JP2001324311A - ３次元形状測定機及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物を反転させたり、干渉を利用したり
することなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持
したまま、その両面形状を高精度に測定することができ
る、簡単な構成の３次元形状測定機及びその測定方法を
提供すること。 【解決手段】 被測定物の上面を走査する上面光プロー
ブと、被測定物の下面を走査する下面光プローブは、水
平方向となるＲ軸方向の上面Ｒステージと下面Ｒステー
ジ、及び垂直方向となるＺ軸方向の上面Ｚステージと下
面Ｚステージ上にそれぞれ設けられ、被測定物はＺ軸の
回転成分となるθ軸方向のθステージ上に水平方向に載
置され、且つ、双方の光プローブの走査位置及び被測定
物のθ軸回転角度を検出する位置検出手段と、光プロー
ブの走査や被測定物の回転に起因する運動誤差を検出す
る運動誤差検出手段とを備え、位置検出手段と運動誤差
検出手段の検出結果から被測定物の形状を算出するこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学部品や金型等
の表面形状を高精度に測定する３次元形状測定機及びそ
の測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学部品や金型等の物体表面
形状を高精度に測定するために、３次元形状測定機を利
用することが広く知られている。一般に、３次元形状測
定機は接触型若しくは非接触型のプローブを被測定物に
近付け、両者が略一定の距離、若しくは略一定の力関係
になるようにプローブ位置を制御した上で、これを被測
定物上を走査させることにより形状測定を行うものであ
る。

【０００３】このような３次元形状測定機の一例とし
て、特開平４−２９９２０６号公報に開示されている超
高精度３次元形状測定機について図９を参照して説明す
る。同図において、２７はＸステージであり、その上に
Ｙステージ２８、さらにその上にＺステージ４が構成さ
れている。Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直な平面上
となるＹＺ−ＸＺ−ＸＹ面上にそれぞれＸ基準ミラー２
９、Ｙ基準ミラー３０、Ｚ基準ミラー５が配置されてい
る。Ｚステージ４上には被測定物１とＺステージ４上の
特定点の距離Ｚ１を検出する光プローブ２６、Ｚステー
ジ４上の特定点と位置固定のＺ基準ミラー５の距離Ｚ２
を検出する測定手段９ｃ、Ｚステージ４上の特定点と位
置固定のＸ基準ミラー２９の距離Ｘを検出する測定手段
９ｊ、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＹ基準ミラ
ー３０の距離Ｙを検出する測定手段９ｋ（Ｚステージ４
の裏側になるため図示せず）が配置されている。

【０００４】したがって、Ｚステージ４上に設置された
光プローブ２６はＸ−Ｙ−Ｚ軸方向への移動が可能であ
り、また、その時の３次元座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ１とＺ２
とから算出したＺ）とすることができる。光プローブ２
６を被測定物１の全面に走査させ、その時の３次元座標
を検出することで、被測定物の３次元形状を測定するこ
とができる。

【０００５】また、別の従来例として、特許番号第２６
７１４７９号公報に開示されている面形状測定装置につ
いて図１０を参照して説明する。同図において、フィゾ
ー型干渉計を利用し、被測定物１を使用状態と同じ水平
方向に保持したまま両面１ａ，１ｂ測定を実現してい
る。

【０００６】レーザ光源１５から射出された光束は、レ
ンズ３１及びハーフミラー３２及びコリメータレンズ３
３を介して、反射ミラー３４ａに進んで行く。反射ミラ
ー３４ａは光路への出し入れが可変であり、光路へ入れ
た場合は、光束が反射ミラー３４ａで垂直方向に曲げら
れ、さらに反射ミラー３４ｂ及び３４ｃで反射された
後、基準レンズ３５に入射する。ここで光束の一部は基
準レンズ３５の基準面３５ａにて反射し、他は透過する
ことになる。基準レンズ３５を透過して被測定物１に入
射した光束は、被測定物１の表面１ａにて反射して測定
光波となる。また、基準レンズ３５の基準面３５ａで反
射した光波は、基準光波となる。基準光波と測定光波は
再び重なり合い干渉して、来た光路を戻ることになる。
反射ミラー３４ｃ，３４ｂ，３４ａで光路を垂直方向に
それぞれ曲げられた後、コリメータレンズ３３を介して
ハーフミラー３２に入射する。ここで干渉光波は垂直方
向に曲げられ、集光レンズ３７を介してＣＣＤカメラ等
の干渉検出手段３８で検出される。これにより、基準レ
ンズ３５の基準面３５ａと被測定物１の表面１ａの面形
状の差が測定できたことになる。

【０００７】さらに、被測定物１の裏面１ｂの面形状測
定方法について説明する。先程光路に入れた反射ミラー
３４ａを光路から出しておく。上記と同様に、レーザ光
源１５から射出した光束は反射ミラー３４ａまで進んで
くるが、ここでは、反射ミラー３４ａが光路外に出され
ているので、光束はそのまま直進し、次の反射ミラー３
４ｄで垂直方向に曲げられることになる。その後、この
光束は基準レンズ３６に入射するが光束のほとんどは透
過して、被測定物１の裏面１ｂで反射し、測定光波とな
る。一方、基準レンズ３６の基準面３６ａで反射した光
波は基準光波となる。この基準光波と測定光波は再び重
なり合うことにより干渉して、来た光路を戻ることにな
る。反射ミラー３４ｄ、コリメータレンズ３３、ハーフ
ミラー３２、集光レンズ３７を介して、ＣＣＤカメラ等
の干渉縞検出手段３８で検出される。これにより、基準
レンズ３６の基準面３６ａと被測定物１の裏面１ｂの面
形状の差が測定できることになる。

【０００８】このように、反射ミラー３４ａを光路から
出し入れすることにより、光路の切り替えを行い、被測
定物１を使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被
測定物１の表面１ａの面形状あるいは被測定物１の裏面
１ｂの面形状が測定することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記３次元形状測定機の内、図９に示した装置において
は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直なＹＺ−ＸＺ−
ＺＹ面上に基準ミラー２９，３０，５を各々配置して高
精度測定を可能としているが、被測定物１の両面を測定
する場合、片面測定後に被測定物１の向きを反転させる
手間が必要となる。また、被測定物１を水平方向に保持
して使用する場合は、被測定物１の下面形状は使用時と
異なる状態、即ち被測定物１の下面を反転させて上にし
た状態で測定することになり、測定結果には重力による
歪みの影響分が誤差として含まれてしまうという問題点
があった。

【００１０】また、図１０に示した面形状測定装置で
は、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合は、
光学系の切り替えにより、被測定物１は使用状態と同様
に水平方向に保持したまま、被測定物１の両面の面形状
測定が可能であるが、面形状測定に干渉を利用している
ため、測定光波と基準光波との差が大き過ぎると測定で
きなくなる等の問題点があった。

