6054134 超精密形状測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054134

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】超精密形状測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20161219BHJP

   B23Q 17/20 20060101ALI20161219BHJP

   B23Q 17/24 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 A

   B23Q17/20 A

   B23Q17/24 Z

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-229852(P2012-229852)

(22)【出願日】2012年10月17日

(65)【公開番号】特開2014-81299(P2014-81299A)

(43)【公開日】2014年5月8日

【審査請求日】2015年10月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003458

【氏名又は名称】東芝機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100107537

【弁理士】

【氏名又は名称】磯貝 克臣

(74)【代理人】

【識別番号】100106655

【弁理士】

【氏名又は名称】森 秀行

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(72)【発明者】

【氏名】内 村 浩

(72)【発明者】

【氏名】芹 澤 幸 夫

【審査官】 ▲うし▼田 真悟

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０３８７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１８７１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１５０１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ５／００−１１／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

Ｂ２３Ｑ １７／００−２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を被測定物の被測定面に照射し、計測点での反射光の光軸と入射光の光軸が重なったときの前記計測点における法線ベクトルに基づいて前記被測定物の形状を測定する法線ベクトル追跡型超精密形状測定装置であって、
ベッドと、
前記ベッド上に設置され、レーザ測定系と被測定物との距離を設定するＹ軸方向に延びる案内面を有するベースと、
前記ベッド上に設置された門形フレームと、
前記ベース上にＹ軸方向に移動自在に設置され、制御軸Ｙ軸を有するスライドと、
前記スライド上に設置され、前記被測定物を鉛直軸回りに回転させる回転運動の制御軸Ｃ１軸を有するＣ１軸回転装置と、
前記Ｃ１軸回転装置の上に第１のブラケットを介して水平な姿勢で支持され、前記被測定物を前記Ｙ軸と水平面上で直交するＸ軸回りに回転させる回転運動の制御軸Ａ１を有し、前記被測定物を前記Ｃ１軸の回転中心線と前記Ａ１軸の回転中心線の交点の回転中心に保持する被測定物回転装置と、
前記門形フレームの横桁に設置され、前記レーザ測定系の構成されたレーザヘッドを鉛直軸回りに回転させる制御軸Ｃ２を有するＣ２軸回転装置と、
前記レーザヘッドを前記Ｘ軸回りに回転させる制御軸Ａ２を有し、前記Ｃ２軸回転装置から垂設された第２のブラケットを介して水平な姿勢で支持され、前記Ｃ２軸の回転中心線と前記Ａ２軸の回転中心線の交点の回転中心に前記レーザヘッドを保持するレーザヘッド回転装置と、
を具備したことを特徴とする超精密形状測定装置。

【請求項2】

前記第１のブラケットは、前記被測定物回転装置を水平な姿勢で保持する鉛直部を有するＬ字形ブラケットからなり、前記第２のブラケットは、レーザヘッド回転装置を水平な姿勢で保持する鉛直部を有するＬ字形ブラケットからなり、前記各鉛直部の内側面同士が向き合うように配置し、前記被測定物回転装置の先端に位置する前記被測定物と前記レーザヘッド回転装置の先端に保持されたレーザヘッドとが、各回転中心を同一高さにしてＹ軸方向に距離をとって対峙し合うようにそれぞれ前記Ｌ字形ブラケットにより支持したことを特徴とする請求項１に記載の超精密形状測定装置。

【請求項3】

前記第１のブラケットは、前記Ｃ１軸回転装置上に設置されたサドル上に前記Ｘ軸方向に移動自在に搭載され、制御軸Ｘ軸を有するＸ軸テーブルに取り付けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の超精密形状測定装置。

【請求項4】

前記第１のブラケットには、前記被測定物回転装置の重量とバランスするカウンターウェイトを取り付け、前記第２のブラケットには、前記レーザヘッド回転装置とバランスするカウンターウェイトを取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の超精密形状測定装置。

【請求項5】

前記ベッドは、床から伝わる振動を遮断する複数のダンパ装置を介して支持されたことを特徴とする請求項１に記載の超精密形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超精密形状測定装置に係り、特に、レーザ光を利用して物体の形状をナノメートルオーダーで超精密に測定する超精密形状測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

数値制御工作機械で機械加工されるワークでは、仕上げ加工前や加工後に形状測定を行う必要がある。この形状測定には、種々の方法が知られている。一般的に行われているのは、ワークを測定テーブルに設置し、主軸に取り付けたタッチプローブをワークに接触させて、直線軸の移動量から形状を測定する方法である。この種のタッチプローブを用いた形状測定方法には、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

