(57)【要約】【課題】被測定物の表面形状を精密に測定したい場合には、測定のためのセンサを備えるヘッドに多くの移動自由度を与えたいが、駆動系のためにヘッドが重くなり、また複雑な制御を要するために、測定速度が遅くなってしまう問題があった。【解決手段】少なくとも一部が略回転対称の形状を有する被測定物の回転対称面の表面形状を測定する表面形状測定装置は、表面形状を測定する測定器と、測定器を支持する支持体と、支持体を回転対称面に対して移動させる駆動部とを備え、駆動部は、測定器を回転対称面に近づける方向を含む一平面内で支持体を平行移動させることができ、かつ、当該一平面に垂直な垂直軸周りに支持体を回転移動させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が略回転対称の形状を有する被測定物の回転対称面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記表面形状を測定するための測定器と、
前記測定器を支持する支持体と、
前記測定器を前記回転対称面に近づける方向を含む一平面内での平行移動と、前記一平面に垂直な垂直軸周りの回転移動の３自由度で前記支持体を移動させる駆動部と
を備える表面形状測定装置。
【請求項２】
前記測定器は、第１プローブ光を用いて前記回転対称面の測定点における傾きを測定するための角度測定器を含む請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記測定器は、第２プローブ光を用いて前記回転対称面の測定点までの距離を測定するための距離測定器を含む請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物を支持するステージと、
前記回転対称面の回転対称軸周りに前記ステージを回転移動させる作動部と
を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記測定器、前記駆動部および前記作動部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記支持体を前記回転対称面の一方向に沿って走査させ、前記ステージを前記回転対称軸周りに回転移動させて前記表面形状を測定する請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記測定器の予め定められた一箇所と前記回転対称面の測定点における接平面とが対向し、かつ、前記一箇所と前記測定点の距離が一定距離となるように、前記支持体を走査させる請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記測定器が測定する前記回転対称面の測定点が前記回転対称面上で放射状の軌跡を描くように前記測定器、前記駆動部および前記作動部を制御する請求項５または６に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記測定器が測定する前記回転対称面の測定点が前記回転対称面上で渦巻きの軌跡を描くように前記測定器、前記駆動部および前記作動部を制御する請求項５または６に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
前記垂直軸周りに対する前記支持体の回転角を検出する検出部を更に備え、
前記支持体は、前記測定器が設置された第１支持体と、前記第１支持体を支持する第２支持体とを含み、
前記駆動部は、前記第２支持体に対して前記第１支持体を前記垂直軸周りに回転移動させ、前記第２支持体を支持する基台部に対して前記第２支持体を前記一平面内で平行移動させ、
前記検出部は、前記回転移動による前記第１支持体の第１回転角を検出する第１検出器と、前記平行移動に伴って生じる前記第２支持体の揺動に対する第２回転角を検出する第２検出器とを含む請求項１から８のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
前記第１検出器は、ロータリエンコーダにより構成され、前記第２検出器は、少なくとも２つのレーザー光波干渉式測長器により構成される請求項９に記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】
前記第２検出器は、２つの前記レーザー光波干渉式測長器による、前記基台部と前記第２支持体の間のそれぞれの検出距離の差に基づいて前記第２回転角を検出すると共に、前記第２支持体の平行移動における一方向の移動量を検出する請求項１０に記載の表面形状測定装置。
【請求項１２】
前記レーザー光波干渉式測長器を構成するレーザー投光部は前記第２支持体に設置され、レーザー反射部は前記基台部に設置される請求項１０または１１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１３】
少なくとも一部が略回転対称の形状を有する被測定物の回転対称面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記表面形状を測定するための測定器と、
前記測定器を支持する支持体と、
前記支持体を前記回転対称面に対して移動させる駆動部と、
前記駆動部により前記支持体を、前記測定器を前記回転対称面に近づける方向を含む一平面内で平行移動させる制御と、前記一平面に垂直な垂直軸周りに回転移動させる制御の、３自由度の移動制御によって前記表面形状の測定を実行する制御部と
を備える表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の形状を非接触で測定する形状測定装置として、レーザー測長器を利用した形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。また、測定面の位置と傾斜角度とから被測定物の形状を測定する形状測定装置が提案されている（例えば特許文献２）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開平１１−５１６２４号公報
［特許文献１］特開２００３−１６１６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
