JPS63252211A - 表面との間隔を無接触式に測定するための装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は特許請求の範囲第１項の上位概念に記載の表面
との間隔を無接触式に測定するだめの装置に関する。

従来の技術 会社Ｋｏｓａｋａ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｌｔｄ、　
ｃＤ−ｐンｆレットＥＴ−３０によれば、光電子的な測
定ヘッドと表面との間隔を、測定ヘッド内に配置した焦
点位置測定機構によって測定することが公知であるが、
その場合、測定ヘッドは表面に対して平行に運動し、焦
点位置測定機構の出力信号はグラフで表出される。この
種の焦点位置測定機構の詳細は例えば雑誌ｒＬＡＳＥＲ
ＭＡＧＡｚＩＮ」、４／８５、第７５頁に開示されでお
り、この頁に、この焦点位置測定機構が光学的なレコー
ド板の走査との関連において説明されている。先に掲げ
たＫｏｓａｋａ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｌｔｄ。

のパンフレットから判るように、この種の焦点位置測定
機構の測定範囲は最大２μｍである。

この測定範囲は、表面に対する平行な測定ヘッドの運動
によって表面の粗さを走査する場合にはしばしば不充分
である。なぜならば、粗さはしばしば２μｍを越えるか
らである。さらに、粗さ測定によく適するこの焦点位置
測定機構を使用するさいに、ワークの走査すべき表面が
任窓形状であると測定値がすぐ測定範囲を上回９、その
ため、複雑な手を尽しても、それ以上の測定が不可能と
なるという難点が生じる。会社ＷＹＫＯＣｏｒｐｏｒａ
ｔｉｏｎ、２Ｑ９０Ｅ、　Ｆｏｒｔ　Ｌｏｗｅｌｌ。

ＴｕＣｓｏｎ、Ａｒ　１ｚｏｎａ、ＵＳＡの雑誌ｒＱｕ
ａｎｔｉｔａ−ｔｉＶｅ　Ｍｉｃｒｏ−３ｕｒｆａｃｅ
　ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ　Ｊによれば
、表面のプロフィール決定のための測定機構が公知であ
る。この測定機構は大体においてインタフェロメータを
備え、測定すべき表面へ光の焦点が合わされ、反射した
光が、固定の基準面から反射された光に比較される。測
定すべき表面からの反射光と基準面からの反射光との間
の干渉が決定される。この種のプロフィール測定器はや
はり極めて小さな測定範囲しか有しないと共に、測定信
号の評価が複雑かつ不経済にしか行なわれない。

本発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は被測定表面の粗さの測定が極めて正確で
あると共に粗大プロフィールの測定が可能となるように
焦点位置測定機構の精度を高めかつ測定範囲を拡大する
ような冒頭に述べた形式の装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段 上記課題を解決した本発明の要旨は特にワーク表面のプ
ロフィールを測定路に沿って走査するための、表面との
間隔を無接触式に測定するための装置であって、測定体
が設けられており、この測定体内に光電子的な装置が配
置されており、この装置が、被測定表面へ光を投射し、
かつこの表面によって反射された光によって、表面との
間隔に依存した電気的な信号を生じる形式のものにおい
て、（イ）測定体が測定方向で運動可能に支持体によっ
て保持されており、（ロ）光電子的な装置が、焦点位置
測定機構と、支持体に関して測定体の位置を検出するた
めの光電子的な位置検出装置とを備えており、（ハ）表
示又は記録装置に結合された加算器が設けられており、
この加算器が焦点位置測定機構の電気的な出力信号を位
置検出装置の電気的な出力信号に加えて集合信号を形成
し、この集合信号が、支持体に対する測定体の各任意の
運動位置で被測定表面と測定体との間隔に相応している
ことにある。

