JP4260180B2 - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定装置用プローブ - Google Patents

Description

本発明は、主に非球面レンズなどの測定物の形状等をナノメートルオーダーの超高精度で測定する三次元形状測定装置及び三次元形状測定装置用プローブに関するものである。

非球面レンズは光学設計で求められた設計値に対し、０．１ミクロン以下の誤差範囲で高精度に作らなければならず、非球面レンズの加工作業だけでこの精度を出せる加工機は存在しない。そこで、０．０１ミクロンオーダーの超高精度な三次元測定機を本発明者らは過去に発明した。この測定機は、非球面レンズ開発、製造の必需品として、広く使用されるにいたっている。その内容は、特許文献１〜４等に記載されている。この測定機により、測定した結果を非球面レンズの加工作業にフィードバックすることにより、０．１ミクロン以下の精度で非球面レンズの金型や非球面レンズを作ることができるようになった。

しかし、最近のデジタルカメラ等に使われる非球面レンズは、薄型化、高画質化、広角化や高ズーム倍率化等、要求はますます厳しくなり、形状精度だけ良くても良品とならなくなってきた。特に、従来の測定機では、非球面レンズの表裏面の光軸の傾き及び偏心が測定できないという問題が顕在化してきた。また、非球面レンズの表裏面のうちの片側からのみ測定できる測定機においても、ナノメートルオーダーへのさらなる高精度化と、工場の現場で作業者が簡単に使えるように、測定機の小型化と低価格化が求められている。

従来の非球面レンズの三次元形状測定機としては、前述のように非球面レンズやその金型の形状を、表裏面のうちの片面から０．０１ミクロンオーダーの超高精度で測定するものがあった。これを特許文献１〜４を参照して簡単に説明する。

図１０は、特許文献１に記載された超高精度三次元測定機の全体構成を示すものである。図１０において、ＸＹＺ座標を測定するための発振周波数安定化レーザ１３８と測長ユニットとＺスライド１１１とプローブ１１０を搭載した上石定盤１０６は、ＸＹステージ１２０、１２１によってＸＹ方向に動く。下石定盤１２３上にＸ参照ミラー１０３、Ｙ参照ミラー１０４、下石定盤１２３に固定された門型架台１０７に固定された上Ｚ参照ミラー１０８が固定され、測定物１０１の測定点の軸上で、発振周波数安定化レーザ１３８によりこれらの高平面ミラー（Ｘ参照ミラー１０３、Ｙ参照ミラー１０４、上Ｚ参照ミラー１０８）までの距離の変化を測定手段１１４，１１５，１１２，１１３でそれぞれ測定することにより、ＸＹステージ１２０、１２１の移動真直度が１ミクロンのオーダーであっても、参照ミラー１０３，１０４，１０８の平面度である１０ｎｍオーダーの座標軸精度を得ている。

図１１は、特許文献２に記載された三次元測定装置のプローブとＺ軸の構成を示す。プローブ２１０を含むＺ方向の可動部は巻かれた一対の薄板状バネ材２１７で自重分を吊るされている。これはコイルバネと比べ、短い長さで、長さ変化に対するバネ力変化が少ないので定荷重バネと呼んでいる。プローブ２１０を含むＺ可動部はコイル２１３で上下駆動させている。この構成により、測定面の凹凸に追随して軽い力でスムーズにプローブ２１０を上下させることができる。さらに、コイル２１３はプローブ２１０を含むＺ可動部の重心付近に駆動力がかかるので、駆動力によってＺエアスライド２１１の移動真直度への悪影響を最小限にしている。

図１２は、特許文献３に記載された三次元測定プローブを示す。測定物３０１に接するスタイラス３０５に固定された小摺動部３０６が小エアー軸受け３０７を含む可動部によってＺ方向に移動可能で、板バネ３５０によって支えられ、ミラー３０９が貼り付けられ、半導体レーザ３３４の光をミラー３０９に反射させ、小摺動部３０６の小エアー軸受け３０７に対する変位が一定になるようプローブ全体をリニアモータ３４４で駆動している。同じミラー３０９にＺ座標測定用の発振周波数安定化レーザ光が同じレンズ３１４により集光され、反射光からＺ座標を測定している。

図１３は、特許文献４に記載された形状測定装置を示す。特許文献１と同じ考え方だが、プローブ４０５がＸＹ方向に動くのではなく、測定物４０１とＸＹＺ参照ミラー４０３，４０４，４０２が一体となってＸＹ移動装置４２１によりＸＹ方向に動く構成になっている。

図１４は、特許文献５に記載された３次元形状測定装置を示す。上側と下側の両側からレンズ５０１の形状を測定できる装置である。

図１５は、特許文献６の説明図で、測定プローブをレンズ面にフォーカスサーボを掛けた後、中心出し、つまり頂点を捜し、これを測定面６０１の測定原点とするレンズ面形状の測定方法について記載されている。

特許文献７は、３つの真球が付いたレンズ固定治具を用いて、非球面レンズと３つの真球を表、裏でそれぞれ測定し、非球面レンズの傾き及び偏心を測定できる形状測定方法及び装置について記載されている。

特許文献８と９は、レンズを光軸方向を中心に回転させ、両側から形状を測定する方法について記載されている。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、特許文献１０に記載された接触式プローブの自重支持方法を示す。

特許第３０４６６３５号公報（第６頁、図１） 特許第２９７３６３７号公報（第５頁、図６） 特許第３０００８１９号公報（第３頁、図１） 特開平１０−１７０２４３号公報（第１１頁、図３） 特許第３４８６５４６号公報（第１３頁、図３） 特公平０７−６９１５８号公報（第５頁、図１） 特開２００２−７１３４４号公報 特許第３６０４９９６号公報 特開２００５−０６９７７５号公報 特開２００３−４２７４２号公報（第１９頁、図６）

（１） 独立形式の請求項に記載された本発明が解決しようとする課題を述べる。

前記従来の特許文献１〜４の構成では測定物を裏返さなければ表裏面を測定できないため、表裏面の測定座標系を同一にするため、例えば特許文献７に記載されているような冶具を使用しなければ、傾き及び偏心を測定することができないという課題がある。また、測定面の測定以外に冶具を測定しなければならないため、測定時間が大変長くかかるし、誤差発生要因も増えるという課題がある。

特許文献５は、測定物５０１の上から上面を、測定物５０１の下から下面を同時に測定できる構成である。サブミクロン以下の測定精度を達成するために、ＸＹＺのステージの移動真直度や直角度をサブミクロン以下にするのは無理なので、特許文献１と同様にＸ参照ミラー２０４ｕ，２０４ｄ、Ｙ参照ミラー（図示せず）、Ｚ参照ミラー２０６ｕ，２０６ｄを使用し、これらのミラーの平面度をＸＹＺ座標軸の基準としている。しかし、上下でそれぞれ異なるミラーを配置しているので、上下で異なるＸＹＺ座標系になっている。