被測定物の表面形状を精密に測定したい場合には、測定のためのセンサを備えるヘッドに多くの移動自由度を与えたいが、駆動系のためにヘッドが重くなり、また複雑な制御を要するために、測定速度が遅くなってしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題を解決する第１の態様の表面形状測定装置は、少なくとも一部が略回転対称の形状を有する被測定物の回転対称面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、表面形状を測定するための測定器と、測定器を支持する支持体と、測定器を回転対称面に近づける方向を含む一平面内での平行移動と、一平面に垂直な垂直軸周りの回転移動の３自由度で支持体を移動させる駆動部とを備える。
【０００５】
前記課題を解決する第２の態様の表面形状測定装置は、少なくとも一部が略回転対称の形状を有する被測定物の回転対称面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、表面形状を測定するための測定器と、測定器を支持する支持体と、支持体を回転対称面に対して移動させる駆動部と、駆動部により支持体を、測定器を回転対称面に近づける方向を含む一平面内で平行移動させる制御と、一平面に垂直な垂直軸周りに回転移動させる制御の、３自由度の移動制御によって表面形状の測定を実行する制御部とを備える。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る表面形状測定装置の全体を示す概略図である。
【図２】表面形状測定装置のシステム構成図である。
【図３】被測定物の例を示す斜視図である。
【図４】測定する表面形状を説明する断面図および拡大図である。
【図５】測定ユニットの構成と距離と角度の測定原理を説明する説明図である。
【図６】表面形状の導出を説明する説明図である。
【図７】被測定物とヘッドの相対移動を説明する説明図である。
【図８】測定面の測定経路を説明する説明図である。
【図９】第２支持体の動作を説明する説明図である。
【図１０】第２支持体の回転角を検出する検出手法を説明する説明図である。
【図１１】ヘッドの回転角を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る表面形状測定装置１０の全体を示す概略図である。表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面に特化した、表面形状を厳密に測定する装置である。なお、本実施形態の説明において「表面形状」という場合は、表面の幾何学的形状そのものを指す場合と、その形状の凹凸量、角度、これらを含む計測結果、形状データといった形状情報を指す場合とがある。
【００１０】
表面形状測定装置１０は、基台部としてのベース１００と、ベース１００に堅固に固定された第１フレーム１４０および第２フレーム１５０とを含む。表面形状測定装置１０のうちセンシングに関わる各要素は、これらベース１００、第１フレーム１４０および第２フレーム１５０の何れかに直接的あるいは間接的に組み付けられている。
【００１１】
ベース１００の上面は水平面であり、水平面内の一軸をｘ軸、水平面内であってｘ軸に直交する一軸をｙ軸と定める。また、水平面に直交する鉛直方向にｚ軸を定める。また、鉛直方向上向きをｚ軸の正方向とする。なお、以降の各図は、上記の定義に従って図１に示すｘｙｚ座標系を基準として、いずれの方向から観察した図であるかを明示している。
【００１２】
ベース１００の上面には、ＸＹステージ１６０が積み重ねられており、ＸＹステージ１６０は、ベース１００の上面をｘｙ方向に平行移動できるとともに、ｚ軸周りに回転移動できる。なお、以降の説明においては、ｚ軸周りの回転移動を、θｚ方向の回転などと称する場合がある。
【００１３】
ＸＹステージ１６０は、被測定物２００の設置台としての機能を担い、チャック１６１を介して被測定物２００を固定する。被測定物２００は、測定面２０１と保持部２０２を含み、チャック１６１は、保持部２０２を挟持する。測定対象である測定面２０１は、図１の姿勢においてｚ軸と平行な回転対称軸を有する略回転対称面である。ここで、略回転対称面とは、正確な回転対称面ではなく、その表面に微小な凹凸が非対称に存在することを意味する。このような微少な凹凸は、例えば測定面が球面レンズである場合、製造過程の研磨作業において生じる加工誤差として生成し得る。本実施形態に係る表面形状測定装置１０は、全体としては回転対称面であるが、局所的に拡大して観察した場合に微小な凹凸が偏在するような測定面を測定して、そのような凹凸形状の情報を含む、より精度の高い表面形状情報を取得する装置である。
【００１４】
被測定物２００は、測定面２０１の回転対称軸と、ＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転軸とが一致するように、ＸＹステージ１６０に設置される。このように設置された被測定物２００の測定面２０１は、回転対称軸周りに回転移動されて表面形状が測定される。
【００１５】
第１フレーム１４０は、ベース１００からｚ軸方向へ垂直に立ち上げられた支持フレームである。第１フレーム１４０は、そのｙｚ面の上方で第２支持体１３０を支持し、第２支持体１３０は、第１フレーム１４０に支持された面とは反対側の面で第１支持体１２０を支持する。第１支持体１２０は、第２支持体１３０に支持された面とは反対側の面で測定ユニット１１０を支持する。測定ユニット１１０は、ＸＹステージ１６０に設置された被測定物２００の上方の空間に位置する。測定ユニット１１０、第１支持体１２０および第２支持体１３０は、測定面２０１に対して相対移動するヘッドを構成する要素である。
【００１６】
第２支持体１３０は、第１フレーム１４０に配設された後述するアクチュエータの駆動力と相互に跨いで配設された伝達機構とにより、第１フレーム１４０に対してｙｚ平面内で平行移動することができる。ここで、ｚ軸マイナス方向は、図示するように、表面形状測定装置１０の初期状態において被測定物２００の測定面２０１に近づく方向である。第１支持体１２０は、第２支持体１３０に配設された後述するアクチュエータの駆動力と相互に跨いで配設された伝達機構とにより、第２支持体１３０に対してｘ軸周りに回転移動することができる。なお、以降の説明においては、ｘ軸周りの回転移動を、θｘ方向の回転などと称する場合がある。第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｚ方向の移動量は、後述するＺセンサ１５５により検出される。