本発明の基本思想は表面の粗さを測定するために精度の
高い焦点位置測定機構を使用し、この機構の測定範囲が
小さいという欠点の回避のために測定体を測定方向で可
動に支持体にょって保持し、焦点位置測定機構が常にそ
の測定範囲内にとどまるように測定体を運動させること
にある。このことは光電子的な位置検出装置、有利には
インタフェロメータによって行なわれる。このインタフ
ェロメータは測定体のそのつどの運動位置を、測定体を
保持した支持体に関゛して決定し、従って極めて簡単に
、焦点位置側力 定機構の出〆及びインタフェロメータの出力信号によっ
て表出される長さの加算によって被測定表面と測定体と
の絶対間隔が得られかつ表示及び記録される。

測定体としては移動可能に支承されたケーシングを使用
することができる。しかし本発明の１実施態様では特に
効果的には測定体が、有利には二腕レバーの、焦点位置
測定機構を保持した一端部によって形成される。検出ア
ームとして作用するレバーの一端部にじかに焦点位置測
定機構を取付けることによって、検出アームの慣性を著
しく増大させる光学的手段、例えば鏡、レンズ又は類似
物が不要となる。

支持体に対する測定体の移動調整は手動で行なうことも
できるが、しかし、焦点位置測定機構が決してその測定
範囲を超えないように、焦点位置測定機構の信号によっ
て制御される駆動装置によって自動的に行なわれるのが
効果的である。その場合、焦点位置測定機構の出力信号
が常に所定の値、特に零値になるように制御を行なうこ
とができる。

測定体の自動的な調整の１つの可能性が特許請求の範囲
第３項に記載されている。その場合、調整モータが使用
され、この調整モータは焦点位置測定機構の出力信号に
依存して、焦点位置測定機構の測定値が減少するように
、要するに常に測定範囲内にあるように、制御される。

さらにもう１つの可能性が特許請求の範囲第４項に記載
されている。この実施態様では、測定体が振動的に振動
１駆動装置によって駆動され、これによって常に測定範
囲の一部を通過する。

その場合、測定体のだめの調整駆動装置の制御は種々の
形式で行なわれる。１つの可能性としては、焦点位置測
定機構の測定値が常に正確に零値を中心に撮れるように
調整を行うことである。しかし、焦点位置測定機構の出
力信号のその他の任意の値を焦点位置測定機構及びイン
タフェロメータの集合信号の表示又は記録のための限界
値として使用することができる。

実施例 本発明の第１図に示す実施例は測定体１を備え、これは
ガイド部２に固定されており、ガイド部２は二重矢印３
で示す方向に移動可能に棒状の支柱牛に保持されている
。棒状の支柱４は上部及び下部で支持体７の突出部５．
６に結合されている。

支持体７の突出部６に、測定体１から上向きに発した光
束９を反射させて測定体１へ戻すための鏡８が設けられ
ている。測定体１から下向きに発せられた光束１０はワ
ークの被測定表面１１へ向けられ、この表面で反射して
測定体に戻る。光束９は測定体１内に配置したインタフ
ェロメータに属しており、光束１０は測定体１内に配置
した焦点位置測定機構に属している。

第２図は測定体１内に配置された光電子的な装置１２を
示し、この装置は主としてサブストレートと、その一方
の表面１３に形成されたインタフェロメータ１４と、他
方の表面１５に形成された焦点位置測定機構１６とから
成る。インタフェロメータ１４からは上向きに、すでに
第１図で説明した光束９が発せられて鏡８に衝突する。

焦点位置測定機構１６からは第１図ですでに説明した光
束ｌ（ト）；発せられる。符号１１はワークの被測定衣
１面を示す。インタフェロメータ１４の構造は第３図に
、焦点位置測定機構１６の構造は第４図にそれぞれ原理
的に示されており、第３図はサブストレートの表面１３
を、第４図はサブストレートの表面１５を拡大して見た
ものである。

第３図において、リチウムニオベイト結晶又は珪素結晶
から成ることのできる光電子的な装置１２の先導体的な
表面層内に測定導波体１７、基準導波体１８及び分岐導
波体１９が形成されている。測定導波体１７は縁２０へ
案内されており、この縁にレーザ２１が取付けられてお
り、このレーザ２１が測定導波体１７へ光を投与する。