しかし、測定物５０１の上下面を異なる座標系で測定すれば、測定物５０１の上下面の傾き及び偏心を測定できないことになる。そこで、測定物５０１と一体的に固定された３個の球を上下から測定し、３個の球の測定データから計算により測定物５０１の上下面の座標系の違いを補正している。

さらに、特許文献５は高価な参照ミラーを６枚も使用しており、極めて複雑、大型、高価となる上、測定面に加えて余分に３個の球面を測定しなければならないので時間が大変かかる。球の真球度や測定誤差が加わるので、傾き及び偏心測定結果に誤差を生じる、といった課題がある。

特許文献５の図である図１４で、Ｘ参照ミラーは２０４ｕと２０４ｄの２枚と、Ｚ参照ミラーが２０６ｕと２０６ｄの２枚と、Ｙ参照ミラー（図示せず）も２枚と、計６枚の参照ミラーが使用されている。

さらに、長さを測定するために、Ｘ軸が２０７ｕ、２０８ｕ、２０７ｄ、２０８ｄの四つのレーザ測長ユニット、Ｙ軸も四つのレーザ測長ユニット、Ｚ軸は２０９ｕ、２０９ｄの二つのレーザ測長ユニットと、計十個ものレーザ測長ユニットを使用している。レーザ測長ユニットには、一軸だけでプリズム、コーナキューブ、波長板等、多数の精密光学部品が必要であって、これを十軸も備えると、大量の精密光学部品が必要な、大変大掛かりで実用化が難しい装置であった。

特許文献５の構造では、参照ミラーが６枚、レーザ測長ユニットが１０軸はどうしても必要であって、減らしたくても減らせない。その理由を以下に説明する。

まず、Ｚ軸について説明する。Ｚ軸は、上プローブ２２１ｕの背面に配置した上側のミラー２０８ｕから上側のＺ参照ミラー２０６ｕまでの距離を、レーザ測長ユニットの一例としての上側のＺ測定用干渉計２０９ｕにより測定している。下プローブ２２１ｄも、下プローブ２２１ｄの背面に配置した下側のミラー２０８ｄから下側のＺ参照ミラー２０６ｄまでの距離を、レーザ測長ユニットの別の例としての下側のＺ測定用干渉計２０９ｄにより測定している。それぞれの干渉計２０９ｕ，２０９ｄは、プローブ２２１ｕ，２２１ｄの背面のミラー２０８ｕ，２０８ｄから参照ミラー２０６ｕ，２０６ｄまでの距離をレーザ干渉計２０９ｕ，２０９ｄにより直接測定しているので、どちらかのＺ参照ミラー２０６ｕ，２０６ｄを省けば、省かれたほうのＺ座標は測定不能となる。

Ｘ軸については、特許文献５の構成では、上プローブ２２１ｕは上側のガイド２２６ｕに沿って上下し、下プローブ２２６ｄは下側のガイド２２６ｄに沿って上下する。それぞれのガイド２２６ｕ、２２６ｄは、転がり軸受けのガイドを使用し、ボールネジ２２７ｕ，２２７ｄ、モータ２２９ｕ，２２９ｄの駆動で上下させている。このような構成では、０．１ミクロン以下の真直度達成さえ無理である。そこで、ガイド２２６ｕ、２２６ｄの移動真直度不足を補正するため、Ｘ座標を、上プローブ２２６ｕだけで距離Ｘ１ｕと距離Ｘ２ｕの２箇所を測定し、Ｚ軸ガイドの移動時の傾き変化を補正している。また、ガイド２２６ｕ、２２６ｄからスタイラスまでの距離も離れているので、熱膨張の影響等を排除するため、Ｘ座標はできるだけプローブ２２１ｕ，２２１ｄの近くで測定されている。

下プローブ２２１ｄは別の下側のガイド２２６ｄで上下するので、下プローブ２２１ｄの近くで同じく２箇所、距離Ｘ１ｄと距離Ｘ２ｄを測定している。どちらかのミラー、例えば下側のミラー２０４ｄを省いて上プローブ２２１ｕのＸ座標測定データを充当すれば、下プローブ２２１ｄの下側のガイド２２６ｄの真直度不足、傾き、熱膨張等の誤差が大きく、高精度測定ができなくなる。したがって、上側のＸ参照ミラー２０４ｕと下側のＸ参照ミラー２０４ｄのどちらかを省くことはできない。

Ｙ軸についても、Ｘ軸と同様の理由から２つのＹ参照ミラーの一方を省くことはできない。

その結果、特許文献５の方式では、上と下で異なるＸＹＺ座標になっている。つまり、上側のＺ参照ミラー２０６ｕが上側のＸＹ座標平面、下側のＺ参照ミラー２０６ｄが下側のＸＹ座標平面を形成しており、両者を一致させることは不可能に近い。上側のＸ参照ミラー２０４ｕが上側のＹＺ座標平面、下側のＸ参照ミラー２０４ｄが下側のＹＺ座標平面を形成しており、両者を一致させることは不可能に近い。Ｙ参照ミラーも同様である。そこで、この例では３つの球を上下のプローブ２２１ｕ，２２１ｄで測定することにより、上下の座標系の不一致を補正している。従って、測定物を測る以外に、球を３個を測定することになり、測定物以外に３倍もの余分な測定が必要となる。

特許文献７はレンズと３つの球を１つの冶具に固定し、レンズと３つの球を表側から測り、冶具を裏返して裏側から測り、計算によりレンズの傾き及び偏心を測定できることが記載されている。これは、従来の特許文献１〜４に記載された超高精度三次元測定機をそのまま使えるメリットがあるが、測定物以外に３つの球を測るという３倍もの余分な測定が必要となる。

特許文献８は２個のプローブで上下、又は左右からレンズの両面を測定し、レンズの傾き及び偏心を測定しようとするものである。上下でそれぞれ異なるＺ参照ミラーとＸ参照ミラーを備えている点は特許文献５と同じ問題があるが、異なる点は、測定座標系が直交座標系ではなく、レンズを光軸方向を中心に回転させ、回転角度と半径から測定する極座標系である点である。この文献では、回転角度測定だけでなく、回転テーブルの振れ測定でレーザ測長ユニットを２組使用している。

極座標測定は、回転中心に２つのプローブ位置を合わせること、非球面レンズの光軸を極座標測定の回転中心と合わせること等、直交座標測定よりも必要調整項目が多く、誤差発生要因も多い。さらに、四角や細長いレンズは測定できないという直交座標測定に無い問題も加わる。

特許文献９も２個のプローブで左右からレンズの両面を極座標測定で測定し、レンズの傾き及び偏心を測定しようとするものであるが、極座標測定なので前記問題があり、加えて、ステージ精度の限界を超すための参照ミラー等の手段が無いので、ナノメートルオーダーの精度で非球面レンズの両面を測定することができないと思われる。

これらの問題のうち、装置全体を小型化するが前記本発明の課題である。

（２） 従属形式の請求項に記載された本発明が解決しようとする課題を述べる。

特許文献１〜４の方式がナノメートルオーダーの精度で非球面レンズを測定するための好適な構成であるが、非球面レンズの両面から測定するためには、特許文献１の構成では、測定物と石定盤の間にプローブを含むＺ軸部を入れなければならない。特許文献４の構成では、測定物とＺ参照ミラーの間にプローブを入れなければならない。