【0003】

近年、工作機械での加工精度の向上は著しく、ナノメートルオーダーでの超精密加工を実現する超精密加工機が開発されているが、従来の接触式の形状測定では、ミクロンオーダーあるいはサブミクロンオーダーの形状測定が限界であり、ナノメートルオーダーの超精密形状測定に対応することができなかった。

【0004】

超精密加工に対応できる形状測定方法としては、特許文献２、３に記載されているような法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法が開発されている。
この法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法は、測定系からレーザ光を被測定物体の被測定面に照射し、その点での反射光と入射光との光軸が重なるように、測定系と被測定物の位置と角度を微調整し、測定系と被測定物の基準位置からの位置と角度の偏差から被測定物表面の測定点における法線ベクトルを測定し、この法線ベクトルから被測定物の形状を算出する方法である。

【0005】

この法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法は、レーザ光の光路安定性を利用し、ナノメートルオーダーの形状測定を可能にし、しかも、非接触式であることから、形状測定に要する時間を短くすることができる優れた形状測定方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−４３７７９号公報

【特許文献2】特開２００２−２５７５２３号公報

【特許文献3】特開２０１０−３８７９１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

近年、超精密加工機の進歩に伴って、ナノメールオーダーでのワーク形状測定を行なえる測定装置実用化の要請はますます高まっている。現在、法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法を実施する測定装置の実用化に向けて、研究開発が進められているが、実際の超精密加工現場での使用に耐える実用レベルでの実用化には至っていないのが現状である。

【0008】

そこで、本発明の目的は、法線ベクトル追跡型超精密形状測定法によるナノメートルオーダーのワークの超精密形状測定を実用レベルで実現する超精密形状測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記の目的を達成するために、本発明は、
レーザ光を被測定物の被測定面に照射し、計測点での反射光の光軸と入射光の光軸が重なったときの前記計測点における法線ベクトルに基づいて前記被測定物の形状を測定する法線ベクトル追跡型超精密形状測定装置であって、
ベッドと、
前記ベッド上に設置され、レーザ測定系と被測定物との距離を設定するＹ軸方向に延びる案内面を有するベースと、
前記ベッド上に設置された門形フレームと、
前記ベース上にＹ軸方向に移動自在に設置され、制御軸Ｙ軸を有するスライドと、
前記スライド上に設置され、前記被測定物を鉛直軸回りに回転させる回転運動の制御軸Ｃ１軸を有するＣ１軸回転装置と、
前記Ｃ１軸回転装置の上に第１のブラケットを介して水平な姿勢で支持され、前記被測定物を前記Ｙ軸と水平面上で直交するＸ軸回りに回転させる回転運動の制御軸Ａ１を有し、前記被測定物を前記Ｃ１軸の回転中心線と前記Ａ１軸の回転中心線の交点の回転中心に保持する被測定物回転装置と、
前記門形フレームの横桁に設置され、前記レーザ測定系の構成されたレーザヘッドを鉛直軸回りに回転させる制御軸Ｃ２を有するＣ２軸回転装置と、
前記レーザヘッドを前記Ｘ軸回りに回転させる制御軸Ａ２を有し、前記Ｃ２軸回転装置から垂設された第２のブラケットを介して水平な姿勢で支持され、前記Ｃ２軸の回転中心線と前記Ａ２軸の回転中心線の交点の回転中心に前記レーザヘッドを保持するレーザヘッド回転装置と、
を具備したことを特徴とするものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態による超精密形状測定装置を示す斜視図である。

【図2】同超精密形状測定装置を示す正面図である。

【図3】本発明の実施形態による超精密形状測定装置において、レーザヘッドと被測定物の位置関係を示す平面図である。

【図4】本発明の実施形態による超精密形状測定装置において、Ｘ軸方向からみたレーザヘッドと被測定物の位置関係を示す図である。

【図5】レーザヘッドの光学系の説明図である。

【図6】本発明の実施形態による超精密形状測定装置の動作を示す模式図である。

【図7】ベクトル追跡型超精密形状測定方法の原理の説明図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0011】

以下、本発明による超精密形状測定装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
本実施形態による超精密形状測定装置の構成を説明する前に、特許文献１に記載されている法線ベクトル追跡型超精密形状測定法の原理について図７に基づき説明する。