【００１１】本発明は、かかる従来例の有する不都合を
改善し、被測定物を反転させたり、干渉を利用したりす
ることなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持し
たまま、その面形状を高精度に測定することができる、
簡単な構成の３次元形状測定機及びその測定方法を提供
することを課題としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明において、水平方向及びこれに
垂直方向に移動可能な非接触型の光プローブを、被測定
物の形状に沿って走査させて被測定物の３次元形状を測
定する３次元形状測定機において、前記光プローブは、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プロー
ブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光
プローブとから成っており、前記上面光プローブと前記
下面光プローブの走査位置、又は当該走査位置及び前記
被測定物の回転角度を３次元位置情報として検出する位
置検出手段と、前記光プローブの走査や前記被測定物の
回転に起因する運動誤差を検出する運動誤差検出手段
と、を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段
の検出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算
出することを特徴としている。

【００１３】請求項２の発明は、水平方向をＲ軸、垂直
方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−
Ｚ座標系を用いて、使用時と同じ水平方向に保持された
被測定物の形状を非接触型の光プローブを走査させて測
定する３次元形状測定機において、前記光プローブは、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プロー
ブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光
プローブとから成り、前記上面光プローブは前記Ｒ軸方
向に移動可能な上面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動
可能な上面Ｚステージ上に配置され、前記下面光プロー
ブは前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ及び前記
Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に配置され、前
記被測定物は、ロータ部とこのロータ部を支持するハウ
ジング部より成る、前記θ軸方向に回転可能なθステー
ジ上に載置されており、且つ、前記上面光プローブと前
記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物のθ軸
回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一
なＲ−Ｚ面上に配置された位置検出手段と、前記光プロ
ーブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤差を
検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤
差検出手段と、を備え、前記位置検出手段と前記運動誤
差検出手段の検出結果から前記被測定物の上面及び下面
の形状を算出することを特徴としている。

【００１４】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記位置検出手段は、前記光プローブのＲ軸方向の
位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段と、前記光
プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位
置検出手段と、前記θステージの回転角度を検出するた
めのθ軸位置検出手段とから成ることを特徴としてい
る。

【００１５】請求項４の発明は、請求項２、又は３の発
明において、前記Ｒ軸位置検出手段は、前記Ｚ軸方向に
配置されたＲ基準ミラー、及び前記上面Ｚステージ及び
下面Ｚステージに各々２つずつ取り付けられ、前記Ｒ基
準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とか
ら成ることを特徴としている。

【００１６】請求項５の発明は、請求項２、又は３の発
明において、前記Ｚ軸位置検出手段は、前記Ｒ軸方向に
配置されたＺ基準ミラー、及び前記上面Ｚステージ及び
下面Ｚステージに各々１つずつ取り付けられ、前記Ｚ基
準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とか
ら成ることを特徴としている。

【００１７】請求項６の発明は、請求項２、又は３の発
明において、前記θ軸位置検出手段は、前記θステージ
の回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置され
たθスケールと、これを検出するスケール検出部とから
成ることを特徴としている。

【００１８】請求項７の発明は、請求項２の発明におい
て、前記運動誤差検出手段は、前記θステージの前記ロ
ータ部上に配置されたθスラスト基準ミラー、前記ロー
タ部の外周面に配置されたθラジアル基準ミラー、この
θラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置いて対向して
少なくとも２面設けたθラジアル測定用基準ミラー、前
記上面及び下面Ｚ基準ミラーの両端側近傍にそれぞれ配
置され、当該上面及び下面Ｚ基準ミラーの距離変動を検
出するために４面設けた上下伸縮測定用基準ミラー、こ
れらの基準ミラー間の距離を測定するための少なくとも
６つのレーザ測長器とから成ることを特徴としている。

【００１９】請求項８の発明は、水平方向及びこれに垂
直方向に移動可能な非接触型の光プローブを、被測定物
の形状に沿って走査させて被測定物の３次元形状を測定
する３次元形状測定方法において、前記被測定物の上面
形状及び下面形状を前記光プローブで走査させる際、前
記被測定物と光プローブの距離が常に略一定となるよう
に、当該光プローブを水平方向及び垂直方向に移動させ
ながら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に
複数の任意の位置で、前記光プローブの位置情報とその
運動誤差情報を検出し、これらの情報から算出した３次
元位置情報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形
状を算出することを特徴としている。

【００２０】請求項９の発明は、水平方向をＲ軸、垂直
方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−
Ｚ座標系を用い、使用時と同じ水平方向に保持された被
測定物の３次元形状を光プローブを走査させて測定する
３次元形状測定方法において、前記被測定物の上面形状
及び下面形状を前記光プローブで走査させる際、前記被
測定物と光プローブの距離が常に略一定となるように、
当該光プローブをＲ軸方向及びＺ軸方向に移動させなが
ら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に複数
の任意の位置で、前記光プローブの位置情報と運動誤差
情報を検出し、これらの情報から算出した３次元位置情
報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形状を算出
することを特徴としている。

【００２１】請求項１０の発明は、請求項４、５、６、
又は９の発明において、前記位置情報は、上面Ｒ基準ミ
ラーと上面光プローブ問の距離Ｒｕ、上面Ｚ基準ミラー
と上面光プローブ間の距離Ｚｕ、下面Ｒ基準ミラーと下
面光プローブ間の距離Ｒｄ、下面Ｚ基準ミラーと下面光
プローブ間の距離Ｚｄ、上面光プローブ及び下面光プロ
ーブの走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の
偏差Ｐｕ及びＰｄ、被測定物の回転角度Ｒθ、から検出
することを特徴としている。

【００２２】請求項１１の発明は、請求項７、又は９の
発明において、前記運動誤差情報は、前記θステージの
スラスト方向の運動誤差θＳＤ、当該θステージのラジ
アル方向の運動誤差θＲＤ、前記上面Ｚ基準ミラーと下
面Ｚ基準ミラー間の変動ＶＤ、から検出することを特徴
としている。

【００２３】請求項１２の発明は、請求項２、又は９の
発明において、前記被測定物の上面形状を測定する際、
前記上面光プローブが上面形状に沿って走査している
間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上に
留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記被
測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブが
下面形状に沿って走査している間、前記上面光プローブ
を前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振
動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基にし
て前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加えるこ
とを特徴としている。

【００２４】請求項１３の発明は、請求項１、２、８、
又は９の発明において、前記被測定物の上面形状を測定
する際、前記上面光プローブを被測定物の上面形状に沿
って、前記下面光プローブを下面形状に沿って同時に走
査させることを特徴としている。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面を参照
して説明する。