ところが、プローブはＺ方向に長いため、プローブを測定物と石定盤の間に挿入する事は難しかった。プローブを測定物と石定盤の間に無理に入れると、測定物と参照ミラーや石定盤との距離が長くなってしまい、振動や熱膨張等の精度劣化要因が無視できなくなった。

プローブが大きく縦に長い点を小さく短くする事が、従属形式の請求項に記載された本発明が解決しようとする課題である。なお、プローブを小さくすることは片面から測定する測定機においても、測定応答性向上、測定機の小型化、低コスト化のための重要な課題である。

（３） 従属形式の請求項に記載された本発明が解決しようとする課題を述べる。

特許文献１〜４の構成では、プローブの自重を支えるため上からバネで吊るしている。特許文献２の定荷重バネで支持する構成では、二つの巻かれた薄板よりなるバネにより上から引っぱっている。ところが、この従来装置の構成で、下側から測定するプローブを測定物と石定盤の間に挿入しようとしたら、このバネ部が長いので、Ｚ軸部が長くなるという課題と、バネ部がプローブの上側にあるので測定物と干渉するという課題がある。

一方、特許文献１０では、テコ６１６やプーリー６１８で、プローブ６０２の自重を支えている。しかしこれでは、プローブ６０２の可動部の質量が２倍になってしまう。

プローブの駆動は可動部にコイルを付け、固定部にある磁気回路のギャップ部にコイルを通し、電流を流して電磁力により駆動する方法が良い。フォーカス誤差信号がゼロになるよう、フォーカスサーボを掛ける事により、測定力を一定とし、速く測定面を走査できる方法である。送りのバックラッシュも無いし、移動真直度にも悪影響を及ぼさない。しかし、コイルでは大きな力を出せない。

つまり、特許文献１０の方法は、バランスさせるためにプローブの可動部の質量が２倍となるので、コイルによる早い走査ができないという課題がある。従って、特許文献１０ではモータとボールネジでプローブを駆動している。しかし、ボールネジ送りでは大きな力を出せるが応答性が悪いし、ネジのバックラッシュやネジの回転時の横方向への力による真直度悪化等の課題がある。

また、特許文献２の定荷重バネで支持する構成は、二つの巻かれた薄板よりなるバネの特性不ぞろいにより、Ｚ方向以外の力が発生することがあり、この力がＺ軸の移動真直度を悪化させることがあった。

従って、本発明の目的は、前記種々の問題のうち、プローブが軽くなり、応答性が良くなるとともに、小型軽量化ができかつコストダウンできる三次元形状測定装置及び三次元形状測定装置用プローブを提供することにある。

また、従属形式の請求項に記載された本発明の目的としては、前記目的以外に、前記種々の問題のうちの残りの問題を解決することであって、測定物の表裏を同時に共通の座標系で超高精度に測定し、測定物の表裏面の傾きと偏心を超高精度に算出することができる三次元形状測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

（１）独立形式の請求項に記載された本発明の第１態様によれば、互いに直交するＸＹＺ座標系において、ＸＹ方向を平面とするＺ参照ミラーと、ＹＺ方向を平面とするＸ参照ミラーと、ＸＺ方向を平面とするＹ参照ミラーと、測定物を保持する測定物保持部材の少なくとも前記４個の部材の位置関係が固定された第１ユニットと、
第１スタイラスを内蔵する第１測定プローブと、第２スタイラスを内蔵しかつ前記第１スタイラスと前記第２スタイラスとが前記測定物を挟んで互いに向かい合うように配置される第２測定プローブと、前記第１スタイラスに一体的に固定されたＺｆミラーと、前記第２スタイラスに一体的に固定されたＺｂミラーと、前記２つの測定プローブがそれぞれ独立してＺ方向に移動できる測定プローブ移動装置を少なくとも有した第２ユニットと、
前記第１ユニット、又は前記第２ユニットを相対的に移動させるＸＹ方向移動装置と、
前記第２ユニットに配置したＸＹＺ座標測定用レーザ光発生装置と、
前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｘ参照ミラーに照射し、前記Ｘ参照ミラーで反射した反射光から、前記第１ユニットのＸ座標を測定するＸ座標測定装置と、
前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｙ参照ミラーに照射し、前記Ｙ参照ミラーで反射した反射光から、前記第１ユニットのＹ座標を測定するＹ座標測定装置と、
前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚ参照ミラーに照射し、前記Ｚ参照ミラーで反射した反射光から、前記ＸＹ方向移動装置の移動中のＺ方向の変位である前記第１ユニットのＺ_１座標を測定するＺ_１座標測定装置と、
前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚｆミラーに照射し、前記Ｚｆミラーで反射した反射光から、前記第２ユニットに対する前記第１スタイラスのＺ方向の変位であるＺ_２座標を測定するＺ_２座標測定装置と、
前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚｂミラーに照射し、前記Ｚｂミラーで反射した反射光から、前記第２ユニットに対する前記第２スタイラスのＺ方向の変位であるＺ_３座標を測定するＺ_３座標測定装置と、
前記第１スタイラスに対向する前記測定物の前面のＺ座標であるＺｆ＝Ｚ_２＋Ｚ_１と、前記第２スタイラスに対向する前記測定物の後面のＺ座標であるＺｂ＝Ｚ_３＋Ｚ_１を求める前後面Ｚ座標演算装置と、
を備えた三次元形状測定装置を提供する。
本構成によって、ナノメートルオーダーで同一のＸＹＺ三次元座標系で測定物として例えば非球面レンズの表裏（前後）両面から２つのプローブで同時測定可能となり、非球面レンズの各面の形状だけでなく、両面間の傾き及び偏心を測定できる三次元形状測定装置を実用化可能な構成にできる。
本発明の第２態様によれば、前記２つの測定プローブをＺ方向へ移動させる前記測定プローブ移動装置の、前記２つの測定プローブを支持するＺ方向沿いの２つの可動部を案内するガイドレール部が同一の加工平面で構成されている第１の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
本発明の第３態様によれば、前記測定物保持部材に保持可能でかつ前記２つの測定プローブにより前後の両面を測定可能な球と、
前記測定プローブによる前記球の測定データと設計値との差が最小になるよう、前記測定データをＸＹＺ方向に座標変換を行うアライメント手段と、
前記アライメント手段によるアライメントの結果におけるそれぞれのＸＹ方向の座標変換量の差をＸＹ方向の位置ずれ量とし、前記アライメントの結果におけるそれぞれのＺ方向の座標変換量の差に前記球の直径を加算することによりＺ方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出手段と、
をさらに備えるようにした第１又は２の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
本発明の第４態様によれば、前記２つの測定プローブのうちのどちらかの測定プローブによる測定データのＸＹＺ座標に前記位置ずれ量を加算し、前記２つの測定プローブによる測定データが同一のＸＹＺ座標系による測定データとする演算部と、
前記第１測定プローブによる前記測定物の前面の測定データと、前記第２測定プローブによる前記測定物の後面の測定データを、それぞれの設計値とのずれが最小になるよう、ＸＹＺ方向の平行移動とＸＹＺ軸を中心とした回転方向ＡＢＣ軸の最大計６軸の座標変換を行うアライメント手段と、
この前面と後面のアライメント結果の回転方向Ａ、Ｂ、Ｃ軸の値の差を前面と後面の傾きとして算出する傾き算出手段と、
前面又は後面のどちらかを基準面、基準面でない面を第２面としたとき、前記アライメント結果により得られた基準面の中心を原点とした座標系における前記測定点の位置ずれ量を加算した第２面の測定データを前記基準面のアライメント結果に従って座標変換したときの第２面の中心のＸＹ座標を前記基準面に対する前記第２面の偏心として算出する偏心算出手段を備えた第３の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

