の範囲第１項また（は第２項記載の
手段によって解決される。

本発明による干渉計式測定装置の形成によって、非常に
安定なコンパクトな全構造を６つのすべての座標でコン
パレータ原理をほぼ維持しながら達成できるので、ガイ
ド誤差は達成しつ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２−は安定性の理由から有利に互いに結合され、ト
リフ０ルミラ一方式の測定空間を形成し、その際ミラー
の１つ（・マ工作物支持器の底面によって形成すること
かできる。

ツイーンが測定装置に固く固定された場合、測定速度が
制限さｈ；７；。というのは接触１和の１１１１ 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。

測定器に接触過程で変位する弾性的に支持さｒした接触
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
って求めた座標測定値が補正される。しかしこの公知ツ
イーン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接触
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。これは干渉計測定光線の少なくと
も１つが２つの部分光線からなり、２つの部分光線のそ
れぞれ１つがその方向を反転するミラー系を介して導か
れ、このミラー系が少なくとも１つの座標内で長さ測定
装置に対して可動に支持された接触ピンホルダに固定さ
れていることによシ達成される。

この手段の利点は低い費用で高精度を達成しうろことに
あり、これは接触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シ達成され
る。接触ビンホルダダの位置の測定にはしかし付加的干
渉計を必要とせず、たとえば***特許第２３４Ｂ２７２
号明細書に記載される公知の２′＃Ｓ線一平面ミラー干
渉計の２つの部分光線の１つはツイーンに固定した反射
プリズムを介して導くことができ、他の部分光線は泄、
定装置によって直接参照ミラーへ向けられる。したがっ
て測定装置の測定物体に対する相対運動５よびツイーン
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
方向をもってただ１つの干渉計式系によってオフ。

トエレクトロ二ツク信号形成前にいっしょに検出される
。

接触ビ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几ばよいので、被検体の輪か
くに追ずいするこの部分の質量は、接触部分が干渉計ヘ
ッドの完全な光学系を支持しなければならない常用測定
系に比して、非常に小さい。

ツイーン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。

接触ピンホルダの６つのすべての空間方向の運動を検出
するため、接触ピンホルダにカルテンアン座標系により
導かれる６つの測定光線のレフレクタとして役立つ６つ
の別個のミラー系を配置するのが有利である。これは接
触ピンホルダが６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。それは接触ピンホ
ルダの案内誤差によって生ずる変位も測定できるからで
ある。

一般にツイーンは測定すべき物体に機械的に接触するポ
ールを支持する。接触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、それによって接触ぎンホルダに
ｆ−ルの代りに被検体の測定に有利と考えられる無接触
のたとえば光学的走査装置、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シ説明する。

第１および２図に示す測定装置はベース板１を有し、こ
のベース板にテーブル２がクロススライダガイドを介し
て支持される。テーブル２は工作物である凹面ミラー３
およびテーブル２上の測定空間を６面によって包囲する
６つのミラー４，５．６からなる空間直交ミラーを支持
する。

ベース１に固定した柱７および８にｍ＋＋定アーム９が
垂直に摺動可能に案内され、その迎］定空間へ芙出する
端部にツイーン１７を支持する。

ツイーン１７の上方にそれぞれ半透ミラー１２．１３ま
たは１６および参照ミラー１４，１５または１８からな
る干渉計測定ヘッドが配置される。測定ヘッドおよび空
間直交ミラーのそれぞれ相対するミラーは３つの干渉計
Ｊｌｌ定区間を形成し、この区間にベース１に支持した
レーデ装置１０からミラー１１を介して光線が送られる
。

水平面内で測定すΣ干渉計の場合、Ｘおよびｙ軸内の測
定光線と接蔽ポール１Ｔの間のＺ距離が小さいので、コ
ンパレータ誤差は非常ＶＣ小さい。２軸に沿う測定の場
合、コンパレータ原理が厳密に充足されるので、測定ア
ーム９の紙面Ｑてχ、ゴし垂直のｙ軸を中心とする傾斜
による１次の測定誤差はＺ座標の測定精度に影響しない
。

第６および４図に示す測定装置に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九ていない。同様空気ベアリングを
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４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２９のアーム３６と
４０の間をテーブルが摺動する。

テーブル２２のミラー化した下面２６（第６図）および
その上に支持されるミラー２４および２５は６つの干渉
計ヘッド３３．３４および３γによって測定される固い
空間ノルマルを形成する。干渉計ヘッドにケーシング２
９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（ＺｅｒＯｄａｒ　）　ｉたはインパールからなる
。

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２にツイーン２７がケーシング２９内で可動に支持
される。ツイーンの接触ボール３９と反対の端部３８は
ミラー化さ几、第４の干渉計ヘッド３５によって測定さ
れる。

測定系３４および３５はしたがって差測定を行い、それ
（Ｃよってテーブル２２またはケーシング２９の高さの
す几に基く測定誤差が；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６つの
すべての方向で非常瓦良好な近似において充がされる。