測定導波体１７から出た光は反対側の縁２２から出て光
束９の形態で鏡８へ走行し、鏡８で反射されて再び測定
導波体１７へ戻される。

基準導波体１８は両縁２０．２２の間に延在する。縁２
０の領域内にフォトダイオード２３が設けられており、
このフォトダイオードは基部導波体１８から出た光を受
けてそれに相応する電気的な信号に変換する。基準導波
体１８は短い距離にわたって測定導波体１７に接近し、
これによって結合素子２４が形成されている。

分岐導波体１９はその一端部で基準導波体１８に接近し
ており、これによって結合素子２５が形成されている。

分岐導波体１９はその他端部で、そこに取付けられたフ
ォトダイオード２６の領域内に開口しており、このフォ
トダイオードは分岐導波体１９から出た光を受取ってそ
れ相応の電圧信号に変換する。分岐導波体の両側に短い
距離にわたって電極２７．２８が配置されておシ、これ
ら電極２７．２８は導体２９゜３０を介して、調整可能
な直流電圧源に接続されている。

電極２７．２８に通電される直流電圧の調整によってフ
ォトダイオード２６における光の位相が、フォトダイオ
ード２３における光の位相に対して調整され、これによ
って、フォトダイオード２６の出力側における電圧の位
相が、フォトダイオード２３における電圧の位相に対し
て角９０°ずらされる。

先に説明したインタフェロメータ１４が鏡８に対して光
束９の測定方向で移動されると、光束９内の光路が変化
し、これによって、基準導波体１８内の干渉縞の模様が
変化し、この変化が光電子的な装置１２の運動に比例し
かつフォトダイオード２３において出力電圧の変化とな
って現われる。

第４図には、光電子的な装置１２（第２図参照）の焦点
位置測定機構１６を備えた他方の表は 面１５が示されている。表面１５にその全長にわたって
光導体的な層として形成されており、これによって、第
４図に示すような光路が形成される。レーザ３１は側方
へ取付けられて角４５°傾いた鏡３２へ光を放射し、鏡
３２はその光を焦点格子３３．３４へ向け、その結果、
光束１０は被測定表面１１上で焦点を結ぶ。次いそ光束
は二重矢印で示したように被測定表面で反射して再び焦
点格子３３．３４へ戻される。これら焦点格子のうち焦
点格子３３は分光器として働いてそのつど光の半分を２
つの異なる焦点３５．３６で結像させる。これら２らの
焦点３５．３６は光束１ｏの７焦点が正確に表面１１上
に位置すれば、正確にフォトダイオード３７とフォトダ
イオード３８との間、並びにフォトダイオード３９とフ
ォトダイオード４ｏとの間に位置する。フォトダイオー
ド３７〜４０の出力信号は焦点位置測定機構１６の出力
信号と組被測定表面１１の粗さ又はプロフィール変化に
基づいて焦点位置測定機構１６と被測定表面１１との間
隔が変化すると、焦点位置も変化し、これに応じてフォ
トダイオード３７〜４０の出力信号、ひいては焦点位置
測定機構１６の出力信号が変化する。

第５図のブロック回路図から判るように、インタフェロ
メータ１４及び焦点位置測定機構１６の出力部は加算器
４１に接続されており、この加算器４１内でそれぞれの
信号が加算され、その結果、全体測定信号が生じ、この
信号が表示又は記録装置４２に印加される。インタフェ
ロメータ１４の出力信号が測定体１のそのつどの移動位
置、要するにその絶対位置に相応し、焦点位置測定機構
１６の出力信号が被測定表面１１上のそのつど調整され
た点と、測定体との間隔に相応しているため、加算器４
１の出力部の集合信号はそれぞれ、光束９．１０によっ
て表出された長さに相応し、従って全体として測定体１
の移動位置に無関係に、鏡８と測定点、要するにワーク
表面１１への光束１０の衝突点との絶対間隔が得られる
。測定体１を二重矢印３で示す方向にそのつど移動又は
追従させることによって、測定範囲の狭い焦点位置測定
機構１６も決してその測定範囲から逸脱しない。それに
も拘らず大きな精度で常に大きな測定距離にわたってワ
ーク表面１１上の各測定点と鏡８との間隔が絶対的に表
示される。