（２）従属形式の請求項に記載された本発明の第５態様によれば、前記測定プローブは、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から発せられたレーザ光を、前記スタイラスと一体に形成されたミラーに集光させるレンズと、
このレンズによって前記ミラーの反射面上に集光した後、前記反射面で反射したレーザ光のレーザ光路中に配置されかつ同心円状で、同心円の中心が前記レーザ光路からずれた位置に形成された回折格子と、
この回折格子による回折プラス一次回折光を受光する第１の光検出器群と、
前記回折格子による回折マイナス一次回折光を受光する第２の光検出器群とを備えて、
前記第１の光検出器群と前記第２の光検出器群の出力をフォーカス誤差信号として、前記レンズを少なくとも内蔵するように構成された、第１〜４のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
このような構成によれば、プローブを小さく短くする事ができる。

（３）従属形式の請求項に記載された本発明の第６態様によれば、前記測定プローブは、フォーカスサーボの為のフォーカス誤差信号を発生する機能を持ち、
このプローブと、前記プローブを測定プローブ移動装置によりＺ方向に可動とする可動部との重量を支えるワイヤと、
このワイヤが滑車を介して連結されかつ前記可動部の可動全域に渡って前記プローブと前記可動部との重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板より構成される定荷重バネとをさらに備えるようにした、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
このような構成によれば、測定物の下側から測定するときに、プローブを支えるバネが測定物と干渉することを防ぐことができる。
本発明の第７態様によれば、レーザ光源と、
前記レーザ光源から発せられたこのレーザ光を、スタイラスと一体に形成されたミラーに集光させるレンズと、
このレンズによって前記ミラーのミラー反射面上に集光した後、前記反射面で反射したレーザ光のレーザ光路中に配置されかつ同心円状で、同心円の中心が前記レーザ光路からずれた位置に形成された回折格子と、
この回折格子による回折プラス一次回折光を受光する第１の光検出器群と、
前記回折格子による回折マイナス一次回折光を受光する第２の光検出器群とを備えて、
前記第１の光検出器群と前記第２の光検出器群の出力をフォーカス誤差信号として、前記レンズを少なくとも内蔵するように構成された三次元形状測定装置用測定プローブを提供する。
このような構成によれば、プローブを小さく短くする事ができる。

以上のように、本発明によれば、参照ミラーは３枚、座標測定装置は５軸といずれも従来例の半分の個数となったので、プローブが軽くなり、応答性が良くなるとともに、小型軽量化ができて、三次元形状測定装置のコストを半減させることができる。

また、本発明の１つの態様によれば、２つのプローブによる測定座標系の参照ミラーを共通化したことにより、ＸＹＺ測定座標系を完全に一致させ、測定物（例えば非球面レンズ）の前後の面（表裏両面）の測定データを同じ座標系で得ることができるので、従来例のように測定物以外に３つの球を測定する必要も無く、測定時間も半減以下となり、測定誤差発生要因も少なくなるので、測定精度も向上するといった非常に大きな効果がある。言い換えれば、従来では、測定物の表裏から２つのプローブで測定するとき、表裏の座標系が超高精度には一致していなかったので、表と裏の面間の傾きと偏心を正しく測定できないとともに、構造が複雑、大型化し、片面から測定する装置に比べ、製作が極めて困難であったが、本発明の前記態様によれば、前記した構成により、測定物の表裏の座標系が超高精度に一致し、特に非球面レンズの表裏面を同一座標系で同時に超高精度で測定することによって、非球面レンズの表面と裏面の傾きと偏心を正しく、ナノメートルオーダーの超高精度で測定できるとともに、構造が簡素化し、小型化することができて、片面から測定する装置に比べても、製作が容易になるといった優れた効果を奏するものである。

また、本発明の第５及び第７態様によれば、プローブを小さく短くする事ができるので、測定物の上下から測定する測定機を作るときに参照ミラーと測定物の距離が短くできるので、熱膨張や振動による誤差が小さくすることができる。測定物の片側から測定する測定機においても、プローブが軽くなり、応答性が良くなる点と、測定機を小型軽量化とコストダウンできるという効果がある。

さらに、本発明の第６態様によれば、測定物の下側から上向きに測定するときに、プローブを支えるバネが測定物と干渉することを防ぐことができる点と、二つの巻かれた薄板よりなる定荷重バネの特性不ぞろいにより、引っ張り方向に対し横方向の力が発生したとき、ワイヤとの連結位置が横にずれたとしても、ワイヤが滑車をくぐった後の位置は横方向にずれないので、Ｚ軸部を引っ張る力は常に完全に一方向のみとなり、Ｚ軸の移動真直度に悪影響を及ぼすことがなくなる。

以上のように本発明の三次元形状測定装置により、従来、測定物の表裏面間の傾き及び偏心が測定できない為、良品ができないという問題のあった、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話付属カメラ、ＤＶＤや次世代大容量光ディスク、レーザプリンター、プロジェクター、広角監視カメラ、等々の幅広い分野におけるレンズ、特に非球面レンズの傾き及び偏心を測定可能となり、こうした光学部品の開発製造の品質、歩留り向上を実現することができる。

また、測定物の面形状を片側から測定する装置においても、測定機の小型化、低コスト化、高精度化を達成できる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における三次元形状測定装置の構成を示す正面図、図２は図１の中心で切断して右から見た右断面側面図、図３Ａ及び図３Ｂは斜視図及びその一部拡大図である。

前記三次元形状測定装置は、下石定盤２３と、下石定盤２３の上面の背面側に立設固定された側面石定盤２４と、測定物保持部材９８とＺ参照ミラー（Ｚ方向参照ミラー、以下単に「Ｚ参照ミラー」と称する。）２とＸ参照ミラー（Ｘ方向参照ミラー、以下単に「Ｘ参照ミラー」と称する。）３とＹ参照ミラー（Ｙ方向参照ミラー、以下単に「Ｙ参照ミラー」と称する。）４とを有する第１ユニットＡと、Ｚｆミラー部９ｆとＺｂミラー部９ｂと測定プローブ１０と測定プローブ移動装置９３とを有する第２ユニットＢと、第１ユニットＡをＸＹ方向に移動させるＸＹ方向移動装置９９と、ＸＹＺ座標測定用レーザ光発生装置の一例としてのＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ３８と、Ｘ座標測定装置２７と、Ｙ座標測定装置３６と、Ｚ_１座標測定装置３５と、Ｚ_２座標測定装置２８と、Ｚ_３座標測定装置３７と、前後面Ｚ座標演算装置の一例としての演算部９４と、制御部９６とを備えて構成するようにしている。