【００２６】図１は本発明の実施形態を示す３次元形状
測定機の要部構成図、図２は図１の３次元形状測定機を
示す側面図、図３はＲ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ
測長器を示す配置構成図、図４はθステージを示す配置
構成図、図５は光プローブを示す光学配置図、図６はＺ
軸のサーボ構成を示すブロック図、図７はレーザ測長器
を示す光学配置図である。 図１及び図２において、１
は被測定物であり、ここでは水平方向に保持して使用さ
れる軸対象の非球面レンズとしている。被測定物１の上
面側及び下面側には、被測定物１の形状に沿って走査す
る上面光プローブ２ｕ、及び下面光プローブ２ｄを配置
している。ここでは、レンズに傷を付けない非接触型の
光プローブを採用している。

【００２７】先ず、被測定物１の上面１ｕ側の測定系の
構成について説明する。３ｕは被測定物１と平行、即ち
水平方向に移動する上面Ｒステージ、４ｕは被測定物１
に対して垂直方向に移動する上面Ｚステージである。し
たがって、上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステージ４ｕ
上にある光プローブ２ｕはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成
となっている。５ｕはＲ軸に対して平行で且つＲ−Ｚ面
の位置に配置した上面Ｚ基準ミラー、６ｕはＺ軸に対し
て平行で且つＲ−Ｚ面の位置に配置した上面Ｒ基準ミラ
ーである。

【００２８】次に、被測定物１の下面１ｄの測定系の構
成について説明する。３ｄは被測定物１と平行、即ち水
平方向に移動する下面Ｒステージ、４ｄは被測定物１に
対して垂直方向に移動する下面Ｚステージである。した
がって、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄ上
にある光プローブ２ｄはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成と
なっている。５ｄはＲ軸に対して平行、且つＲ−Ｚ面の
位置に配置した下面Ｚ基準ミラー、６ｄはＺ軸に対して
平行で、且つＲ−Ｚ面の位置に配置した下面Ｒ基準ミラ
ーである。４０はエアーベアリングより成るθステージ
で、被測定物１をθ軸方向（Ｚ軸の回転方向）に回転さ
せる手段である。θステージ４０は、回転側のロータ部
８と、このロータ部を回転可能に支持する固定側のハウ
ジング部７とから成っている。詳細は後述するが、ロー
タ部８上にはスケール１３及びθ基準ミラー１４ａ，１
４ｂ（図４参照）が配置されている。

【００２９】９が付されている部品はＲ−Ｚ面上におけ
る光プローブ２ｕ，２ｄの位置を検出するためのレーザ
測長器（総称してレーザ測長器９と言う）である。９ａ
ｕ，９ｂｕは上面Ｒ測定用、９ａｄ，９ｂｄは下面Ｒ測
定用であり、ここではアッベ誤差の影響をなくすために
それぞれ２つずつ用いている。９ｃｕは上面Ｚ測定用、
９ｃｄは下面Ｚ測定用であり、それぞれ光プローブ２
ｕ，２ｄが作り出すキャッツアイポイントをＺ軸と平行
に延長させた線上にそれぞれ配置されているので、アッ
ベ誤差は発生しない。

【００３０】これら上面及び下面Ｒ基準ミラー６ｕ，６
ｄ、レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕ，９ａｄ，９ｂｄによ
り光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸位置検出手段が構成さ
れ、上面及び下面Ｚ基準ミラー５ｕ，５ｄ、レーザ測長
器９ｃｕ，９ｃｄによりＺ軸位置検出手段が構成されて
いる。

【００３１】さらに、９ｄ，９ｅはθスラスト測定用、
９ｆ，９ｇはθラジアル測定用、９ｈ，９ｉは上下伸縮
測定用のレーザ測長器であり、それぞれ測定中における
距離変動分を検出する運動誤差検出手段の一部として使
用される。１０はエアーベアリングのロータ部８上のθ
スケール１３（図４参照）の回転角度の検出を行うスケ
ール検出部である。このスケール１３及びスケール検出
部１０によりθ軸位置検出手段が構成されている。

【００３２】１１ａ，１１ｂはθラジアル測定用基準ミ
ラー、１１ｃ，１１ｄは上面Ｚ基準ミラー５ｕの両側近
傍に、１１ｅ，１１ｆは下面Ｚ基準ミラー５ｄの両側近
傍にそれぞれ配置された上下伸縮測定用基準ミラーであ
る。１２ｕは上面Ｒステージ３ｕと上面Ｚステージ４ｕ
を搭載する架台、１２ｄは下面Ｒステージ３ｄと下面Ｚ
ステージ４ｄを搭載する架台である。

【００３３】図２に示すように、上面光プローブ２ｕ、
下面光プローブ２ｄ、及び光プローブ２ｕ，２ｄのレー
ザ測長器９（同図では代表的なレーザ測長器のみ図示）
は、全てＲ−Ｚ面上に配置されていることが分かる。

【００３４】上記Ｒ軸位置検出手段、Ｚ軸位置検出手
段、θ軸位置検出手段により位置検出手段が構成されて
いる。

【００３５】レーザ測長器９の配置を図３に示してい
る。同図において、レーザ測長器９と上面Ｒ基準ミラー
６ｕ間の距離はＲｕであって、Ｒｌｕはレーザ測長器９
ａｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離を、Ｒ２ｕはレー
ザ測長器９ｂｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離をそれ
ぞれ示しており、上面Ｒステージ３ｕ移動量及び移動時
に発生するアッベ誤差補正に使用する。Ｚｕはレーザ測
長器９ｃｕと上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、又
Ｐｕは上面光プローブ２ｕから出力される位相差の偏差
を示し、上面Ｚステージ４ｕ移動量及びＺ方向振動等の
Ｚ方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。同様
に、レーザ測長器９と下面Ｒ基準ミラー６ｄ間の距離は
Ｒｄであって、Ｒｌｄはレーザ測長器９ａｄと下面Ｒ基
準ミラー６ｄ間の距離を、Ｒ２ｄはレーザ測長器９ｂｄ
と下面Ｒ基準ミラー６ｄ問の距離を示し、下面Ｒステー
ジ３ｄ移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使
用する。Ｚｄはレーザ測長器９ｃｄと下面Ｚ基準ミラー
５ｄ間の距離を示し、又Ｐｄは下面光プローブ２ｄから
出力される位相差の偏差を示し、下面Ｚステージ４ｄ移
動量及びＺ方向振動等のＺ方向に発生する測定誤差要因
の補正に使用する。θＳＤ（θＳＤｌ，θＳＤ２）はθ
ステージ４０のスラスト面にあるθ基準ミラー１４ａと
上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、θステージ４０
のスラスト方向のぶれ量（面ぶれ）の検出に使用する。
又、θＲＤ（θＲＤ１，θＲＤ２）はθステージ４０の
ラジアル面にあるθ基準ミラー１４ｂとラジアル測定用
ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離をそれぞれ示し、θステ
ージ４０のラジアル方向のぶれ量（軸ぶれ）の検出に使
用する。ＶＤ（ＶＤｌ，ＶＤ２）は上面及び下面に設置
された上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１ｄ，１１
ｅ，１１ｆ間の距離を示し、測定中における上面Ｚ基準
ミラー５ｕと下面Ｚ基準ミラー５ｄ問の距離変動分の誤
差補正に使用する。Ｒθはθスケール１３を基準に検出
されたθステージ４０の回転角度を示す。