【0012】

この法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法は、レーザ光の直進性を利用して、被測定物の表面における任意の測定点での法線ベクトルを測定し、この法線ベクトルとレーザ光の光路長から被測定物の測定点における傾きと座標を計測して、これらから被測定物の形状を計算して求める測定法である。

【0013】

図７において、参照番号１は、被測定物の表面の曲面を表している。参照番号２は、被測定物１を保持して回転させる試料系を示し、参照番号３は、レーザ光を被測定物１に照射する光源と、その反射光を検出する検出器を備えたレーザ光学系を示している。

【0014】

図７に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を設定すると、試料系２は、Ｘ軸回りに任意の角度βで回転自在であるとともに、Ｚ軸回りでも任意の角度αで回転自在である。ここでＸ軸回りの回転軸をＡ１軸、Ｚ軸回りの回転軸をＣ１軸とする。ここでは、試料系２のＡ１軸、Ｃ１軸はゴニオメータによって構成されている。

【0015】

同様に、光学系３では、光源と検出器Ｄとを一体でＸ軸回りに任意の角度φだけ回転させるＡ２軸と、Ｚ軸回りに任意の角度θで回転させるＣ２軸がゴニオメータによって構成されている。

【0016】

Ａ１軸とＣ１軸の交点である試料系２の回転中心と、Ａ２軸とＣ２軸の交点である光学系３の回転中心とがＹ軸上に設定されている。この場合は、試料系２の回転中心は不動であり、Ｙ軸の直線運動によって、光学系３を移動させて回転中心間の相対距離を変えられるようになっている。なお、光学系３の回転中心の方を固定して、試料系２の方をＹ軸の直線運動で動かすようにしてもよい。

【0017】

まず、図７において、試料系２のＣ１軸、Ａ１軸の回転運動と光学系３のＣ２軸、Ａ２軸の回転運動により、被測定物１の表面上における計測基準点Ｐ０への入射光とその点での反射光とが重なるように調整する。このとき、計測基準点Ｐ０での法線ベクトルは、レーザ光の光軸方向と等しくなる。そして最初の測定基準点Ｐ０は原点（０，０，０）とする。

【0018】

次に、法線ベクトルと一致しているレーザ光の光軸方向と、Ｙ軸とを一致させるとともに、このＹ軸に試料系２の回転中心を設定する。このとき試料系２の回転中心の位置座標をＳ０（０，Ｒy，０）とすると、Ａ１軸の回転角度β、Ｃ１軸の回転角度αはともにゼロである。また、光学系３の回転中心の位置座標をＴ０（０，Ｙ０，０）とすると、Ａ２軸の回転角度β、Ｃ２軸の回転角度αはともにゼロである。そして、光路長Ｌと、測定基準点Ｐ０と試料系２の回転中心のずれ量Ｒｙを別の測定器を用いて測定しておく。

【0019】

次の測定点Ｐ１での法線ベクトルを求めるには、まず、光学系３のＡ２軸、Ｃ２軸の回転運動により、測定点Ｐ１近傍にレーザ光が入射するように調整する。しかる後に、光路長Ｌを一定に保ちながら、光学系３のＹ軸方向の位置を調整しながら試料系２のＡ１軸、Ｃ１軸の回転運動を行い、入射光と反射光を一致させ、４分割フォトダイオードを用いた零位法により法線ベクトルを計測する。

【0020】

ここで、第１測定点Ｐ１での法線ベクトルと、レーザ光の光軸が一致したときの光学系３の位置座標をＴ１（０，Ｙ０＋y01，０）（ｙ01は光学系３の回転中心のＹ軸方向の変位量）、光学系３のＣ２軸、Ａ２軸の変角量を（θ1，φ1）、試料系２のＣ１軸、Ａ１軸の変角量を（α1，β1）とすると、このときの変位量・変角量（ｙ01，θ1，φ1，α1，β1）を法線ベクトル計測値とする。第１測定点Ｐ１における法線ベクトルは、光学系３の変角量（θ1，φ1）と試料系２の変角量を（α1，β1）とから求まり、さらにこの法線ベクトルから被測定物表面の傾きが求まる。また、第１測定点Ｐ１の座標は、光学系３の変位量ｙ01と、光学系３の変角量（θ1，φ1）と試料系２の変角量を（α1，β1）および試料系の回転中心ずれ量Ｒｙから算出することができる。

【0021】

同様にして、任意の測定点Ａiについても同様に法線ベクトル計測値（ｙ0i，θi，φi，αi，βi）を求め、これらの実測値を用いて、特許文献２，３に記載されている形状導出アルゴリズムを利用して、コンピュータで被測定物１の形状を測定する。