【００１７】
第１支持体１２０のθｘ方向の回転角は、第２支持体１３０に配設されたロータリエンコーダ１３１によって検出される。測定ユニット１１０は、距離測定器１１１、角度測定器１１２およびこれらを支持するホルダー１１３を含む。距離測定器１１１は、測定面２０１上の測定点までの距離を測定し、角度測定器１１２は、同測定点における測定面の傾きを測定する。具体的な構成については、図を用いて後に説明する。測定ユニット１１０は、ホルダー１１３が第１支持体１２０に固定されており、第１支持体１２０に対して相対的に移動することはない。
【００１８】
このような構成により、測定面２０１の表面形状を測定するための測定ユニット１１０は、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面であるｙｚ平面内での平行移動と、当該平面に垂直なｘ軸周りの回転移動（θｘ方向の回転移動）との３自由度により移動し得る。本実施例においては、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面としてｙｚ平面を採用しているが、測定面２０１へ近づく方向を含む一平面内で測定ユニット１１０が移動できれば良い。換言すれば、被測定物２００をＸＹステージ１６０に設置して測定位置まで移動したときに、測定面２０１と交差する一平面内で測定ユニット１１０が移動できるように、一平面を設定すれば良い。
【００１９】
第２フレーム１５０は、ベース１００からｚ軸方向へ垂直に立ち上げられた支持フレームである。第２フレーム１５０は、そのｘｚ面の上方で干渉計ユニット１５１を固定して支持する。干渉計ユニット１５１は、第２支持体１３０のｙ方向の移動量とθｘ方向の回転角を検出するセンサユニットである。干渉計ユニット１５１は、具体的には、それぞれがレーザー光波干渉式測長器である、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４を含む。第１干渉計１５３のレーザー投光部と第２干渉計１５４のレーザー投光部は、ｚ軸方向に沿って離間して配設されている。干渉計ユニット１５１の具体的な構成については、図を用いて後に説明する。
【００２０】
第１フレーム１４０と第２フレーム１５０は、図１においてはそれぞれが独立してベース１００に固定された態様を示す。第２フレーム１５０は、精密測定を行う干渉計ユニット１５１を支持しているので、移動体であるヘッドを支持して振動し得る第１フレーム１４０と直接的にフレーム接続されないことが好ましい。
【００２１】
制御ユニット１８０は、例えばＣＰＵによって構成されるシステム制御部１８１と、ユーザからの入力を受け付け、測定した表面形状情報を呈示するユーザインタフェース１８２とを含む。システム制御部１８１は、表面形状測定装置１０の全体を制御する。ユーザインタフェース１８２は、例えばユーザからの入力を受け付けるタッチパネルを備えた液晶ディスプレイを含む。
【００２２】
図２は、表面形状測定装置１０のシステム構成図である。具体的には、システム制御部１８１が実行する制御について、主な制御対象との関係を示す図である。
【００２３】
システム制御部１８１は、図の右列に並ぶ各制御対象に制御信号を送って一連の測定シーケンスを制御する測定制御部１８６と、センシング結果を受け取って表面形状を同定するための各種演算を実行する演算部１８７とを包含する。測定制御部１８６と演算部１８７は、それぞれがＣＰＵの仮想的な機能部であっても良いし、少なくとも一部がＣＰＵとは独立したＡＳＩＣなどのハードウェア構成を有しても良い。
【００２４】
ユーザインタフェース１８２は、ユーザから測定に関する条件、被測定物２００の基礎情報、測定の開始指示などの入力を受け付けて、システム制御部１８１へ送る。また、ユーザインタフェース１８２は、測定制御部１８６が実行する測定シーケンスの進捗状況や、演算部１８７が演算した表面形状情報を、システム制御部１８１から受け取って表示する。
【００２５】
制御ユニット１８０は、例えばフラッシュメモリによって構成される、メモリ１８３を備える。メモリ１８３は、複数の記憶媒体によって構成されても良い。メモリ１８３は、測定制御部１８６が実行する測定制御プログラム、演算部１８７が実行する演算プログラムを含む、システム制御部１８１が実行する各種プログラムを記憶している。また、メモリ１８３は、演算部１８７が実行する演算等のワークメモリとしても機能する。また、メモリ１８３は、ユーザインタフェース１８２を介してユーザによって入力されたり、ネットワークを介して外部機器から送られてきたりする、各種パラメータやデータを保管する機能も有する。
【００２６】
測定制御部１８６は、測定ユニット１１０を構成する距離測定器１１１と角度測定器１１２を制御する。測定制御部１８６は、距離測定器１１１に距離測定を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。同様に、角度測定器１１２に角度測定を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。
【００２７】
測定制御部１８６は、第１支持体１２０を第２支持体１３０に対してθｘ方向へ回転させるθｘ駆動モータ１３２を制御する。θｘ駆動モータ１３２は、第２支持体１３０に配設されている上述のアクチュエータであり、例えばブラシレスモータを用いることができる。測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をθｘ方向に回転移動させたい場合に、その回転角に応じた駆動信号をθｘ駆動モータ１３２へ送信する。
【００２８】
測定制御部１８６は、第２支持体１３０を第１フレーム１４０に対してｙｚ方向へ移動させるＹＺ駆動モータ１４１を制御する。ＹＺ駆動モータ１４１は、第１フレーム１４０に配設されている上述のアクチュエータであり、ｙ方向とｚ方向のそれぞれに対応する例えば２つのブラシレスモータを用いることができる。測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をｙｚ方向に平行移動させたい場合に、その移動量に応じた駆動信号をＹＺ駆動モータ１４１へ送信する。すなわち、上述のように測定ユニット１１０は、ｙｚ平面内での平行移動とｘ軸周りの回転移動の３自由度により移動し得るが、この移動は、駆動部としてのＹＺ駆動モータ１４１とθｘ駆動モータ１３２により実現される。