ＸＹ方向移動装置９９は、下石定盤２３の上に配置されて、ＸＹ方向に基台９７を移動可能としている。

Ｚ参照ミラー２は、測定物１の直下のＸＹ方向移動装置９９の上に載置された基台９７に固定されかつ反射面が下向きでかつＺ方向（高さ方向）と直交するように配置されている。

Ｘ参照ミラー３は、基台９７に固定されて測定物１の正面側から向かって左側（図１の測定物１の左側）に位置する固定壁３ａの上部の測定物１とは反対側の面に配置されかつＸ方向と直交するように配置されている。

Ｙ参照ミラー４は、基台９７に固定されて測定物１の背面側に位置する固定壁４ａの上部の測定物１とは反対側の面に配置されかつＹ方向と直交するように配置されている。

測定物１を測定物保持板部９８ｄの貫通穴９８ａ内に保持する逆Ｌ字状の測定物保持部材９８とＺ参照ミラー２とＸ参照ミラー３とＹ参照ミラー４との位置関係が固定されるように、これらの部材９８，２，３，４が一体的に基台９７に固定されている。これらの測定物保持部材９８とＺ参照ミラー２とＸ参照ミラー３とＹ参照ミラー４とをそれらの固定部分すなわち固定壁３ａ及び固定壁４ａ及び基台９７も含めて、「第１ユニットＡ」と呼ぶ。この第１実施形態においては、第１ユニットＡは、ＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に動く。

なお、測定物保持部材９８の測定物保持板部９８ｄの貫通穴９８ｅ内には、図３Ｃに詳細に示すように、測定物１を中央貫通穴１ｆに載置保持する測定物支持板１ｅを、上からはめ込んでいる。

ＸＹ方向移動装置９９は、下石定盤２３上にＹ方向に移動可能に配置されたＹステージ２２と、Ｙステージ２２上にＸ方向に移動可能に配置されかつ基台９７を載置固定したＸステージ２１とより構成されている。

制御部９６は、ＸＹ方向移動装置９９すなわちＸステージ２１の図示しない駆動装置とＹステージ２２の図示しない駆動装置と、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ３８と、Ｘ座標測定装置２７と、Ｙ座標測定装置３６と、Ｚ_１座標測定装置３５と、Ｚ_２座標測定装置２８と、Ｚ_３座標測定装置３７と、前後面Ｚ座標演算装置の一例としての演算部９４と、フォーカスサーボ機構９５を有する測定プローブ移動装置９３と、一体化素子３４（半導体レーザ３１とフォーカス受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ）などに接続されて、それぞれの動作制御を行なうようにしている。

これら３枚の参照ミラー２，３，４はそれぞれ平面度が極めて良く研磨されており、これらの平面がＸＹ座標軸を形成し、基台９７などにより測定物１と一体的に固定されているので、測定物１の測定面形状を測定するためのナノメートルオーダーの超高精度なＸＹ座標軸が形成されたことになる。

この第１実施形態では、測定物１の前後方向（図２の左右方向）から走査して測定物１の形状を測定する測定プローブ１０は、Ｚエアスライドガイド部の一例としての大エアー軸受け１１の上側と下側の位置に、それぞれ独立して上下動可能に取り付けられている。上下の大エアー軸受け１１は、４つのスライドガイド面を有する四角柱の共通のガイドレール部１１ｇに対して、上下の測定プローブ１０を支持する上下の大略四角筒状の可動部（ガイド部）１１ｆ，１１ｂがＺ方向沿いにスライド可能に支持されて構成されている。上下の測定プローブ１０を区別して説明するときは、上側の測定プローブを１０ｆ、下側の測定プローブを１０ｂという風にｆｒｏｎｔ（上面側すなわち表面側）とｂａｃｋ（下面側すなわち裏面側）の頭文字「ｆ」と「ｂ」を付けて説明することにする。しかしながら、以下の説明では、特に上下の測定プローブ１０を区別しなくてもよい場合には、ｆとｂは省略する。

各測定プローブ１０には、図６に示すように、スタイラス５と、測定プローブケーシング１０ａの一端に配置されかつ前記スタイラス５に連結固定された小摺動軸部６と、測定プローブケーシング１０ａに支持されかつこの小摺動軸部６を測定プローブケーシング１０ａに対してＺ方向に移動可能にガイドする小エアー軸受け７と、測定プローブケーシング１０ａに支持されかつ前記小エアー軸受け７において小摺動軸部６の位置が前後しようとするとき平衡点に押し戻すバネ力を発生させる板バネなどより構成されるバネ力発生装置５０と、前記小摺動軸部６の前記スタイラス５とは反対側に配置したミラー部９と、測定プローブケーシング１０ａの他端に配置されかつ半導体レーザ及びフォーカス受光部が一体化された一体化素子３４と、測定プローブケーシング１０ａの屈曲部に配置されかつ一体化素子３４から発光した半導体レーザ光を全反射する一方、側面石定盤２４に配置された発振周波数安定化レーザの一例としてのＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ３８（図２参照）から発光したＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚを全透過するダイクロイックミラー１５と、測定プローブケーシング１０ａに支持されかつ前記ダイクロイックミラー１５を透過した前記Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚ及び前記ダイクロイックミラー１５で全反射された半導体レーザ光をミラー部９にほぼ焦点が合うように収束させるレンズ１４とを内蔵している。なお、前記したそれぞれの装置又は部材において、上下を区別するときは、ｆとｂとをそれぞれに付している。すなわち、上下を区別するときは、上側のスタイラス５ｆ、下側のスタイラス５ｂ、上側の小摺動軸部６ｆ、下側の小摺動軸部６ｂ、上側の小エアー軸受け７ｆ、下側の小エアー軸受け７ｂ、上側のミラー部９ｆ、下側のミラー部９ｂ、上側の一体化素子３４ｆ、下側の一体化素子３４ｂ、上側のダイクロイックミラー１５ｆ、下側のダイクロイックミラー１５ｂ、上側のレンズ１４ｆ、下側のレンズ１４ｂと称している。

なお、図６において、３２は発散光を並行光に変換させるレンズであり、８はフォーカス誤差信号検出を行なうための回折格子であり、Ｓは測定物１の測定面であり、４８は小エアー軸受け７にエアーを供給するためのエアーチューブである。

一体化素子３４は、例えば、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、レーザ光源の一例としての半導体レーザ３１と、複数の受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆとより構成されている。この一体化素子３４の複数の受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆには、測定プローブ移動装置９３のフォーカスサーボ機構９５が接続されている。