【0022】

本発明の超精密形状測定装置は、以上のような法線ベクトル追跡型超精密形状測定方法の原理に基づいて、被測定物の表面をレーザ光で走査して、任意の測定点で法線ベクトル計測値（ｙ0i，θi，φi，αi，βi）の実測データを得るための装置である。

【0023】

次に、図１乃至図６を参照しながら、本実施形態の超精密形状測定装置の構成について説明する。

【0024】

図１並びに図２において、参照番号１０は、ベッドを示す。このベッド１０は、３つのダンパ装置１１によって支持されている。ダンパ装置１１は、内蔵する空気ばねによって床を伝わってくる振動の伝播を遮断し、ベッド１０から上の超精密形状測定装置の本体に振動が伝わらないようにする装置である。

【0025】

ベッド１０の上には、ベース１２と、門型フレーム１４が設置されている。門型フレーム１４は、ベース１２の左右側で鉛直方向に直立した柱フレーム１５と、左右の柱フレーム１５、１５の上部に水平に架け渡された横桁フレーム１６とが一体構造のフレームである。

【0026】

本実施形態の超精密形状測定装置は、直線運動の制御軸としてのＸ軸、Ｙ軸と、回転運動の制御軸としてのＡ１軸、Ａ２軸、Ｃ１軸、Ｃ２軸の合計６軸を有し、これらの６軸が数値制御装置によって制御されるＮＣ制御の測定装置である。

【0027】

ベース１２の上面には、転がり案内からなるＹ軸ガイド１７がＹ軸方向に延びるように設けられており、ベース１２に移動可能に設置されているスライド１８は、Ｙ軸ガイド１７によって精密に直線運動が案内される。この実施形態では、スライド１８は図示しないリニアモータによって駆動される。

【0028】

スライド１８の上には、回転テーブル型のＣ１軸回転装置２０が固定されている。このＣ１軸回転装置２０には、サーボモータや回転軸の空気軸受が組み込まれている。その回転テーブル２１は、Ｘ軸、Ｙ軸に直交する軸回りにＸ−Ｙ平面上を水平な姿勢で回転することができる。

【0029】

回転テーブル２１の上には、サドル２２が設置されている。このサドル２２の上面には、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド２３が設けられており、このサドル２２の上には、Ｘ軸テーブル２４がＸ軸ガイド２３に案内されて移動自在に設置されている。このＸ軸テーブル２４も図示しないリニアモータによって駆動される。

【0030】

Ｘ軸テーブル２４の上面には、Ｌ字形ブラケット３２が固定されており、このＬ字形ブラケット３２によって、被測定物ＷをＸ軸回りに回転させるＡ１軸を有する被測定物回転装置３０が支持されている。被測定物回転装置３０は、そのＡ１軸の回転中心線がＣ１軸回転装置２０のＣ１軸の回転中心線と交わるように配置されている。

【0031】

この実施形態の場合、被測定物回転装置３０は、Ｌ字形ブラケット３２の鉛直部３２ａに取り付けられ、水平部３２ｂはＸ軸テーブルの上面に固定されている。この水平部３２ｂの端部には、被測定物回転装置３０の重量とバランスさせるようにバランスウェイトのブロック３４が複数個取り付けられており、これによって、被測定物回転装置３０の偏荷重によるＬ字形ブラケット３２の傾きを防止し、被測定物回転装置３０の水平度が確保されている。被測定物回転装置３０は、駆動源としてのサーボモータと、回転軸を支持する空気軸受を備えており、図３に示すように、回転軸３６には、被測定物Ｗを保持するホルダー３７が取り付けられている。

【0032】

次に、門形フレーム１４の横桁フレーム１６は、図１に示されるように、箱形のフレーム形状を有しており、この横桁フレーム１６には、回転テーブル型のＣ２軸回転装置４０が設置されている。

【0033】

このＣ２軸回転装置４０は、回転テーブル４２を回転駆動するサーボモータや回転軸の空気軸受が組み込まれており、回転テーブル４２は本体の下側に設けられている。この回転テーブル４２には、水平部４４ａと鉛直部４４ｂからなるＬ字形ブラケット４４が垂設されており、鉛直部４４ｂによって、レーザヘッド４６をＸ軸回りに回転させるＡ２軸を有するレーザヘッド回転装置４８が水平な姿勢で支持されている。L字形ブラケット４４の鉛直部４４ｂの内側面は、Ｌ字形ブラケット３２の鉛直部３２ｂの内側面が向き合うように配置されている。レーザヘッド回転装置４８は、そのＡ２軸の回転中心線がＣ２軸回転装置４０のＣ２軸の回転中心線と交わるように配置されている。