【００２９】
測定制御部１８６は、ロータリエンコーダ１３１に回転角検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。同様に、測定制御部１８６は、干渉計ユニット１５１に距離検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。演算部１８７は、受け取った当該出力から、第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｙ方向の移動量およびθｘ方向の回転角を演算する。
【００３０】
測定制御部１８６は、Ｚセンサ１５５に距離検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。Ｚセンサ１５５は、第１フレーム１４０に対する第２支持体１３０のｚ方向の移動量を検出する距離センサである。Ｚセンサ１５５は、例えばひとつのレーザー光波干渉式測長器によって構成される。
【００３１】
測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をベース１００に対してθｚ方向へ回転させるθｚ駆動モータ１０１を制御する。θｚ駆動モータ１０１は、ベース１００に配設されている、例えばブラシレスモータである。測定制御部１８６は、被測定物２００の測定面２０１をθｚ方向に回転移動させたい場合に、その回転角に応じた駆動信号をθｚ駆動モータ１０１へ送信する。
【００３２】
測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をベース１００に対してｘｙ方向へ移動させるＸＹ駆動モータ１０２を制御する。ＸＹ駆動モータ１０２は、ベース１００に配設されている、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに対応する例えば２つのブラシレスモータである。測定制御部１８６は、被測定物２００の測定面２０１をｘｙ方向に平行移動させたい場合に、その移動量に応じた駆動信号をＸＹ駆動モータ１０２へ送信する。
【００３３】
測定制御部１８６は、θｚセンサ１０３に回転角検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。θｚセンサ１０３は、ベース１００に対するＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転角を検出する回転角検出センサである。θｚセンサ１０３は、例えばロータリエンコーダによって構成される。
【００３４】
測定制御部１８６は、ＸＹセンサ１０４に移動量検出を開始させる制御信号を送り、その出力を受け取る。測定制御部１８６は、受け取った出力を演算部１８７へ引き渡す。ＸＹセンサ１０４は、ベース１００に対するＸＹステージ１６０のｘｙ方向の移動量を検出する移動量検出センサである。ＸＹセンサ１０４は、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに向けて配設された例えば２つのレーザー光波干渉式測長器によって構成される。
【００３５】
次に被測定物について説明する。図３（ａ）は、本実施形態における表面形状測定装置１０が測定する測定物の例としての被測定物２００を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、他の測定物の例としての被測定物２００'を示す斜視図である。
【００３６】
上述のように、本実施形態における表面形状測定装置１０は、略回転対称面の表面形状を厳密に測定する装置であるので、被測定物の表面の少なくとも一部は、略回転対称面である。被測定物２００の測定面２０１は、ｚ軸プラス方向へ突出する球面である。回転対称軸２１０をｚ軸、半径をｃとした場合、測定面２０１はおよそ、ｘｚ平面の第１象限における（ｃ２―ｘ２）１／２をｚ軸周りに一回転して得られる形状を成す。
【００３７】
測定面は、ｘｚ平面の第１象限で表された関数をｚ軸周りに一回転して得られる形状であれば良く、被測定物２００'の測定面２０１'のように、頂面が凹部となっているような形状であっても良い。なお、図示する被測定物２００、２００'は、チャック１６１に固定されやすいようにそれぞれ保持部２０２、２０２'を備えるが、このような保持部を備えない被測定物であっても、例えば治具を介してＸＹステージ１６０に固定されれば表面形状を測定できる。
【００３８】
図４は、測定する表面形状を説明する断面図および拡大図である。図４の断面図は、図３（ａ）に示す、回転対称軸２１０を含む平面Ａによる被測定物２００の切断面を表す。上述のように、被測定面２０１は、全体としては回転対称面であるが、局所的に拡大視すると微小な凹凸が存在する。本実施形態においては、ｘｙ平面への投影形状外縁がφ１００ｍｍ程度（図中のｒ）となる測定面を想定している。このとき、後述する測定ユニットの構成および測定原理に従えば、凹凸の深さ方向に対する分解能を１ｎｍ程度にすることができる。ここで、「分解能」は、演算された生データとして測定対象物の形状を識別し得る最も細かい単位であり、測定結果として確からしさが保証される「精度」は、本実施形態においては、１０ｎｍ程度となる。ただし、これらのオーダーは、装置構成、センサ性能等によって変更され得る。なお、凹凸の深さ方向とは、拡大図中に示す矢印の方向である。より具体的には、回転対称面（拡大図中の点線）に直交する方向である。
【００３９】
次に測定ユニット１１０について説明する。図５は、測定ユニット１１０の構成と測定原理を説明する説明図である。特に図５（ａ）は、距離測定器１１１の構成と測定原理を説明する図であり、図５（ｂ）は、角度測定器１１２の構成と測定原理を説明する図である。いずれの図も、測定面２０１の頂点が原点座標に位置する場合に頂点を測定点とする様子を例として表す。
【００４０】
距離測定器１１１は、第１プローブ光を発生する第１光源１１１１、第１光源１１１１により発生された第１プローブ光（第１照射光ＰＬ１）を集光して測定面２０１上の測定点に照射する集光レンズ１１１２、測定点で反射された第１プローブ光（第１反射光ＲＬ１）を集光する集光レンズ１１１３、第１反射光ＲＬ１の位置を検出する光検出器１１１４などから構成される。