しかしツイーン２７はケーシング２９と固定的に結合し
ていないので、ツイーン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（ｙ、、ｙ）内の測
定精度に影響する。この傾斜を検、Ｊ８するため、第５
図による改善された実施例のツイーン２７（佳ミラー化
されたンヤフトを有し、この／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
よって測定される。２つの干渉計式系の１つのみが第５
図に示される。この系は主として干渉計ヘッド４１゜４
２およびベアリング２８の２つの面から突出するツイー
ンシャフト２７のミラー面によって形成される。

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ュ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ュータによりミラー２４〜２
６の平面性変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によっ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
装置の評価コンピュータに記憶させ、この関数をそのつ
どの測定値の補正に永続的（で使用することができる。

第６〜５図に示した実施例の場合、工作“吻テーブルは
２方向可動に支持さｎる。テーブル２２を固定的に、ケ
ーシング２９を可動に配置し、または両要素をそれぞれ
１方向可動・ンて支持することももちろん可法、であり
、それによって測定装置の使用性は制限されない。

第６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およびこれに対しオ
目対的に可動の、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。部分１０１　Ｌｊ第１および
２図しく示す部分９に相当する。

干渉計光学系はレーデ発生装置１１０．２光線一平面ミ
ラー干渉計１０４、オシドエレクトロニック受信器１２
３および測定値表示装置１１：： ２４を有する。　　　′ 平面ミラー干渉計は第７図に示す構造を有する：光線分
割器１２６はこれに入射する２モートレーず１１０の互
いに垂直に偏光した少し周波数のずれた２成分からなる
光線１２９を２つの部分光線に分割する。その際光線分
割器１２６を透過した部分光線はプリズム１２８で２回
反射した後、受信器１２３へ入射し、参照光線を形成す
る。光線分割器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、光線分割器１２６を通る。

プリズム１２７による方向変換の後、この光線は第２ａ
ｉｌ定光線１０８として平面ミラーへ反射され、もう１
度偏光面を回転した後再び光線分割器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１（’ｏｆ動のツイーン１０９のホルダ１０２が吊
られる。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１０３によって反射された測定光線１０７
の２回ｊ−１の方向変換を行い、この光線１０７は平面
ミラー１０５へ描り、そこで再び反射される。干渉計１
０４の第２　ｉ、’ｌ：定光線は直接乎Ｈｒ’ｍ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
の測定ヘッド１０１に対する各変位△Ｌ１は干渉計１０
４の測定光路の光路長を４×△Ｌｌｆｆｉ化することに
なる。ツイーン１０９が図示の値△Ｌ２だけ変／−ｒす
る場合も２つの部分光線１０１および１０８からなる測
定光路の行路長は４×△Ｌ２だけ変化する。それによっ
て平面ミラー１０５、測定ヘッド１０１およびツイーン
１０９の変位は値および符号が一致して干渉計１０４に
よって検出することが保証される。

第８〜１０図には３次元測定装置の具体的実施例の６つ
の断面が示される。この装置（・まトリプルプリズムの
ように互いて垂直に配置された６つの平面ミラー１１５
ａ、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分１１１は空間ノルマルに灯し相対
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によシフィーラ１１９のホルダ１１２は
部分１１１にミラー面１１５ａと垂直の方向に可動に吊
られる。

ツイーン１１９の運動方向の位置は干渉計１１４ａによ
って検出され、その２つの部分光線１１７ａおよび１１
８ａは直接、またはプリズム１１３ａお孝び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によって検出される。そのフィー、′１
９のホルダ１１２を介して導かれる部分光線１１７ｂお
よび１１７ｄばしたがってそれぞれ２つのプリズム１１
３ｂ／１１６ｂおよび１１３ｄ／１１６ｄによって反転
されるけれど、部分光線１１８１１および１１８ｄによ
ってミラー１１５ｂばＪＩ）び直接側層される。

最後に測定装置は第９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（ｒｉ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Ｆｉ（出する。光線を案内するプリズムは１１３
Ｃ，’＝−よびｅまたは１１６Ｃおよびｅで示される。