【0034】

Ｌ字形ブラケット４４の水平部４４ａの端部には、レーザヘッド回転装置４８の重量とバランスさせるようにバランスウェイトのブロック４９が複数個取り付けられ、これによって、レーザヘッド回転装置４８の偏荷重によるＬ字形ブラケット４４の傾きを防止し、レーザヘッド回転装置４８の水平度を確保するようになっている。

【0035】

レーザヘッド回転装置４８は、駆動源としてのサーボモータと、回転軸を支持する空気軸受を備えている。図３に示すように、回転軸５０には、ブラケット５１を介してレーザヘッド４６が支持されている。

【0036】

ここで、図３は、被測定物回転装置３０とレーザヘッド回転装置４８との位置関係を示す平面図である。図４は、被測定物Ｗとレーザヘッド４６の位置関係をＸ軸方向から示した図である。
被測定物回転装置３０とレーザヘッド回転装置４８は、Ｘ軸と平行にかつＹ軸方向に間隔をあけるようにして配置されている。被測定物回転装置３０のＡ１軸の回転中心線とレーザヘッド回転装置４８のＡ２軸の回転中心線は同一平面上にある。

【0037】

被測定物回転装置３０では、Ａ１軸の回転中心線とＣ１軸の回転中心線の交点が被測定物Ｗの回転中心になるように、被測定物Ｗが保持されている。同様に、レーザヘッド回転装置４８では、Ａ２軸の回転中心線とＣ２軸の回転中心線の交点がレーザヘッド４６の回転中心である。

【0038】

次に、図５は、レーザヘッド４６の内部に構成されている光学系を示している。図５において、参照番号５０は、レーザ光源である。レーザ光源５０から出たレーザ光は、ビームスプリッター５１により、９０°方向を変えられ、集光レンズ５２を通って被計測物Ｗの表面に入射する。被測定物Ｗの表面で反射した反射光は、集光レンズ５２を通ってさらにスプリッター５１を直進し、ハーフミラー５３を通って、４分割フォトダイオードからなる光軸位置検知器５４で受光される。また、ハーフミラー５３で分光されたレーザ光は、４分割フォトダイオードからなる検知器５５で受光される。この検知器５５は、被測定物Ｗの表面の測定点から光軸位置検知器５４までのＹ軸方向の距離の変化を検知し、光路長が一定になるようにＹ軸を制御するのに利用するものである。

【0039】

本実施形態による超精密形状測定装置は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

【0040】

図６は、本実施形態による超精密形状測定装置の制御軸の構成を模式的に示す図である。
図６に示されるように、被測定物回転装置３０は被測定物ＷをＡ１軸回りに任意の角度βで回転させることができる。また、Ｃ１軸回転装置２０は、被測定物ＷをＣ１軸回りに任意の角度αで回転されることができる。これらのＡ１軸とＣ１軸によって、図１と同様に試料系の回転軸２軸が構成されている。

【0041】

光学系については、レーザヘッド回転装置４８は、レーザヘッド４６をＣ１軸回りに任意の角度φだけ回転させることができる。Ｃ２軸回転装置４０は、レーザヘッド４６をＣ２軸回りに任意の角度θで回転させることができる。これらのＡ２軸とＣ２軸によって、図１と同様に光学系の回転軸２軸が構成されている。

【0042】

さらに、本実施形態の超精密形状測定装置では、Ａ２軸とＣ２軸の交点であるレーザヘッド４６の回転中心は固定であり、Ａ１軸とＣ１軸の交点である被測定物Ｗの回転中心は可動であり、Ｙ軸の直線運動によって、被測定物Ｗを移動させて回転中心間の距離を変えることができる。

【0043】

なお、Ｘ軸の直線運動は、初期設定の際に、被測定物Ｗの回転中心をＸ軸に動かして、Ｙ軸上にレーザヘッド４６の回転中心と被測定物Ｗの回転中心がともにＹ軸上に位置するように調整するのに利用する。