【００４１】
角度測定器１１２は、第２プローブ光を発生する第２光源１１２１、第２光源１１２１により発生された第２プローブ光（第２照射光ＰＬ２）を集光して測定面２０１上の測定点に照射する集光レンズ１１２２、測定点で反射された第２プローブ光（第２反射光ＲＬ２）をコリメートするコリメートレンズ１１２３、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する光検出器１１２４などから構成される。
【００４２】
第１光源１１１１及び第２光源１１２１は、発振波長、光出力、ビームポインティング等を安定化させたレーザー光源であり、例えばファイバーレーザーやＤＦＢ半導体レーザーなどが用いられる。第１光源１１１１及び第２光源１１２１の出力部にはコリメータが設けられており、各光源から平行光束化された第１照射光ＰＬ１、第２照射光ＰＬ２が出力される。光検出器１１１４，１１２４はそれぞれ第１反射光ＲＬ１、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する検出器であり、例えば、ＱＰＤ（四分割光検出器）、ＣＭＯＳ等の撮像素子などを用いることができる。
【００４３】
距離測定器１１１では、第１光源１１１１から出射した第１照射光ＰＬ１が集光レンズ１１１２により集光されて測定点に入射する。測定点で反射した第１反射光ＲＬ１は集光レンズ１１１３により集光されて光検出器１１１４に入射する。この距離測定器１１１では、測定点における反射面の傾きが変化（チルト）しても光検出器１１１４に集光されて入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置は変化しない。一方、測定点の位置が上下方向（ｚ軸方向）に変化（シフト）すると光検出器１１１４に集光されて入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置が変化する。そのため、光検出器１１１４から測定制御部１８６へ出力される位置検出信号により、測定ユニット１１０の基準位置ｚ０から測定点までの距離ｄｓを算出することができる。なお、基準位置ｚ０は、例えば、第１支持体１２０をθｘ方向に回転させる回転軸のｚ座標としても良いし、測定面２０１に対向させるときの測定ユニット１１０の基準面におけるｚ座標としても良い。
【００４４】
角度測定器１１２では、第２光源１１２１から出射した第２照射光ＰＬ２が集光レンズ１１２２により集光されて測定点に入射する。測定点で反射した第２反射光ＲＬ２はコリメートレンズ１１２３によりコリメートされて光検出器１１２４に入射する。この角度測定器１１２では、測定点の位置が上下方向に変化（シフト）しても光検出器１１２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置はほとんど変化しない。一方、測定点における反射面の傾きが変化（チルト）すると光検出器１１２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置が変化する。そのため、光検出器１１２４から測定制御部１８６へ出力される角度検出信号により、測定点における反射面の反射角θｓを算出でき、さらに反射面の傾きである傾斜角度（後述）を算出することができる。
【００４５】
本実施形態においては、距離測定器１１１と角度測定器１１２は、測定点における反射面の傾きが０である場合の、第１照射光ＰＬ１と第１反射光ＲＬ１の張る第１基準面と、第２照射光ＰＬ２と第２反射光ＲＬ２の張る第２基準面とが、互いに直交するように調整されてホルダー１１３に固定されている。図の位置においては、第１基準面はｘｚ平面であり、第２基準面はｙｚ平面である。また、距離測定器１１１と角度測定器１１２は、基準位置ｚ０からの基準距離ｄ０において、それぞれのプローブ光の反射点（測定点）が重なるように調整されてホルダー１１３に固定されている。なお、図５は、ｚ０＝ｄ０＝ｄｓとして描かれている。
【００４６】
次に表面形状を導出する手法について説明する。図６は、表面形状の導出を説明する説明図である。測定ユニット１１０は、図において紙面左側から右側へ走査され、サンプリング間隔Ｌごとに測定を行うこととする。図は、サンプリング回数をｎとすると、ｎ＝ｉ回目の測定とｎ＝ｉ＋１回目の測定における測定面２０１の表面形状を表している。
【００４７】
上述のように、本実施形態に係る表面形状測定装置１０の凹凸の深さ方向に対する精度は１０ｎｍ程度である。１０ｎｍの精度を距離測定器１１１のみで得ようとすれば、そのまま１０ｎｍの出力精度を有する距離計を用意する必要がある。そのような距離計は、高価であったり、巨大であったりしてあまり実用的ではない。そこで、本実施形態に係る表面形状測定装置１０では、距離測定器１１１自体は、目標とする精度より粗い精度の性能しか有しない距離計とし、距離測定器１１１に加えて角度測定器１１２を併せて設置している。
【００４８】
図示するように、ｎ＝ｉ回目の測定で角度測定器１１２の出力から、反射面の傾きである傾斜角度がαｉ（ｒａｄ）と算出されたら、αｉが微小角である場合には、ｎ＝ｉ回目の測定点までの深さ方向の変位量はＬαｉと近似される。したがって、ｎ＝ｉ回目の奥行き方向の座標がｆ（ｉ）であると、ｎ＝ｉ＋１回目の座標ｆ（ｉ＋１）は、ｆ（ｉ）＋Ｌαｉと算出される。
【００４９】
ここで、Ｌαｉが１０ｎｍである場合には、Ｌ＝１ｍｍとして、αｉは１０μｒａｄである。つまり、角度測定器１１２の出力精度として１０μｒａｄの能力を有していれば、サンプリング間隔を１ｍｍ程度にしても奥行き方向に対して１０ｎｍの精度で計測することができることになる。１０ｎｍの出力精度を有する距離測定器を用意するよりは、１０μｒａｄの出力精度を有する角度測定器を用意して、サンプリング間隔を１ｍｍで制御する方が、表面形状測定装置を構成しやすい。また、Ｌ＝１ｍｍのサンプリング制御は比較的容易であるので、より短いサンプリング間隔を採用すれば更に奥行き方向の精度を上げることができる。
【００５０】