前記５つの干渉計Ｏてよって、被検体の測定に影響しな
いホルダ１１２のツイーン１１９の軸を中心とする回転
は別として、空間、ｐ交ミラー系１１５と測定装置１１
１の間のすべての自由度の運動が検出さ几る。５つの干
渉計に光線分割系１２１によって共通のレーｆ１２０か
ら光線が送られる。さらに各干渉計１１４ｖＣ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１０図ては装置１２５ａ、ｄ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実施例の側面図、第２図は
第１図ｎ−■線断面図、第６図は第２実痛例の縦断面図
、第４図は第６図装置のケー／ングの斜視図、第５図は
第６図装置のツイーンの他の実施例の縦断面図、第６図
は第３実施例のツイーンホルダの１座標方向の運動を示
す図、第７図は第６図装置の干渉計の光路図、第８図は
第４実施例の縦断面図、第９図は第８図ｎ［ｎｌ線′Ｉ
ｆｒ面図、第１０図は第８図ＩＶ−ＩＶ線断面図である
。 １・・ベース、２・・・テーブル、３・・・凹面ミラー
、４．５．６・・・空間直交ミラー、９・・・測定アー
ム、１０・レーず、１２〜１６．１８・・・干渉計ミラ
ー、１７・・・フイーラ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　測定系を支持するケーシング（９）Ｋ対し相対的に
   動きうる工作物支持器（２）を有する６次元的干渉計式
   長さ測定装置において、工作物支持器（２）に互いに垂
   直に配置された６つのミラー（４，５，６）の形の剛性
   空間直交ミラー系が固定され、これらのミラーがそれぞ
   れ平面的に２つの座標方向の全測定範囲にわたって拡が
   シ、３つの干渉計測定光線のレフレクタとして役立つこ
   とを特徴とする６次元的干渉計式長さ測定装置。 ２、測定光線がミラー（４，５，６）によって形成され
   る半空間の内部に配置された測定ヘッドから発する特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 ６　工作物支持器（２）および空間直交ミラー系（４，
   ５，６）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項または第２項記載の装置。 ４、測定系を支持するケーシング（２９）Ｋ対し相対的
   に動きうる工作物支持器（２２）を有する６次元的干渉
   計式長さ測定装置において、工作物支持器（２２）に互
   いに垂直に配置された６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
   にわたって拡がシ、もう１つのミラー（２６）が２つの
   座標方向（ｘ　＋ｙ）の測定範囲にわたって拡がり、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）によって決定される平面
   内で摺動可能であジ、ケーシング（２９）が第３の座標
   方向（ｚ）に摺動可能１７）　ツイーン（２７）を支持
   し、このツイーンに少なくとももう１つのミラー（３８
   ）が固定され、このミラーによりツイーン（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６次元的
   干渉計式長さ測定装置。 ５　フイーラ（２７）が矩形に形成したミラー化された
   シャフトを有し、このシャフトが２つの離れた干渉計光
   束によって測定される特許請求の範囲第４項記載の装置
   。 ６、水平階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４項
   記載の装置。 Ｚ　工作物支持器（２２）および空間直交ミラー（２４
   ，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４頃〜第６項の１つに記載の装置
   。 ８　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６次Ｔ的干渉計式長さ測定装
   置において、干渉計測定光線の少なくこも１つが２つの
   部分光線（１０７，１０８；１１７，１１８）がらなシ
   、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（プリズム１０６；１１
   ６）を介して導かル、このミラー系が少なくとも１つの
   座標内で長さ測定装置（１０１；１１１）に対して可動
   に支持されたフイーラホルダ（１０２：１１２）に同定
   されていることを特徴とする６次元的干渉計式長さ測定
   装置。 ９２つの部分光線（１０７，１０８）が公知の２光線子
   面ミラー干渉計（１０４）から発する特許請求の範囲第
   ８項記載の装置。 １０、ミラー系がトリプルプリズムＣ１０６，１１６）
   である特許請求の範囲第８項記載の装置０ １１、フイーラホルダ（１０２）に固定したミラー系（
   プリズム１０６，１１６）が７１向ミラー（１０５；１
   １５ａ、ｂ、ｃ）と、長さ測定装置（１０１；１１１）
   に固定した測定光線（１０７；１１７）の方向を反転す
   るミラー系（１０３；１１３）との間に配置て九ている
   特許請求の範囲第８項記載の装置。 １２　　フイーラホルダ（１１２）が少なくとも６つの
   イ固々のミラー系（１１６δ、ｂ、ｃ）ｅ支持し、これ
   らのミラーがカルテンアン座標系の軸に沿って導かれる
   ６つの干渉計測定光線（１１７ａ、、ｂ、Ｃ）のレフレ
   クタとして役立つ特許請求の範囲第８項記載の装置。 １ろ、フイーラホルダ（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Ｃ１１
   ’６ｂ＋　　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、　ｄｒｃ、ｅ
   ）が導かれる特許請求の範囲第８項記載の装置。 １４　　種々の干渉計式測定系（１１４ａ−ｅ）の部分
   光、線をレーデ発生器（１１０；１２０）の射出光線か
   ら分割する光線分割系（１２１）を有する特許請求の範
   囲第１２項記載の装置。 １５　　フイーラホルゲ（１１２）が板ばね（１２２ａ
   、ｂ）によシ測定装置の干渉計を支持する部分（１１１
   ）に懸架されている特許請求の範囲第８項記載の装置。 １６、フイーラホルダ（１０２；１１２）力；］妾触触
   器１０９；１１９）を支持する特許請求の範囲第８項記
   載の装置。 １Ｚ　　フイーラホルダ（１０２；１１２）力；試、・
   倹または調節装置を支持する特許請求の範囲第８項記載
   の装置。