【００３６】θステージ４０となるエアーベアリング部
は、図４に示すように、被測定物１をθ軸方向に回転さ
せる手段である。同図において、７は固定側のハウジン
グ部、８は回転側のロータ部である。ロータ部８の表面
の一部には、精密加工後にアルミ蒸着と研磨によりθ基
準ミラー１４ａ，１４ｂを形成しており、ロータ部８の
上面の一部に、スラスト方向用のθスラスト基準ミラー
１４ａを、ロータ部８の外周面全体にラジアル方向用の
θラジアル基準ミラー１４ｂを設けている。レーザ測長
器９ｄ及び９ｅ（図２参照）を用いて上面Ｚ基準ミラー
５ｕとθスラスト基準ミラー１４ａ間の距離を測ること
で、θステージ駆動時のスラスト方向変動が検出でき
る。同様に、レーザ測長器９ｆ及び９ｇ（図２参照）を
用いてラジアル測定用基準ミラー１１ａ，１１ｂとθラ
ジアル基準ミラー１４ｂ間の距離を測ることで、θステ
ージ運動時のラジアル方向変動が検出できる。また、ラ
ジアル方向にはθスケール１３が貼り付けられており、
スケール検出部１０を利用してθステージ４０の回転角
度Ｒθが検出できる。

【００３７】上記θスラスト基準ミラー１４ａ、θラジ
アル基準ミラー１４ｂ、ラジアル測定用基準ミラー１１
ａ，１１ｂ、上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１
ｄ，１１ｅ，１１ｆ、レーザ測長器９ｄ，９ｅ，９ｆ，
９ｇ，９ｈ，９ｉにより運動誤差検出手段が構成されて
いる。

【００３８】上記上面及び下面光プローブ２ｕ，２ｄの
詳細構成を図５に示している。同図において、１５は偏
光方向が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光
源である。レーザ光源１５から射出した光波は、ビーム
エキスパンダ１６で光波を拡大された後、偏光ビームス
プリッタ１７ａで反射光波と透過光波に分けられる。反
射光波はλ／４板１８ａを通ることで直線偏光から円偏
光へ変わり、集光レンズ２０ａを介して被測定物１へ入
射する。ここでは、集光レンズ２０ａにより光束が焦点
に絞られた状態（キャッツアイポイント）で被測定物１
に入射し、測定光波となって反射させている。尚、詳細
は後述するが、被測定物１には常にキャッツアイポイン
トで入射するようにＺ軸サーボで調整されることにな
る。反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／
４板１８ａで往きと比べて９０°回転した直線偏光とな
って、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は透過するこ
とになる。偏光ビームスプリッタ１７ａでのもう一方の
透過光波は、λ／４板１８ｂを通って直線偏光から円偏
光へ変わって参照平面ミラー１９に入射し、参照光波と
なって反射する。反射した参照光波は、再び通るλ／４
板１８ｂで往きと比べて９０°回転した直線偏光とな
り、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は反射すること
になる。偏光ビームスプリッタ１７ａで測定光波と参照
光波が重なり合い、４５°方位の偏光板２１を通ること
で干渉光波となる。この干渉光波はビームスプリッタ１
７ｂで２分割され、そのまま透過した干渉光波はライン
センサ２２で検出されることになる。ラインセンサ２２
が通常数十から数千チャンネル数のものがあり、ここで
は干渉光波を検出可能な高周波応答タイプの数１０チャ
ンネル程度のものを使用する。また、複数のラインセン
サ出力のチャンネルから１チャンネルを選び出して測定
信号とする際の選択条件は、測定点上での被測定物１の
設計形状から傾斜角を算出し、被測定物１に対して法線
方向、即ち正反射する光波の光線追跡により、その光束
がラインセンサ２２上のどのチャンネルに取り込まれる
か、予め算出して記憶しておき、測定位置によって使用
するチャンネルをマルチプレクサによって選択すること
になる。又、ビームスプリッタ１７ｂで反射した干渉光
波は集光レンズ２０ｂを介してフォトディテクタ２３で
取り込み、参照信号となる。

【００３９】Ｚ軸サーボの構成を図６に示している。但
し、被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側共に同様な
構成となるが、ここでは上面１ｕ側を例に説明する。光
プローブ２ｕからの光束がキャッツアイポイントで被測
定物１に入射するように上面Ｚステージ４ｕを移動させ
る。その状態における干渉光波から、ラインセンサ２２
（図５参照）及びマルチプレクサ４４を介して検出した
測定信号、及びフォトディテクタ２３（図５参照）から
の参照信号は、それぞれ位相計４１に入力される。この
位相計４１にて位相差Ｐｕoを算出し、コンピュータ４
２に記憶すると、Ｚサーボコントローラ４３によるＺ軸
サーボが開始状態となる。次に、上面Ｒステージ４ｕや
θステージ４０を同時に若しくは単独で移動させ、その
時得られる位相差Ｐｕiと記憶させている位相差Ｐｕoを
比較し、その偏差量ΔＰｕiが常にゼロ若しくは略ゼロ
となるように、Ｚサーボコントローラ４３は上面Ｚステ
ージ４ｕを移動させる（サーボロック状態）。

【００４０】偏差量ΔＰｕi ＝ Ｐｕi − Ｐｕo この時の偏差量ΔＰｕiは、後ほど測定データに補正し
て反映させれば、サーボロックでの誤差を補正した正確
な値が得られる。このようにして、被測定物１と上面光
プローブ２ｕ間の距離を常に一定若しくは略一定に保ち
ながら、被測定物１の上面１ｕを上面光プローブ２ｕが
スキャンして測定する。