【0044】

次に、法線ベクトル追跡型超精密形状測定の手順について簡単に説明する。
まず、図６において、Ｃ１軸、Ａ１軸による被測定物Ｗの回転運動と、Ｃ２軸、Ａ２軸によるレーザヘッド４６の回転運動により、被測定物Ｗの表面上における測定基準点Ｐ０への入射光とその点での反射光とが同一光軸上に重なるように調整する。このとき、測定基準点Ｐ０における法線ベクトルの方向は、レーザ光の光軸方向であるＹ軸に一致している。また、Ｙ軸上に被測定物Ｗの回転中心が設定される。最初の測定基準点Ｐ０は原点（０，０，０）となる。そして、光路長Ｌと、測定基準点Ａ０と被測定物Ｗの回転中心のずれ量Ｒｙを別の測定器を用いて測定しておく。

【0045】

次の測定点Ｐ１での法線ベクトルを求めるには、まず、Ａ２軸、Ｃ２軸によるレーザヘッド４６の回転運動により、測定点Ｐ１の近傍にレーザ光が入射するように調整する。しかる後に、光路長Ｌを一定に保つように被測定物ＷのＹ軸方向の位置を調整しながらＡ１軸、Ｃ１軸の回転運動を行い、入射光と反射光を一致させ、４分割フォトダイオードを用いた零位法により法線ベクトルを計測する。

【0046】

ここで、計測点Ｐ１での法線ベクトルと、レーザ光の光軸が一致したときの被測定物Ｗの回転中心のＹ軸方向の変位量をｙ01、Ｃ２軸、Ａ２軸の変角量を（θ1，φ1）、Ｃ１軸、Ａ１軸の変角量を（α1，β1）とすると、このときの変位量・変角量（ｙ01，θ1，φ1，α1，β1）を各軸のエンコーダの出力より取り込み法線ベクトル計測値とする。

【0047】

以下、同様にして、任意の測定点Ｐiについてレーザ光を走査し、同様に法線ベクトル計測値（ｙ0i，θi，φi，αi，βi）を求め、これらの実測値を用いて、特許文献２，３に記載されている形状導出アルゴリズムを利用して、コンピュータで被測定物１の形状を測定することができる。

【0048】

このように本実施形態による超整精密形状測定装置によれば、回転運動のＡ１軸、Ｃ１軸、Ａ２軸、Ｃ２軸の位置決め精度は、例えば、１．８×１０^−７rad以下の高精度を有しており、さらに直線軸Ｙ軸の測定精度を、例えば、特許文献３に記載された測定方法を利用して確保することによって、ナノメートルオーダーの形状測定に必要な各測定点における法線ベクトル計測値を得ることができ、しかも従来の接触式の形状測定に比べてはるかに短時間で形状測定を行うことができる。

【0049】

さらに、本実施形態による超精密形状測定装置によれば、Ｃ１軸回転装置２０は、スライド１８の上に載置され、Ｃ２軸回転装置４０は、門形フレーム１４の横桁フレーム１６に載置するというように被測定物Ｗを上下に挟むように配置した上で、被測定物回転装置３０はＬ字形ブラケット３２によって水平な姿勢で支持し、レーザヘッド回転装置４８についてもＬ字形ブラケット４４によってＣ２軸回転装置４０からつり下げるようにして水平な姿勢で支持している。これによって、レーザ光軸が水平な横形の形式でありながら、Ｃ１軸回転装置２０、Ｃ２軸回転装置４０、被測定物回転装置３０、レーザヘッド回転装置４８を狭いスペースを合理的に活用して配置することができ、測定装置全体をコンパクトな実際の超精密加工現場で実用可能な構造にすることができる。しかも、横形であるので、Ｃ１軸、Ｃ２軸が安定して測定精度を高めることができる。

【0050】

なお、以上のような超精密形状測定装置は、恒温室内で温度を一定に保って形状測定が行われる。また、外部の振動は、ダンパ装置１１によって遮断されるので、測定には影響を及ぼすことはない。

【符号の説明】

【0051】

１０…ベッド、１１…ダンパ装置、１２…ベース、１４…門型フレーム、１５…柱フレーム、１６…横桁フレーム、１７…Ｙ軸ガイド、１８…スライド、２０…Ｃ１軸回転装置、２１…回転テーブル、２２…サドル、２４…Ｘ軸テーブル、３０…被測定物回転装置、３２…Ｌ字形ブラケット、３４…バランスウェイト、４０…Ｃ２軸回転装置、４２…回転テーブル、４４…Ｌ字形ブラケット、４６…レーザヘッド、４８…レーザヘッド回転装置、５０…レーザ光源、５１…ビームスプリッター、５２…集光レンズ、５３…ハーフミラー、５４…光軸位置検知器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】