一方で、角度測定器１１２が目標とする測定点と第２プローブ光の反射点とを一致させるために、距離測定器１１１があることが望ましい。すなわち、距離測定器１１１の出力を監視しながら測定ユニット１１０の基準位置ｚ０と測定面２０１までの距離を基準距離ｄ０に保って走査すると、距離測定器１１１と角度測定器１１２の両測定点は一致するので、測定制御部１８６は、角度測定器１１２が測定している測定点を精確に把握することができる。距離測定器１１１を併設しない場合には、角度測定器１１２による測定点座標を精確に把握するための別途の装置を用意する必要がある。
【００５１】
ここで、測定面２０１までの距離を基準距離ｄ０に保つ場合の当該距離の誤差範囲は、角度測定器１１２を用いて測定しようとする奥行き方向の精度に比べて遥かに大きくて良い。すなわち、距離測定器１１１に必要とされる出力精度は、測定しようとする奥行き方向の精度に比べて粗くて良いと言える。例えば、測定しようとする奥行き方向の精度が１０ｎｍ程度である場合には、１０μｍ程度で良い。
【００５２】
次に測定時の被測定物２００とヘッドの動作について説明する。図７は、被測定物２００とヘッドの相対移動を説明する説明図である。ここで、ヘッドの基準位置１１５は、第１支持体１２０をθｘ方向に回転させる回転軸上に設定されている。
【００５３】
図７（ａ）は、回転対称面の頂点を測定可能な初期状態の様子を示す。測定制御部１８６は、ユーザの入力等により、被測定物２００の基礎情報として回転対称面情報を取得している。ただし、当該回転対称面情報は、例えば設計データであり、加工等によって生じた微少な凹凸の情報は含まない。
【００５４】
測定制御部１８６は、取得した回転対称面情報を用いて、測定面２０１である回転対称面の頂点の上方ｄ０に基準位置１１５が位置するように、第１支持体１２０、第２支持体１３０およびＸＹステージ１６０を移動させる。このとき、測定制御部１８６は、測定ユニット１１０が頂点の接平面に対向するように移動させる。以降の走査においても、測定制御部１８６は、取得した回転対称面情報から算出される測定点における接平面に、測定ユニット１１０が対向するように制御する。測定ユニット１１０が接平面に対向するとは、当該接平面が上述の第１基準面とも第２基準面とも直交することに等しい。
【００５５】
図７（ｂ）は、測定点が測定面２０１の頂点から少し外周側に移った様子を示す。測定制御部１８６は、第２支持体１３０をｙ方向およびｚ軸方向に平行移動させると共に、第１支持体１２０をθｘ方向に回転移動させる。より具体的には、ターゲットとする測定点における接平面と測定ユニット１１０が対向しつつ、基準位置１１５との距離がｄ０を保つように移動させる。測定制御部１８６は、並行して、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させる。
【００５６】
このとき、測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０をｘｙ方向へ平行移動させない。測定制御部１８６は、ユーザが被測定物２００をＸＹステージ１６０に設置した後に、被測定物２００を初期状態の位置へ移動させる場合にＸＹステージ１６０をｘｙ方向の平行移動に移動させるが、測定面２０１を測定する測定シーケンス中には平行移動を実行しない。したがって、被測定物２００を初期状態の位置へ移動させる場合にＸＹステージ１６０のｘｙ方向への移動機能は有用であるが、当該移動機能を省くこともできる。
【００５７】
また、測定制御部１８６は、測定ユニット１１０を初期状態の位置へ移動させる場合にＺセンサ１５５の出力を利用する。しかし、測定ユニット１１０が初期状態に到達した後の走査においては、測定制御部１８６は、距離測定器１１１の出力によりｚ方向の位置を把握することができるので、Ｚセンサ１５５の出力を監視しなくても良い。
【００５８】
図７（ｃ）は、測定点がさらに外周側に移った様子を示す。測定制御部１８６は、第２支持体１３０をさらにｙ方向およびｚ方向に平行移動させると共に、第１支持体１２０をさらにθｘ方向に回転移動させる。測定制御部１８６は、ＸＹステージ１６０のθｚ方向への回転移動を継続する。
【００５９】
図７（ａ）から図７（ｃ）への推移からも明らかなように、測定面２０１に対するヘッドの走査はｙ軸に沿う方向のみであり、ｘ方向への平行移動を伴っていない。また、ｙ方向の走査も、図においてｙの負の領域のみであり、正の領域では走査を行っていない。すなわち、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させることにより、このような簡単な移動制御で測定面の全体を測定することができる。換言すれば、回転対称面の表面形状を測定するという特化した目的に合わせ、ヘッドが備えるべき自由度と測定物を設置するステージが備えるべき自由度を最適化している。これにより、ヘッドの駆動構成およびステージの駆動構成をそれぞれ簡易化させることができた。特にヘッドの駆動構成の簡易化は、ヘッドの軽量化に貢献し、ヘッドの移動の高速化にも寄与する。
【００６０】
別言すれば、本実施形態における表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面に特化した測定装置であるので、様々な表面を測定する汎用測定装置のように、複雑な機構や多くのアクチュエータを備えた６自由度のヘッドを備える必要が無い。６自由度の移動を精確に制御するためには、大型の駆動機構をヘッドに配置する必要が生じ、さらには、ヘッドの位置を検出するための検出系装置を多数配置する必要も生じる。ヘッドに多くの自由度を持たせるほど移動誤差の累積も指数関数的に大きくなるので、これを低減するには更に大きな駆動機構を設けたり、精度の高い検出センサを設けたりする必要がある。すると、装置の高コスト化を招くばかりでなく、ヘッドの重量が増大するために検出速度が著しく低下してしまう。
【００６１】
本実施形態における表面形状測定装置１０は、より高精度に、より高速に回転対称面の表面形状を測定するための装置であるので、ヘッドの重量増大はその目的に反してしまう。すなわち、表面形状を高速に測定するためにはヘッドの重量増大を抑制することが重要である。この観点において表面形状測定装置１０は、ヘッドに与える自由度を最小化することで、ヘッドの重量増大を抑制している。多種多様の表面形状に対応する汎用測定装置とは異なり、本実施形態における表面形状測定装置１０は、測定対象を回転対称面という特定の表面に特化して、その幾何学的な性質を最大限に利用することにより、どの方向にどのような自由度を持たせれば良いかを最適化している。これにより、測定誤差を最小化しつつもヘッドの軽量化に成功している。