【００４１】レーザ測長器９の構成を図７に示してい
る。図７（Ａ）は、レーザ測長器と一つの基準ミラー間
の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９ａ
ｕ，９ｂｕ，９ｃｕ，９ａｄ，９ｂｄ，９ｃｄの構成を
示す。ここでは共に、測定したい光路を２往復させるダ
ブルパス方式としているため、レーザ測長器の測定分解
能は２倍となる。同図（Ａ）において、１５は偏光方向
が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光源であ
る。レーザ光源１５から出射した光束は、偏光ビームス
プリッタ１７ｃで反射光波と透過光波に分けられる。透
過光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して参照光
波となり、再び偏光ビームスプリッタ１７ｃを透過する
ことになる。一方の反射光波は、λ／４板１８ｃを通る
ことで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー（例え
ば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射して測定光波となる。
測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ｃで
往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビ
ームスプリッタ１７ｃで今度は透過し、コーナーキュー
ブ２４ｂで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１７
ｃ及びλ／４板１８ｃを通り、基準ミラーに戻ってく
る。再度反射した測定光波はλ／４板１８ｃで往きと比
べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプ
リッタ１７ｃで反射することになる。ここでは測定光波
と参照光波が重なり、偏光板２１を通過すると干渉光波
となり、測長器レシーバ２５で検出される。測定光波と
参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントと
して測長器レシーバ２５で観測される。参照光波の光路
長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞
のカウントから測定光波の変動、即ち、ここでは各基準
ミラーからの各ステージ移動量の２往復分が検出でき
る。

【００４２】同様に、図７（Ｂ）は、２つの基準ミラー
間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９
ｆ，９ｇ，９ｉ，９ｈの構成を示している。同図（Ｂ）
において、レーザ光源１５から出射した直交する２つの
光波は、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射光波と透過
光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ２４ａ
で２度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリ
ッタ１７ｃを透過することになる。一方の反射光波は、
λ／４板１８ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ代わ
り、基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射
して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び
通るλ／４板１８ｃで往路と比べて９０°回転した直線
偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は透
過し、λ／４板１８ｄを通って基準ミラー（例えばθス
ラスト基準ミラー１４ａ）で反射して元の光路を戻る。
再びλ／４板１８ｄに入射した測定光波は、往路と比べ
て９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリ
ッタ１７ｃで今度は反射してコーナーキューブ２４ａに
入射する。測定光波はコーナーキューブ２４ａで２度反
射して再び偏光ビームスプリッタ１７ｃに入射し、ここ
で反射する。この後、測定光波はλ／４板１８ｄを通っ
て再び基準ミラー（例えばθスラスト基準ミラー１４
ａ）で反射し、λ／４板１８ｄ及び偏光ビームスプリッ
タ１７ｃ及びλ／４板１８ｃを透過して、再度基準ミラ
ー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）に入射し反射する。
この基準ミラーで反射した測定光波は、再度λ／４板１
８ｃを通過することで往路と比べて９０°回転した直線
偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は反
射する。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板
２１を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２５
で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、
干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ２５で観
測される。参照光波の光路長は常に一定となっているた
め、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の光
路長の変動、即ちここでは２つの基準ミラー間の距離の
変動量の２往復分が検出できる。

【００４３】次に、本実施形態の３次元形状測定機を用
いた具体的な測定方法について、図１を参照して説明す
る。被測定物１である軸対象非球面レンズを、その軸を
θステージ４０の回転軸と略一致するようにセッティン
グする。これにより、被測定物１側でのθ軸回転、及び
光プローブ２ｕ，２ｄ側でのＲ−Ｚ軸走査を組み合わせ
ることで、光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の形状に
合わせて全面に走査できることになる。

【００４４】先ず、被測定物１の上面１ｕ形状の測定方
法について説明する。上面光プローブ２ｕをθ軸の回転
中心まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後
に上面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けて行
き、上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイ
ポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボ
ロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕは、上面
Ｒステージ３ｕをスキャンさせながら被測定物１の面形
状に合わせてＺ軸サーボを追従させて使用し、上面Ｚス
テージ４ｕを動かすことになる。

【００４５】また、同様にして、下面光プローブ２ｄを
θ軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動さ
せ、その後に下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に
近づけていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキ
ャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整
し、サーボロックを開始させる。尚、下面光プローブ２
ｄは、測定している間はＲ軸の位置は保持したまま動か
さず、被測定物１が振動等によりＺ軸の上下変動した分
のみＺ軸サーボで追従させて動かすことになる。

【００４６】ここで、サーボロックを開始するに当た
り、開始時の各測定データを基準データとして取り込
む。即ち、レーザ測長器９ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ
〜９ｉの出力値のＲ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θ
Ｄ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，ＶＤ１，ＶＤ２、ロー
タリーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、及びＺ軸サーボの
位相の偏差Ｐｕ，Ｐｄのデータをそれぞれ、Ｒ１ｕo，
Ｒ２o，Ｚ１o，Ｚ１o，θＤ１o，θＤ２o，θＤ３o，θ
Ｄ４o，ＶＤ１o，ＶＤ２o，ＲＥo，Ｐｕo，Ｐｄoとして
コンピュータ４２に記憶させておく。次に、サーボロッ
ク状態のまま、上面Ｒステージ３ｕ及びθステージ４０
を単独で、若しくは同時に移動させ、測定した任意の複
数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取り込み順）でレーザ測長器９
ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ〜９ｉの出力値、ロータリ
ーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、Ｚ軸サーボの位相の偏
差を同時に取り込み、それぞれＲ１ｕi，Ｒ２ｕi，Ｚ１
i，Ｚ１i，θＤ１i，θＤ２i，θＤ３i，θＤ４i，ＶＤ
１i，ＶＤ２i，ＲＥi，Ｐｕi，Ｐｄiとしてコンピュー
タ４２に記憶させておく。同様にして、被測定物１の測
定エリアに光プローブ２ｕ，２ｄを走査させながら、合
計ｎ組の測定データを取り込んでおく。例えば、この
後、次に示すような演算処理を行うと、被測定物１の上
面１ｕ形状はｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ
（Ｒ２ｕi，θｕi，Ｚｕi）として表現でき、測定精度
はｎｍオーダーを実現できる。