測定プローブ移動装置９３は、フォーカスサーボ機構９５の一部を構成するリニアモータ駆動装置４３と、磁気回路１２内に配置されかつリニアモータ駆動装置４３により電流が流されることによりファラデー力を発生させて測定プローブ１０全体が支持される大エアー軸受け１１の可動部１１（１１ｆ，１１ｂ）をガイドレール部１１ｇに沿ってＺ方向にそれぞれ移動させるコイル１３（１３ｆ，１３ｂ）とより大略構成されている。

前記フォーカスサーボ機構９５は、複数の受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆが接続されて受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆからの信号をフォーカス誤差信号に変えるフォーカス誤差信号検出部４２と、フォーカス誤差信号検出部４２からのフォーカス誤差信号を電流に変える前記リニアモータ駆動装置４３とより構成されている。このリニアモータ駆動装置４３から前記コイル１３（１３ｆ，１３ｂ）に電流が流されることによりファラデー力を発生させて、測定プローブ１０全体が支持される大エアー軸受け１１の可動部１１（１１ｆ，１１ｂ）をガイドレール部１１ｇに沿ってＺ方向にそれぞれ移動させることにより、フォーカスサーボを行なうようにしている。なお、上下を区別するときは、ｆとｂとをそれぞれに付している。すなわち、上下を区別するときは、上側の磁気回路１２ｆ、下側の磁気回路１２ｂ、上側のコイル１３ｆ、下側のコイル１３ｂと称している。

ここで、一例として、スタイラス５が測定物１に０．１５ｍＮ程度の微小な測定力で接するとき、前記半導体レーザ光はミラー部９にほぼ焦点が合うように、測定プローブ１０のケーシング１０ａに対するレンズ１４の位置を設定するとする。ミラー部９で反射された反射光は、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４の受光部、具体的には複数の受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆに戻る。ＸＹ方向移動装置９９により測定物１をＸＹ方向に動かすと、測定物１の測定面に沿って高さが変わるので測定面に接触しているスタイラス５が上下することになり、従って、ミラー部９も上下する。このとき、ミラー部９から反射されて複数の受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆに戻った前記半導体レーザ光の光分布が変化するので、受光部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆからの信号をフォーカス誤差信号検出部４２でフォーカス誤差信号に変え、さらにリニアモータ駆動装置４３でフォーカス誤差信号を電流に変えて、コイル１３に電流を流す。コイル１３は、磁気回路１２の中をくぐっているので、電流に比例したファラデー力を発生する。この結果、測定プローブ１０全体が支持される可動部１１ｆ，１１ｂが大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇに沿ってＺ方向に動く。これを「フォーカスサーボ」と呼ぶ。

測定プローブ１０は、薄板のバネ材を渦巻状に巻いたものを対向させた構造でかつ伸び縮みに対しほぼ一体のバネ力を発生する一対の定荷重バネ１７により、測定プローブ１０の自重分と釣り合っている。

スタイラス５が測定物１の測定面Ｓに沿ってＺ方向に動くとき、前記フォーカスサーボ機構９５により測定プローブ１０全体を支持する可動部１１ｆ，１１ｂが大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇに沿ってＺ方向に移動するので、前記小エアー軸受け７において小摺動軸部６の位置が前後しようとするとき、平衡点に押し戻すバネ力発生装置５０によるバネ力はほぼ一定となり、したがって測定力もほぼ一定となる。

前記大エアー軸受け１１の可動部１１ｆ，１１ｂには、前記２つの測定プローブ１０ｆ，１０ｂを互いのスタイラス５ｆ，５ｂがＺ方向沿いに向かい合うように配置することによって、前記測定物１の表裏（図１などでは上下）の測定面Ｓでの測定を可能としている。

Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した５つのＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、以下のように使用される。なお、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した５つのＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚを形成するためには、レーザ光源を５個配置してもよいし、又は、１つ又は４個以下のレーザ光源を配置して、レーザ光源からのレーザ光を分岐して合計５つのＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚを形成するようにしてもよい。

Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した一つ目のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、Ｘ参照ミラー３の反射面（測定物１とは反対側の面）に照射し、Ｘ参照ミラー３の反射面で反射された反射光をＸ干渉光学系２５を経て、Ｘ座標測定装置の一例としてのＸ座標測定ユニット（Ｘ座標用レーザ測長ユニット）２７で受光して、受光されたレーザ光に基づきＸ座標測定ユニット２７により前記第１ユニットＡのＸ座標を測定する。ここで、Ｘ参照ミラー３は完全な平面と見なされるので、Ｘ参照ミラー３のＸ座標を測定することは、Ｘ干渉光学系２５とＸ参照ミラー３の反射面と間の距離Ｘ（図１参照）の変位量を測定することを意味する。

同じく、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した２つ目のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、Ｙ参照ミラー４に照射し、Ｙ参照ミラー４で反射された反射光をＹ座標測定装置の一例としてのＹ座標測定ユニット（Ｙ座標用レーザ測長ユニット）３６で受光して、受光されたレーザ光に基づきＹ座標測定ユニット３６により前記第１ユニットＡのＹ座標を測定する。Ｙ参照ミラー４は完全な平面と見なされるので、Ｙ座標を測定することは、ミラーとＹ参照ミラー４の反射面との距離Ｙ（図２参照）の変位量を測定することを意味する。

一方、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した３つ目のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、ミラー１６ｆで反射されてミラー部９ｆに照射され、ミラー部９ｆで反射された反射光が再びミラー１６ｆで反射されて、Ｚ_２座標測定装置の一例としてのＺ_２座標測定ユニット（Ｚ_２座標用レーザ測長ユニット）２８で受光して、受光されたレーザ光に基づきミラー部９ｆのＺ_２座標をＺ_２座標測定ユニット２８により測定する。Ｚ_２座標を測定することは、反射ミラー１６ｆの反射面からミラー部９ｆの反射面までの距離Ｚ_２（図２参照）の変位量を測定することを意味する。

Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した４つ目のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、反射透過ミラー２４ｊを透過してミラー１６ｂで反射されてミラー部９ｂに照射され、ミラー部９ｂに照射されたレーザ光がミラー部９ｂで反射され、その反射光が再びミラー１６ｂで反射されて反射透過ミラー２４ｊで反射されて、Ｚ_３座標測定装置の一例としてのＺ_３座標測定ユニット（Ｚ_３座標用レーザ測長ユニット）３７で受光して、受光されたレーザ光に基づきミラー部９ｂのＺ_３座標をＺ_３座標測定ユニット３７により測定する。Ｚ_３座標を測定することは、反射ミラー１６ｂの反射面からミラー部９ｂの反射面までの距離Ｚ_３（図２参照）の変位量を測定することを意味する。

ここで、スタイラス５ｆ，５ｂの先端の測定点とミラー部９ｆ，９ｂは一体構造なので、前記フォーカスサーボ機構９５でフォーカスサーボ誤差があっても、一切、測定誤差にならない構造である。

Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源３８から発光した５つ目のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚは、ミラー２０で反射したのちＺ参照ミラー２の下面である反射面で反射され、再びミラー２０を反射して、Ｚ_１座標測定装置の一例としてのＺ_１座標測定ユニット（Ｚ_１座標用レーザ測長ユニット）３５で受光して、受光されたレーザ光に基づきＺ_１測定ユニット３５により前記第１ユニットＡのＺ_１座標を測定する。Ｚ_１座標を測定することは、下石定盤２３に固定されたミラー２０の反射面からＺ参照ミラー２の反射面までの距離Ｚ_１（図１及び図２参照）の変位量を測定することを意味する。

なお、測定物１に対してプローブ１０を移動させながら、後述する中心出しを行ってプローブ１０が測定物１の中心に位置したのち、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ_２座標、Ｚ_３座標、Ｚ_１座標をゼロにリセットし、その後、距離Ｘ、距離Ｙ、距離Ｚ_２、距離Ｚ_３、距離Ｚ_１のそれぞれの変位量を測定する。

前述のように、測定物１を保持する測定物保持部材９８とＸ参照ミラー３とＹ参照ミラー４とＺ参照ミラー２は、一体的に位置関係が固定されて、ＸＹ座標軸を形成するとともに第１ユニットＡを構成している。これら第１ユニットＡが、Ｘステージ２１及びＹステージ２２によりＸＹ方向に一体的に移動されるが、Ｘステージ２１及びＹステージ２２の移動真直度をナノメートルオーダーにすることは不可能に近い。その理由は、Ｘステージ２１及びＹステージ２２でそれぞれ使用される転がり軸受けの真円度とガイドの真直度の足し算に加え、Ｙステージ２２の上にＸステージ２１が載っており、移動に伴い荷重の中心も変わって両部材が相対的にわずかに傾く事等があるためである。

そこで、Ｘステージ２１及びＹステージ２２がピッチング又はヨーイングで傾いても、ＸＹ座標軸は、Ｘステージ２１及びＹステージ２２で形成されるのではなく、３枚の参照ミラー２，３，４で形成されており、測定物１の測定点の軸上でＸＹＺ座標を測定する構成となっているので、測定誤差は極めて少なくすることができる。

一方、Ｚ座標軸は、これらの参照ミラー２，３，４ではなく、大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇの真直度で決まる。小エアー軸受け７は前述のようにほとんど上下しない。

大エアー軸受け１１は、そのガイドレール部１１ｇのスライドガイド面を、ミラー同様、研磨により高平面度に作ることができるので、移動真直度をナノメートルオーダーのミラー平面度に近づけることができる。また、大エアー軸受け１１は、傾ける力に対して剛性が高い設計にすることができる。しかしながら、移動中の偏荷重があれば、ナノメートルオーダーでは大エアー軸受け１１が傾いてしまうことになる。そこで、大エアー軸受け１１の可動部１１ｆ，１１ｂのほぼ重心でそれぞれ一対の定荷重バネ１７ｆ，１７ｂで大エアー軸受け１１の可動部１１ｆ，１１ｂを支持し、ほぼ重心をコイル１３ｆ，１３ｂでＺ方向に駆動することにより、移動中の傾きも極力無くすような設計とすることができる。

小エアー軸受け７とその中を摺動する小摺動軸部６は、他に類例の無い程さらに微小なのエアー軸受けである。可動部１１ｆ，１１ｂの質量が０．２グラムしかない。これにより、０．１５ｍＮ（１５ｍｇ）という微小な測定力でも測定に十分な加速度応答ができる。

次に、Ｚ座標の測定について説明する。

測定物１を保持する測定物保持部材９８と一体的に基台９７に固定されたＺ参照ミラー２がＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に移動するが、Ｚ参照ミラー２の下にあるミラー２０は下石定盤２３に固定されており移動しないようにしている。前述のようにＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚから分岐した一つ目のレーザ光は、ミラー２０を反射したのちＺ参照ミラー２の反射面を反射し、Ｚ_１測定ユニット３５に戻り、Ｚ_１測定ユニット３５によりＺ_１座標を測定する。Ｚ参照ミラー２は完全な平面と見なされるので、Ｚ_１座標を測定することは、Ｘステージ２１及びＹステージ２２の移動真直度を測定していることになる。

分岐した４つ目のレーザ光Ｆｚは、上プローブ１０ｆのＺｆミラー部９ｆのＺ方向の変位であるＺ_２座標（三次元形状測定装置の固定部すなわち下石定盤２３と側面石定盤２４に対する変位であるＺ_２座標）を測定するときに利用する。分岐した５つ目のレーザ光は、下プローブ１０ｂのＺｂミラー部９ｂのＺ方向の変位であるＺ_３座標（三次元形状測定装置の固定部２３すなわち下石定盤２３と側面石定盤２４に対する変位であるＺ_３座標）を測定するときに利用する。測定物１の上面のＺ座標測定データＺｆはＺ_２＋Ｚ_１、測定物１の下面のＺ座標測定データＺｂはＺ_３＋Ｚ_１より求められる。この演算は、以下に示すように、前後面Ｚ座標演算装置の一例としての演算部９４により行なわれる。演算部９４には、Ｘ座標測定装置２７とＹ座標測定装置３６とＺ_１座標測定装置３５とＺ_２座標測定装置２８とＺ_３座標測定装置３７とが接続されて、それぞれの座標測定データが入力されている。一方、演算部９４で得られたデータは、制御部９６を介して出力装置９０から出力（例えば、ディスプレイなどに表示又は印刷装置で印刷）することができるようにしている。ＸＹ座標は測定物１の上側も下側も共通である。なお、出力装置９０では、他の実施形態における各種演算等の結果などを出力（例えば、ディスプレイなどに表示又は印刷装置で印刷）することができるようにしている。

前記Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ_１座標、Ｚ_２座標、Ｚ_３座標の計５つの座標の測定データ（測定値）は同時に一定時間間隔で演算部９４に取り込む。演算部９４への取り込み値から、測定物１の表面のＺ座標であるＺｆ座標の測定データは、Ｚ_２座標の測定データとＺ_１座標の測定データの和、測定物１の裏面のＺ座標であるＺｂ座標の測定データは、Ｚ_３座標の測定データとＺ_１座標の測定データの和を演算部９４によりそれぞれ計算し、測定データ列（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｆ_ｉ、Ｚｂ_ｉ）を演算部９４により得る。ここで、測定物１の表面の測定データ列は（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｆ_ｉ）、測定物１の裏面の測定データ列は（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｂ_ｉ）となる。ここで、ｉは、１，２，……と、一定時間間隔で取り込んだ測定値を意味している。例えば、ｉ＝１，２では、測定物１の表面の測定データ列は（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚｆ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚｆ_２）、測定物１の裏面の測定データ列は（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚｂ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚｂ_２）となる。