【００６２】
また、表面形状測定装置１０は、被測定物２００を設置したＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させて、回転対称面を測定する。回転対称面である以上、被測定物２００が目標位置に正しく設置されていれば、簡易的には上述の３自由度で移動するヘッドによって測定される測定結果でも、一定水準の結果として満足し得る。しかし、ＸＹステージ１６０をθｚ方向に回転移動させることにより、回転対称面の全体を測定することができるので、回転対称軸に対して非対称な位置に存在する凹凸も精確に見つけることができる。なお、θｚ方向に回転移動はＸＹステージ１６０が担うので、ヘッドの重量化には関与せず、測定の高速化に対して不利益を生じない。
【００６３】
図８は、測定面２０１の測定経路を説明する説明図である。図８（ａ）は、図７を用いて説明した制御によって描かれる測定経路をｚ方向から観察した様子を示す。ここで、測定経路とは、隣り合う測定点を結んだときに得られる軌跡である。
【００６４】
始点は、回転対称面の頂点であり、図７（ａ）で図示した初期状態に対応する。図からも明らかなように、測定経路は渦巻き状になる。この経路に沿って測定されると、測定制御部１８６は、この経路に沿った順に角度測定器１１２からの出力を受け取る。しかし、例えば図中のＣのラインに沿った切断面における断面図を得たい場合には、Ｃのラインと渦巻き経路が交差する×印の測定結果を抽出して並び替えれば良い。同様にＤのラインに沿った切断面に沿った断面図を得たい場合には、Ｄのラインと渦巻き経路が交差する□印の測定結果を抽出して並び替えれば良い。交差する点が測定点でなかった場合には、周囲の測定点の測定結果から補間して算出すれば良い。
【００６５】
なお、角度測定器１１２の出力から算出される測定点の傾斜角度は、回転対称面情報から算出される測定点における接平面と、測定点における実際の接平面との成す角として算出される。したがって、ある経路に沿った奥行き方向の深さを算出する場合には、その方向に沿った角度に変換した上で図６を用いて説明した演算を行う。なお、角度測定器１１２からの出力を得て表面形状を算出するまでの演算は、演算部１８７が実行する。
【００６６】
図８（ｂ）は、他の例の測定経路をｚ方向から観察した様子を示す。上述の補間を行うことなく、特定の切断面における断面形状情報を得たい場合には、図示するように、頂点を中心とする放射状の軌跡を描くように測定経路を設定すると良い。複数の断面形状情報を得たい場合は、始点を頂点ではなく、測定面２０１の端部寄りに設定すれば、一筆書きで測定経路を設定することができる。このような測定経路を設定する場合は、測定制御部１８６は、ヘッドを図７で説明したｙの正の領域にも移動させて走査を実行する。また、測定制御部１８６は、図中の円弧の経路を移動させる場合にのみ、ＸＹステージ１６０のθｚ方向の回転移動を実行する。このとき、測定制御部１８６は、第１支持体１２０および第２支持体１３０の移動を行わない。
【００６７】
次に、第２支持体１３０の動作について説明する。図９は、第２支持体１３０の動作を説明する説明図である。上述のとおり、第２支持体１３０は、ＹＺ駆動モータ１４１が測定制御部１８６からｙ方向への移動を指示する制御信号、ｚ方向への移動を指示する制御信号を受けて生成する駆動力により移動する。
【００６８】
しかし、第２支持体１３０は、実際には、制御信号通りに平行移動することが困難である。例えば、図示するように、測定制御部１８６の制御信号に従って第２支持体１３０がｙマイナス方向へ平行移動する場合、本来であれば点線で示すように第２支持体１３０の姿勢は維持されるべきであるが、実際には実線で示すように、θｘ方向にΔθの回転移動を伴ってしまう。このような回転成分は、第１フレーム１４０と第２支持体１３０の間に設けられる、駆動力を伝達する伝達機構や相対的な摺動を案内する案内機構の歪みなどによって生じる。本実施形態に係る表面形状測定装置１０は、ナノオーダーの精密測定を行うので、このように微少な回転成分も無視し得ない。そこで、表面形状測定装置１０は、この回転成分Δθを、２つのレーザー光波干渉式測長器である第１干渉計１５３と第２干渉計１５４を用いて計測する。
【００６９】
図１０は、第２支持体１３０のθｘ方向の回転角を検出する検出手法を説明する説明図である。上述のように、第１干渉計１５３のレーザー投光部と第２干渉計１５４のレーザー投光部は、ｚ軸方向に沿って離間して第２フレーム１５０に配設されている。第２支持体１３０の側面であるｘｚ平面には、レーザーの反射面として鏡面１２１が設けられている。第１干渉計１５３から投光されたレーザーＬ１は、第１干渉計１５３に戻り、第２干渉計１５４から投光されたレーザーＬ２は第２干渉計１５４に戻る。鏡面１２１は、それぞれのレーザーに対応して２つの反射面としても良いが、本実施形態においては、第２支持体１３０のｚ方向への平行移動も考慮して、ｚ方向へ伸延する１つの矩形反射面としている。このような矩形反射面は、第２支持体１３０のｚ方向への移動範囲において、常に第１干渉計１５３からのレーザーも第２干渉計１５４からのレーザーも反射する。
【００７０】
演算部１８７は、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４の出力から得られる２つの測定距離の差、およびそれぞれの投光部のｙｚ座標から、第２支持体１３０のθｘ方向の回転角Δθを算出する。また、そもそも第１干渉計１５３も第２干渉計１５４も、ｙ方向の距離を測定する測長器であるので、演算部１８７は、第２支持体１３０のｙ方向の平行移動量も算出する。具体的には、演算部１８７は、第１干渉計１５３と第２干渉計１５４の出力から得られる２つの測定距離、それぞれの投光部のｙｚ座標、および第２支持体１３０のθｘ回転中心軸ｙｚ座標から、θｘ回転中心軸のｙ方向の平行移動量を算出する。
【００７１】
なお、反射されたレーザーはそれぞれの干渉計に戻れば良いので、第２支持体１３０の側面に設けられる反射面は、鏡面１２１ではなく、再帰反射材が設置されても良い。また、本実施形態においては、設置のしやすさから、レーザー投光部を第２フレーム１５０に、鏡面１２１を第２支持体１３０に設けたが、逆であっても良い。特に、２つ以上の投光部のうちの一つを、第１支持体１２０のθｘ方向の回転軸に一致させて配置すれば、ｙ方向の平行移動量も、θｘ方向の回転角も、さらに容易に精度良く検出できる。