焦点位置測定機構の測定範囲の限界値の到達又は超過に
依存したガイド部２ひいては測定体１の移動のための機
械的な駆動及び制御は当該技術者にとって慣用手段であ
るためここには説円筒状のケーシング４３内に二重レバ
ー４５が軸４４を中心に回転可能に配置されており、二
重レバーの端部４６はケーシング４３の管状の延長部４
７内で延びており、かつ小さな、焦点位置測定機構４８
を保持しており、この焦点位置測定機構は線４９で示さ
れた光によってワーク表面の被測定プロフィール５０上
に焦点を結ぶ。この焦点位置測定機構は例えば第４図に
示した実施形を有している。焦点位置測定機構４８の光
は開口を通って管状の延長部４７から出る。

二重レバー４５の旋回位置はインタフェロメータ５２に
よって検出される。このインタフェロメータ５２も第３
図に示す実施例を有することができる。インタフェロメ
ータはこの場合、小形化の理由で管状のケーシング４３
の長手方向に配置されており、その場合、インタフェロ
メータ５２から出た光は鏡５３によって偏向されて小さ
なガラス球５４へ向けられる。このガラス球５４は二重
レバー４５に固定されており、かつ第３図に基づくイン
タフェロメータの鏡８に相応する。

ガラス球５４に隣合って二重レバー４５の端部にエレク
トロダイナミックな駆動装置５５が係合しており、これ
はばね５６の力に逆って二重レバー４５を調整する。こ
のエレクトロダイナミックな地動装置５５は焦点位置測
定機横手８の出力信号に依存して、焦点位置測定機構が
正常の作動範囲にあるように制御される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の略示側面図、第２図は第
１図に示した測定体の略示側面図、第３図は第２図に示
した測定体の一方の表面をインタフェロメータと共に示
す略示図、第４図は第２図に示した測定体の他方の表面
を焦点位置測定機構と共に示す略示図、第５図は第１図
に示す装置の電気的部分のブロック回路図、第６図は本
発明の第２実施例の略示縦断面図である。 １・・・測定体、２・・・ガイド部、３・・・二重矢印
、ヰ・・・支柱、５．６・・・突出部、７・・・支持体
、８・・・鏡、９．１０・・・光束、１１・・・被測定
表面（ワーク表面）、１２・・・光電子的な装置、１３
・・・表面、１４・・・インタフェロメータ、１５・・
・表面、１６・・・焦点位置測定機構、１７・・・測定
導波体、１８・・・基準導波体、１９・・・分岐導波体
、２ｏ・・・縁、２１・・・レーザ、２２・・・縁、２
３・・・フォトダイオード、２４．２５・・・結合素子
、２６・・・フォトダイオード、２７．２８・・・電極
、２９．３０・・・導体、３１・・・レーザ、３２・・
・鏡、３３．３４・・・焦点格子、３５．３６・・・焦
点、３７．３８．３９゜４０・・・フォトダイオード、
４１・・・加算器、４２・・・表示又は記録装置、４３
・・・ケーシング、４４・・・軸、４５・・・二重レバ
ー、４６・・・一端部、４７・・・延長部、４８・・・
焦点位置測定機構、４９・・・線、５０・・・被測定プ
ロフィール、５２・・・インタフェロメータ、５３・・
・鏡、５４・・・ガラス球、５５・・・駆動装置、５６
・・・ばね。 ＦＩＧ、Ｉ　　　　　　　　　ＦＩＧ、２１２・・・光
電子的な装置 Ｕ・・・被測定表面　　　　　　１６・・・焦点位置測
定機構１２・・・光電子的な装置 １４・・・位置検出装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、特にワーク表面のプロフィールを測定路に沿つて走
   査するための、表面との間隔を無接触式に測定するため
   の装置であつて、測定体が設けられており、この測定体
   内に光電子的な装置が配置されており、この装置が、被
   測定表面へ光を投射し、かつこの表面によつて反射され
   た光によつて、表面との間隔に依存した電気的な信号を
   生じる形式のものにおいて、 （イ）測定体（１、４６）が測定方向で運動可能に支持
   体（４、４３）によつて保持されており、 （ロ）光電子的な装置（１２、４８）が、焦点位置測定