【００４７】１．Ｒ座標：Ｒｕi Ｒidata ＝（（Ｒ１ｕi−Ｒ１ｕo）＋（Ｒ２ｕi−Ｒ２
ｕo））／２ アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｕi−Ｒ１ｕo）＋（Ｒ２ｕi−
Ｒ２ｕo））×（Ｄ１ｕ／Ｄ２ｕ） 軸振れ誤差 ＝（（θＤ３i−θＤ３o）＋（θＤ４i−
θＤ４o））／２ Ｒｕi ＝ Ｒidata ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差 ２．θ座標：θｕi θｕi ＝ ＲＥi − ＲＥo ３．Ｚ座標：Ｚｕi サーボ偏差 ＝ Ｐｕi − Ｐｕo 面振れ誤差 ＝（（θＤ１i−θＤ１o）＋（θＤ２i−
θＤ２o））／Ｄ３×formｕ（Ｒidata） Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｄi−Ｚ１ｄo）＋ （Ｐｄi−
Ｐｄo） Ｚｕi ＝ Ｚ１ｕi ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差
＋ Ｚ方向振動 尚、Ｄ１ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕの中間と光プ
ローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離 Ｄ２ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕのＺ方向成分の距
離 Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離 formｕ（Ｒidata）：上面設計形状とＲidataの関係から
算出される関数 また、被測定物１の下面１ｄ形状の測定は、次のように
して行う。上面光プローブ２ｕはθ軸の回転軸上のサー
ボロック位置まで上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステー
ジ４ｕを用いて移動させた後に、測定中はＲ軸の位置は
保持したまま動かさず、被測定物１が振動等によりＺ軸
の上下変動した分のみＺ軸サーボで追従させて動かす。
下面光プローブ２ｄはθ軸の回転軸上のサーボロック位
置まで、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄを
用いて移動させた後、下面Ｒステージ３ｄ及びθステー
ジ４０を単独に若しくは同時に移動させることになる。
上面１ｕの場合と同様に、サーボロック開始時の基準デ
ータを取り込めば良い。尚、この時の取り込む測定デー
タは、上面測定時と同じデータであるＲ１ｄ，Ｒ２ｄ，
Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θＤ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，Ｒ
Ｅ，Ｐｕ，Ｐｄである。

【００４８】被測定物１の下面１ｄ形状は以下のように
演算処理を行うことで、ｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次
元データ（Ｒｄi，θｄi，Ｚｄi）として表現すること
ができ、測定精度はｎｍオーダーを実現できる。

【００４９】１．Ｒ座標：Ｒｄi Ｒidata ＝（（Ｒ１ｄi−Ｒ１ｄo）＋（Ｒ２ｄi−Ｒ２
ｄo））／２ アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｄi−Ｒ１ｄo）＋（Ｒ２ｄi−
Ｒ２ｄo））×（Ｄ１ｄ／Ｄ２ｄ） 軸振れ誤差 ＝（（θＤ３i−θＤ３o）＋（θＤ４i−
θＤ４o））／２ Ｒｄi ＝ Ｒidata ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差 ２．θ座標：θｄi θｄi ＝ ＲＥi − ＲＥo ３．Ｚ座標：Ｚｄi サーボ偏差 ＝ Ｐｄi − Ｐｄo 面振れ誤差 ＝（（θＤ１i−θＤ１o）＋（θＤ２i−
θＤ２o））／Ｄ３×formｄ（Ｒidata） Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｕi−Ｚ１ｕo）＋ （Ｐｕi−
Ｐｕo） 基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１i−ＶＤ１o）＋（ＶＤ２
i−ＶＤ２o））／２ Ｚｄi ＝ Ｚ１ｄi ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差
＋ Ｚ方向振動＋ 基準ミラー間伸縮 尚、Ｄ１ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄの中間と光プ
ローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離 Ｄ２ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄのＺ方向成分の距
離 Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離 formｕ（Ｒidata）：上面設計形状とＲidataの関係から
算出される関数 尚、運動誤差の内、θスラスト測定は上面Ｚ基準ミラー
５ｕを基準にして測定しており、また被測定物１の厚み
を測定することも考えられるので、下面形状の測定結果
には上記したように基準ミラー間伸縮分の補正分を加え
ることになる。

【００５０】Ｒ−θ断面上で見た３パターンのデータ取
り込み例を、図８に示している。但し、同図における軸
は、一般によく使われているＸ−Ｙ座標系に変換したも
のを示している。 本発明では、Ｒステージ３ｕ，３ｄ
及びθステージ４０を単独で動かしながらデータを等間
隔で取り込めば、同図（Ａ）に示す渦巻きデータとし
て、またＲステージ３ｕ，３ｄとθステージ４０とを同
時に動かさず、いずれかのステージのみを単独で動かし
ながらデータを等間隔で取り込めば、同図（Ｂ）に示す
同心円データとして検出できる。また、一般に、３次元
形状測定機等でよく用いられる同図（Ｃ）に示す格子デ
ータは、Ｒステージ３ｕ，３ｄ及びθステージ４０の移
動量を格子状に合わせる、若しくは渦巻きデータや同心
円データを座標変換や補間を用いて変換するといった方
法により本発明でも対応可能となる。

【００５１】本発明では、被測定物１の形状が軸対象の
場合、渦巻データによってデータ検出を行うとθステー
ジ４０や微小なＲステージ３ｕ，３ｄ移動に対して、サ
ーボロック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄ
のＺ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プロ
ーブ走査が可能となる。また、同心円データによってデ
ータ検出を行う場合は、Ｒステージ３ｕ，３ｄ移動後
に、その状態を保持しておき、θステージ４０を単独で
動かしながらデータを等間隔で取り込むようにすれば、
上記と同様に、θステージ４０移動に対して、サーボロ
ック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄのＺ方
向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走
査が可能となる。

【００５２】このように、本発明の３次元形状測定機
は、被測定物１をθステージ４０に搭載し、光プローブ
２ｕ，２ｄを被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側に
それぞれ配置し、光プローブ２ｕ，２ｄ走査中に複数の
任意の位置で光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸及びＺ軸の位
置、及び被測定物１のθ軸回転位置、及び各種の運動誤
差を同期で検出し、そこから算出した３次元位置情報を
基にして被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定
を行うものである。

【００５３】以上説明した本実施形態が、図９及び図１
０に示した従来例と大きく異なる３つの点を挙げること
ができる。その１つは、被測定物１の上面１ｕ側及び下
面１ｄ側にそれぞれに独立した上面光プローブ２ｕ及び
下面光プローブ２ｄを配置し、被測定物１を水平方向に
保持したまま光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の上面
１ｕ及び下面１ｄにスキャンさせて、被測定物１の上面
１ｕ及び下面１ｄの３次元形状を測定する点である。２
番目は、座標系をＲ−θ−Ｚ系として構成し、Ｒ軸及び
Ｚ軸における光プローブ２ｕ，２ｄの位置情報の検出手
段として、被測定物１の上面１ｕ側と下面１ｄ側にそれ
ぞれにＲ基準ミラー５ｕ，５ｄ、Ｚ基準ミラー６ｕ，６
ｄを配置して、レーザ測長器９ａｕ，９ａｄ等を用いて
検出し、又θ軸の位置情報の検出手段として、θステー
ジ４０に取り付けられたθスケール１３をスケール検出
器１０で読み込む点である。３番目は、測定中の運動誤
差を検出するために、複数の基準ミラーを配置して測定
結果を補正している点である。