【００７２】
また、本実施形態においては、２つの干渉計をｚ方向に沿って配設して、第２支持体１３０のθｚ方向の回転角とｙ方向の平行移動量を検出したが、θｘ方向の回転角と共に検出する対象をｚ方向の平行移動量とすることもできる。例えば、ベース１００上にｙ方向に離間させた２つの投光部を設け、第２支持体１３０の下面（ｘｙ平面）に設けられた鏡面に反射させれば、上記と同様の手法によりこれらθｘ方向の回転角とｚ方向の平行移動量を検出することができる。
【００７３】
測定制御部１８６は、測定ユニット１１０をθｘ方向へ回転させたい場合に、回転させたい角度に応じた制御信号を、第１支持体１２０を回転移動させるθｘ駆動モータ１３２へ送信する。上述の通り、実際には第２支持体１３０もθｘ方向へ回転しているので、ヘッド全体としては、第１支持体１２０の回転角と第２支持体１３０の回転角の和となる。図１１は、演算部１８７が算出するヘッドの回転角を説明する説明図である。
【００７４】
干渉計ユニット１５１により第２支持体１３０が第２フレーム１５０を基準として（すなわち第１フレーム１４０を基準として）θｘ方向にΔθ回転したことが検出され、ロータリエンコーダ１３１により第１支持体１２０が第２支持体１３０を基準としてθｘ方向にθＲ回転したことが検出されると、演算部１８７は、ベース１００を基準とする座標系に対して、測定ユニット１１０がθｘ方向にθＲ＋Δθだけ回転したと把握する。本実施形態においては、測定制御部１８６は、検出した回転角が目標値（θＲ）と異なる場合でも、目標値に収束させるフィードバック制御を行わない。多少の誤差角（Δθ）を含んだとしても、測定面２０１における精確な測定点が把握できていれば、その測定点における表面形状を測定して、測定面２０１の全体形状の把握に利用できる。もし、その目標値に対する測定点の表面形状情報が必要であれば、周囲の測定点の測定結果を用いて補間処理を行えば良い。このように、フィードバック制御を行わないことにより、測定面全体の測定が完了するまでの時間を短縮することができる。
【００７５】
なお、本実施形態においては、ヘッドの回転角を検出する検出部の構成として、２つのレーザー光波干渉式測長器から構成される干渉計ユニット１５１と、ロータリエンコーダ１３１の組み合わせを用いたが、これに限らない。干渉計ユニット１５１は、ベース１００を基準とする全体座標系に対して第２支持体１３０がθｘ方向にどれだけ回転したかを検出できれば良い。また、ロータリエンコーダ１３１でなくても、第２支持体１３０を基準とする局所座標系に対して第１支持体１２０がθｘ方向にどれだけ回転したかを検出できれば良い。これらの前提において公知のさまざまな検出器を採用することができる。
【００７６】
以上説明した表面形状測定装置１０は、測定ユニット１１０を備えるヘッドをｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度により移動させた。ヘッドがこの３自由度に限って移動し得る構成を採用することにより、ヘッドの軽量化を図り、測定の高速化を実現した。しかし、測定の高速化は、ヘッド構成の最適化による貢献のみならず、移動の自由度を３自由度に限ることによる制御の簡易化および演算の簡易化による貢献も大きい。
【００７７】
この観点からすれば、ヘッド自体はより多くの自由度による移動が可能である構成を有するとしても、回転対称面を測定する場合において、ｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度に制限した制御を行うことにより、測定の高速化を実現できる。すなわち、測定制御部が、ヘッドの移動をこの３自由度に限って制御を実行することにより、精確で高速な測定を実現できる。したがって、測定装置自体が汎用的な装置であっても、回転対称面を測定する場合に測定制御プログラムを変更すれば、一定の水準において測定の高速化を期待できる。
【００７８】
なお、以上の説明においては、測定対象を回転対称面としたが、表面形状測定装置１０は、図８で説明した測定経路が適宜設定されれば、回転対称面ではない表面でも測定することができる。すなわち、ヘッドの３自由度による移動と、ＸＹステージの回転移動を組み合わせれば、表面上に測定点を離散させることができるので、非測定点における回転対称性を利用した補間演算などを利用しなければ、例えば自由曲面であっても測定できる。
【００７９】
このように非回転対称面を測定する場合であっても、ヘッドの軽量化により、やはり高速に測定することができる。また、ヘッド自体はより多くの自由度による移動が可能である構成を有するとしても、制御においてｙｚ平面内での平行移動とθｘ方向の回転移動の３自由度に制限することにより、測定アルゴリズムの簡易化を図ることができ、測定の高速化を実現することができる。
【００８０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８２】
１０  表面形状測定装置、１００  ベース、１０１  θｚ駆動モータ、１０２  ＸＹ駆動モータ、１０３  θｚセンサ、１０４  ＸＹセンサ、１１０  測定ユニット、１１１  距離測定器、１１２  角度測定器、１１３  ホルダー、１１５  基準位置、１２０  第１支持体、１２１  鏡面、１３０  第２支持体、１３１  ロータリエンコーダ、１３２  θｘ駆動モータ、１４０  第１フレーム、１４１  ＹＺ駆動モータ、１５０  第２フレーム、１５１  干渉計ユニット、１５３  第１干渉計、１５４  第２干渉計、１５５  Ｚセンサ、１６０  ＸＹステージ、１６１  チャック、１８０  制御ユニット、１８１  システム制御部、１８２  ユーザインタフェース、１８３  メモリ、１８６  測定制御部、１８７  演算部、２００  被測定物、２０１  測定面、２０２  保持部、２１０  回転対称軸、１１１１  第１光源、１１１２、１１１３、１１２２  集光レンズ、１１１４、１１２４  光検出器、１１２１  第２光源、１１２３  コリメートレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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