   機構（１６、４８）と、支持体（４、４３）に関して測
   定体（１、４６）の位置を検出するための光電子的な位
   置検出装置（１４、５２）とを備えており、 （ハ）表示又は記録装置（４２）に結合された加算器（
   ４１）が設けられており、この加算器が焦点位置測定機
   構（１６）の電気的な出力信号を位置検出装置（１４）
   の電気的な出力信号に加えて集合信号を形成し、この集
   合信号が、支持体（４、４３）に対する測定体（１、４
   ６）の各任意の運動位置で被測定表面（１１、５０）と
   測定体（１、４６）との間隔に相応している ことを特徴とする、表面との間隔を無接触式に測定する
   ための装置。 ２、測定体が、焦点位置測定機構（１６、４８）を保持
   する、二腕レバー（４５）の一端部（４６）によつて形
   成されている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、位置決め装置、特に調整モータが設けられており、
   この位置決め装置は、焦点位置測定機構（１６）がその
   測定範囲の所定の値を超えた場合に焦点位置測定機構（
   １６）の測定値を縮少するために測定体（１）を測定方
   向又はその反対の方向に移動調整する特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ４、測定体（１）が、測定体（１）を測定方向又はその
   反対の方向に往復振動駆動する振動駆動装置に結合され
   ており、さらに加算器（４１）と表示又は記録装置（４
   ２）との間に、焦点位置測定機構（１６）の出力信号が
   所定の値を有したときにはいつでも表示又は記録装置（
   ４２）へ加算器（４１）の集合信号を接続する制御装置
   が設けられており、この制御装置が焦点位置測定機構（
   １６）の出力信号によつて制御されている特許請求の範
   囲第１項又は第３項記載の装置。 ５、測定体（１）のための振動駆動装置が、ダイナミッ
   クな拡声器のダイヤフラムの駆動装置の形態で永久磁界
   内で運動する振動コイルによつて形成されている特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ６、蛇行状の走査ラインの明確な対応のために高分解能
   を有する距離測定機構が設けられている特許請求の範囲
   第５項記載の装置。 ７、光電子的な位置検出装置が光学的なインタフェロメ
   ータ（１４）から成り、これは測定体（１、４６）又は
   支持体（４、４３）に配置されておりかつ測定導波体（
   １７）を有しており、測定導波体の一端部がレーザ（２
   １）に、その他端部が光学的な装置にそれぞれ結合され
   ており、この装置が焦点位置測定機構（１６）の測定方
   向とは逆の方向に、支持体（４、４３）若しくは測定体
   （１、４６）に固定的に配置された反射器、特別には鏡
   （８、５４）へ光を向けるように形成されており、反射
   器が光を測定導波体（１７）へ戻し、さらに、インタフ
   ェロメータ（１４）が基準導波体（１８）を備えており
   、この基準導波体が測定導波体（１７）に連結されてお
   り、かつ、その一端部にフォトダイオード（２３）が、
   その他端部に鏡が配置されている特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 ８、焦点位置測定機構（１６）がレーザ（３１）を備え
   ており、その光が第１の焦点格子（３４）を介してじか
   に被測定表面（１１）へ向けられ、第１の焦点格子（３
   ４）の前に第２の焦点格子（３３）が配置されており、
   この焦点格子（３３）が、反射された光を隣合う２つの
   フォトダイオード（３７、３８若しくは３９、４０）上
   に結像させ、これらフォトダイオードが結像の度合、ひ
   いては被測定表面（１１）と測定体（１）との間隔に依
   存した電気的な出力信号を生ぜしめるように構成されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の装置。