【００５４】したがって、被測定物１を水平方向に保持
して使用する場合に、使用時と同じ状態で被測定物１の
上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定が可能になるため、従
来のように、下面１ｄ形状の測定結果には被測定物１を
反転させることによる重力による歪み誤差が生じること
なく、高精度な面形状測定が可能となる。また、光プロ
ーブ２ｕ，２ｄを利用して面形状測定を行うため、干渉
測定で用いる基準波面を必要とせず、多様な被測定物の
形状測定に対応することができる。

【００５５】また、被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄ
形状を同時に測定することで、測定時間の短縮を図るこ
とができる。

【００５６】次に、第２の実施形態について説明する。
この実施形態は上記第１の実施形態と同様に、被測定物
１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状の測定を同時に行う
構成であるが、多少の測定精度を犠牲にしても、測定時
間を略半分程度に短縮することができる例である。 図
１に示すように、上面光プローブ２ｕをθ軸の回転中心
まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後に上
面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けていき、
上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイポイ
ントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロッ
クを開始させる。また同様に、下面光プローブ２ｄをθ
軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動させ
た後、下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に近付け
ていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキャッツ
アイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サ
ーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕ、下
面光プローブ２ｄの走査は、被測定物１の面形状に合わ
せてＺ軸サーボを追従させて使用することになる。

【００５７】サーボロック開始時の基準データ（ｉ＝
０）及び測定したい任意の複数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取
込み順）での各測定データを取り込めば良い。尚、この
取り込む測定データは、Ｒ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１，Ｚ１，
θＳＤ１，θＳＤ２，θＲＤ１，θＲＤ２，ＶＤ１，Ｖ
Ｄ２，Ｒθ，Ｐｕ，Ｐｄである。

【００５８】被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形
状は、以下のように演算処理を行うことで、ｎ組みのＲ
−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒｕi−θｕi−Ｚｕ
i）及び（Ｒｄi−θｄi−Ｚｄi）として表現でき、精度
測定はｎｍオーダーを実現できる。尚、Ｒｕi−θｕi−
Ｚｕi、Ｒｄi−θｄi−Ｚｄiは、実施例１と同じ式で表
せるのでここでは省略する。

【００５９】・上面Ｚ座標：Ｚｕi サーボ偏差 ＝ Ｐｕi − Ｐｕo 面振れ誤差 ＝((θＳＤ１i−θＳＤ１o）＋（θＳＤ２
i−θＳＤ２o))／Ｄ３×formｕ（Ｒidata） Ｚｕi ＝ Ｚ１ｕi ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ・下面Ｚ座標：Ｚｄi サーボ偏差 ＝ Ｐｄi − Ｐｄo 面振れ誤差 ＝((θＳＤ１i−θＳＤ１o）＋（θＳＤ２
i−θＳＤ２o))／Ｄ３×formｄ（Ｒidata） 基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１i−ＶＤ１o）＋（ＶＤ２
i−ＶＤ２o））／２ Ｚｄi ＝ Ｚ１ｄi ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差
＋ 基準ミラー間伸縮 このように、被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形
状の測定を同時に行うと、測定時間の短縮を期待するこ
とができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、光プローブは、前
記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブ
と、及び被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プ
ローブとから成っており、前記上面光プローブは、水平
方向となるＲ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ、及び
鉛直方向となるＺ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上
に設けられ、前記下面光プローブは、前記Ｒ軸方向に移
動可能な下面Ｒステージ、及び前記Ｚ軸方向に移動可能
な下面Ｚステージ上に設けられ、前記被測定物はＺ軸回
転成分となるθ軸方向に移動可能なθステージ上に水平
方向に保持された状態で載置され、前記上面光プローブ
と前記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物の
θ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、
同一なＲ−Ｚ面上に配置された位置検出手段と、前記光
プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤
差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運
動誤差検出手段とを備え、前記光プローブは前記被測定
物との距離が常に略一定となるようにＺ軸方向に移動さ
せながら当該被測定物の形状に沿って走査させ、走査中
に複数の任意の位置で、前記位置検出手段と前記運動誤
差検出手段により光プローブの位置及びその運動誤差を
同期で検出し、この情報から前記被測定物の上面及び下
面の形状を算出するので、被測定物を水平方向に保持し
て使用する場合、反転機構等を設けることなく、使用時
と同じ状態で被測定物の上面及び下面の形状測定を実施
することができるため、従来のように、下面形状の測定
結果に、被測定物を反転させて生じた重力による歪み誤
差が付加されるといった不具合を避けることができ、高
精度な面形状測定が行うことができる。 また、光プロ
ーブを利用した面形状測定であって、光の干渉を利用し
ていないため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせ
ず、干渉を利用した装置よりも多様な形状の被測定物の
測定が可能となる。

【００６１】さらに、被測定物の上面形状及び下面形状
の同時測定を実施するなら、測定時間の短縮を図ること
ができるという、以上のような効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す３次元形状測定機の
要部概略図

【図２】図１の３次元形状測定機を示す側面図

【図３】Ｒ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ測長器を示
す配置構成図

【図４】θステージを示す概略構成図

【図５】光プローブの概略構成を示す光学配置図

【図６】Ｚ軸のサーボの構成を示すブロック図

【図７】レーザ測長器の概略構成を示す光学配置図

【図８】光プローブの位置データの取り込みパターン例
を示す説明図

【図９】従来のＸ−Ｙ−Ｚ座標を用いた３次元形状測定
機を示す概略構成図

【図１０】従来の干渉を利用した３次元形状測定機を示
す光学配置図

【符号の説明】

１ 被測定物 １ｕ 被測定物の上面 １ｄ 被測定物の下面 ２ｕ 上面光プローブ ２ｄ 下面光プローブ ３ｕ 上面Ｒステージ ３ｄ 下面Ｒステージ ４ｕ 上面Ｚステージ ４ｄ 下面Ｚステージ ５ｕ 上面Ｚ基準ミラー ５ｄ 下面Ｚ基準ミラー ６ｕ 上面Ｒ基準ミラー ６ｄ 下面Ｒ基準ミラー ７ ハウジング部（θステージ） ８ ロータ部（θステージ） ９ａｕ等 レーザ測長器 １０ スケール検出部（ロータリーエンコーダ） １１ａ，１１ｂ θラジアル測定用基準ミラー １１ｃ〜１１ｆ 上下伸縮測定用基準ミラー １２ｕ，１２ｄ 架台 １３ スケール １４ａ θスラスト基準ミラー １４ｂ θラジアル基準ミラー １５ レーザ光源

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA39 AA53 DD14 FF17 FF49 FF52 FF55 GG04 HH04 HH13 JJ02 JJ05 JJ15 JJ25 LL09 LL12 LL17 LL36 LL37 MM04 MM07 PP22 2F069 AA04 AA66 AA83 EE03 GG04 GG07 GG58 GG59 HH09 HH15 JJ08 JJ17 2H045 AG09 BA14 BA15 BA20 BA22

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水平方向及びこれに垂直方向に移動可能
   な非接触型の光プローブを、被測定物の形状に沿って走
   査させて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測
   定機において、 前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走
   査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿
   って走査する下面光プローブとから成っており、前記上
   面光プローブと前記下面光プローブの走査位置、又は当
   該走査位置及び前記被測定物の回転角度を３次元位置情
   報として検出する位置検出手段と、 前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する
   運動誤差を検出する運動誤差検出手段と、 を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検
   出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出す
   ることを特徴とする３次元形状測定機。
2. 【請求項２】 水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸
   周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用い
   て、使用時と同じ水平方向に保持された被測定物の形状
   を非接触型の光プローブを走査させて測定する３次元形
   状測定機において、 前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走
   査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿
   って走査する下面光プローブとから成っており、前記上
   面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な上面Ｒステー
   ジ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に配
   置され、前記下面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能
   な下面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚ
   ステージ上に配置され、前記被測定物は、ロータ部とこ
   のロータ部を支持するハウジング部より成る、前記θ軸
   方向に回転可能なθステージ上に載置されており、且
   つ、前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位
   置及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報と
   して検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された位
   置検出手段と、 前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する
   運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置さ
   れた運動誤差検出手段と、 を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検
   出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出す
   ることを特徴とする３次元形状測定機。
3. 【請求項３】 前記位置検出手段は、前記光プローブの
   Ｒ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段
   と、前記光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するた
   めのＺ軸位置検出手段と、前記θステージの回転角度を
   検出するためのθ軸位置検出手段とから成ることを特徴
   とする請求項２記載の３次元形状測定機。
4. 【請求項４】 前記Ｒ軸位置検出手段は、前記Ｚ軸に対
   して平行配置された上面及び下面Ｒ基準ミラーと、前記
   上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々２つずつ取り
   付けられ、前記上面及び下面Ｒ基準ミラーに対して垂直
   方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とす
   る請求項２、又は３記載の３次元形状測定機。
5. 【請求項５】 前記Ｚ軸位置検出手段は、前記Ｒ軸に対
   して平行配置された上面及び下面Ｚ基準ミラーと、前記
   上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々１つずつ取り
   付けられ、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーに対して垂直
   方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とす
   る請求項２、又は３記載の３次元形状測定機。
6. 【請求項６】 前記θ軸位置検出手段は、前記θステー
   ジの回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置さ
   れたθスケールと、これを検出するスケール検出部とか
   ら成ることを特徴とする請求項２、又は３記載の３次元
   形状測定機。
7. 【請求項７】 前記運動誤差検出手段は、前記θステー
   ジの前記ロータ部上に配置されたθスラスト基準ミラ
   ー、前記ロータ部の外周面に配置されたθラジアル基準
   ミラー、このθラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置
   いて対向して少なくとも２面設けたθラジアル測定用基
   準ミラー、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーの両端側近傍
   にそれぞれ配置され、当該上面及び下面Ｚ基準ミラーの
   距離変動を検出するために４面設けた上下伸縮測定用基
   準ミラー、これらの基準ミラー間の距離を測定するため
   の少なくとも６つのレーザ測長器とから成ることを特徴
   とする請求項２記載の３次元形状測定機。
8. 【請求項８】 水平方向及びこれに垂直方向に移動可能
   な非接触型の光プローブを、被測定物の形状に沿って走
   査させて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測
   定方法において、 前記被測定物の上面形状及び下面形状を前記光プローブ
   で走査させる際、前記被測定物と光プローブの距離が常
   に略一定となるように、当該光プローブを水平方向及び
   垂直方向に移動させながら被測定物の形状に沿って走査
   させ、この走査中に複数の任意の位置で、前記光プロー
   ブの位置情報とその運動誤差情報を検出し、これらの情
   報から算出した３次元位置情報を基にして前記被測定物
   の上面及び下面の形状を算出することを特徴とする３次
   元形状測定方法。
9. 【請求項９】 水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸
   周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用い、
   使用時と同じ水平方向に保持された被測定物の３次元形
   状を光プローブを走査させて測定する３次元形状測定方
   法において、前記被測定物の上面形状及び下面形状を前
   記光プローブで走査させる際、前記被測定物と光プロー
   ブの距離が常に略一定となるように、当該光プローブを
   Ｒ軸方向及びＺ軸方向に移動させながら被測定物の形状
   に沿って走査させ、この走査中に複数の任意の位置で、
   前記光プローブの位置情報とその運動誤差情報を検出
   し、これらの情報から算出した３次元位置情報を基にし
   て前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを
   特徴とする３次元形状測定方法。
10. 【請求項１０】 前記位置情報は、上面Ｒ基準ミラーと
    上面光プローブ問の距離Ｒｕ、上面Ｚ基準ミラーと上面
    光プローブ間の距離Ｚｕ、下面Ｒ基準ミラーと下面光プ
    ローブ間の距離Ｒｄ、下面Ｚ基準ミラーと下面光プロー
    ブ間の距離Ｚｄ、上面光プローブ及び下面光プローブの
    走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の偏差Ｐ
    ｕ及びＰｄ、被測定物の回転角度Ｒθ、から検出するこ
    とを特徴とする請求項４、５、６、又は９記載の３次元
    形状測定方法。
11. 【請求項１１】 前記運動誤差情報は、前記θステージ
    のスラスト方向の運動誤差θＳＤ、当該θステージのラ
    ジアル方向の運動誤差θＲＤ、前記上面Ｚ基準ミラーと
    下面Ｚ基準ミラー間の変動ＶＤ、から検出することを特
    徴とする請求項７、又は９記載の３次元形状測定方法。
12. 【請求項１２】 前記被測定物の上面形状を測定する
    際、前記上面光プローブが上面形状に沿って走査してい
    る間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上
    に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記
    被測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブ
    が下面形状に沿って走査している間、前記上面光プロー
    ブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下
    振動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基に
    して前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加える
    ことを特徴とした請求項２、又は９記載の３次元形状測
    定方法。
13. 【請求項１３】 前記被測定物の上面形状を測定する
    際、前記上面光プローブを被測定物の上面形状に沿っ
    て、前記下面光プローブを下面形状に沿って同時に走査
    させることを特徴とする請求項１、２、８、又は９記載
    の３次元形状測定方法。