測定プローブ１０、大エアー軸受け１１等を含む部分を「第２ユニットＢ」と呼ぶと、この第１実施形態では、第１ユニットＡがＸステージ２１及びＹステージ２２に載っており、ＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に移動するように構成しているが、逆に、第１ユニットＡを側面石定盤２４及び下石定盤２３などの固定部に固定する一方、第２ユニットＢをＸステージ２１及びＹステージ２２に載せて第２ユニットＢをＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に移動するように構成する事もできる。

測定物１の三次元形状の測定開始前は、測定物１の上下のスタイラス５ｆ，５ｂは測定物１の測定面Ｓから離れているので、前述のフォーカスサーボは掛けられない。測定プローブ１０には、図示しないがＺ方向の位置検出器が取り付けられており、この位置検出器からの位置信号が、作業者により廻される手動駆動用ダイヤルにより変化させられる指令値になるよう、制御部９６による制御の下で、リニアモータ駆動装置４３で測定プローブ１０をＺ方向に移動させている（言い換えれば、作業者が手動駆動用ダイヤルを廻すことにより生じた入力情報に基づき、リニアモータ駆動装置４３が駆動されて、測定プローブ１０の先端が測定物１の測定面Ｓにほぼ当接する位置まで移動させられる）。これを「位置サーボ」と呼ぶ。

スタイラス５に測定力がかかっていないときは、小摺動軸部６の自重はバネ力発生装置５０のみで支えられている。このとき、ミラー部９がフォーカス位置から１０ミクロン程度、離れた焦点ずれ位置にあるように、レンズ１４を測定プローブケーシング１０ａに対してあらかじめＺ方向に位置調整しておく。一体化素子３４からの半導体レーザ光はフォーカス誤差信号を感度良く検出するため、図６に示すように、レンズ１４の開口一杯に入射させるが、Ｚ座標測定用のＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光Ｆｚはレンズ１４の開口より細い光束径で入射させるので、焦点深度が深く、１０ミクロン程度、焦点ずれ位置にＺミラー部９（Ｚｆミラー部９ｆ又はＺｂミラー部９ｂ）があっても反射光から十分にＺ座標を測定できる。

測定物１の三次元形状の測定は、測定物１を測定物保持部材９８の測定物保持板部９８ｄの貫通穴９８ａに取り付け、スタイラス５が測定物１の概略中心に来るよう、Ｘステージ２１又はＹステージ２２を動かし、前記手動駆動用ダイヤルを廻して上下のスタイラス５ｆ，５ｂを測定物１の上下の測定面Ｓに、両者の隙間が５ｍｍ以内となるように近づける。

次に、測定プローブ移動装置９３のフォーカスボタンを作業者が押すことにより前記手動駆動用ダイヤルに基づく手動駆動を解除して自動制御に切り替えることにより、スタイラス５は測定物１の測定面Ｓにゆっくり近づく。フォーカス誤差信号は一定の電圧を持っているが、これをモニターしておく。前記したようにスタイラス５が測定物１の測定面Ｓにゆっくり近づきスタイラス５が測定物１の測定面Ｓに触れたら、スタイラス５の測定力によりミラー部９が半導体レーザ光の焦点方向に動くので、ミラー部９が半導体レーザ光の焦点方向に動いたことをフォーカス誤差信号の変化により演算部で検出すると（言い換えれば、ミラー部９が焦点位置付近に着いたら）、位置サーボをフォーカスサーボに切り替える。そうすると、フォーカス誤差信号がゼロになるまで、制御部９６の制御の下に、リニアモータ駆動装置４３で測定プローブ１０を移動させる。これがフォーカスサーボがかかった状態である。

次に、自動中心出しを演算部により行う。この自動中心出しとは、測定物１が球、レンズ、又は、レンズ金型の場合、Ｘステージ２１又はＹステージ２２を動かして測定物１の頂点を探し、探した頂点を測定原点とする事である。この原理は、特許文献６に記載されているが、記載にわかりにくい点があるので、ここで簡単に説明する。

説明を簡単にするため、図１５で、測定物１（図１５では６０１）の測定面Ｓは球面とする。スタイラス５ｆ，５ｂの初期位置の座標測定データをＳ_ｏ（０，０）とし、求めたい測定物１の測定面Ｓの頂点の位置の座標測定データをＳ_１（Ｘａ，Ｚａ）とする。

次に、初期位置である座標測定データＳ_ｏの前後の点（Ｘ_１，Ｚ_１）と（―Ｘ_１，Ｚ_２）を、前記第１実施形態の三次元形状測定装置により測定する。そうすると、求める測定物１の測定面Ｓの頂点の位置のＸ座標Ｘａは

の式を使用して、演算部９４により、求めることができる。なお、特許文献６にあるように、さらに近似して、

の式を使用して、演算部９４により、求めるようにしても良い。ここで、「Ｒ」とは測定物の半径である。

自動中心出しは、測定物１の上下どちらかの測定データで行う。この自動中心出しの結果として、スタイラス５は測定物１の測定面Ｓの中心にあることになる。演算部９４により、Ｘ座標測定データとＹ座標測定データとＺ_２座標測定データとＺ_３座標測定データをそれぞれゼロにリセットし、測定原点とする。なお、別途、原点位置が変わらない機械原点を演算部９４により、設け、この機械原点を中心とした座標系における測定原点の位置を、演算部９４により、演算部９４に接続された図示しない記憶部に記録しておく事ができる。

次に、測定動作に移る。測定原点から測定したい経路に沿って測定物１をＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に移動させながら、Ｘ座標測定データとＹ座標測定データとＺ_２座標測定データとＺ_３座標測定データとを演算部９４により取り込む。

測定動作が終わると、ＸＹ方向移動装置９９により測定物１はＸＹ方向におけるスタート位置に戻り、フォーカスボタンを作業者が押すと、演算部９４によりスタイラス５は測定物１の上下の測定面Ｓから離れる。

以上、前記第１実施形態にかかる三次元形状測定装置によれば、参照ミラーは、Ｚ参照ミラー２とＸ参照ミラー３とＹ参照ミラー４との合計３枚、レーザ測長ユニットは、Ｘ座標測定装置２７とＹ座標測定装置３６とＺ_１座標測定装置３５とＺ_２座標測定装置２８とＺ_３座標測定装置３７との５軸と、いずれも従来例の半分の個数となったので、装置のコストが半減し、２つのプローブ１０ｆ，１０ｂによる測定座標系の参照ミラーを共通化したことにより、ＸＹＺ測定座標系を完全に一致させ、測定物１の一例としての非球面レンズの前後の測定面のＳ測定データを同じ座標系で得ることができる。従って、従来例のように測定物以外に３つの球を測定する必要も無く、測定時間も半減以下となり、測定誤差発生要因も少なくなるので、測定精度も向上するといった非常に大きな効果が得られる。

（第２実施形態）
第１実施形態では大エアー軸受け１１の構造自体については特に詳しく説明しなかったが、本発明の第２実施形態にかかる三次元形状測定装置では、前記２つの測定プローブ１０ｆ，１０ｂのＺ方向への前記測定プローブ移動装置９３のＺ方向沿いのガイド部すなわち大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇが、上下で同一の加工平面で構成されるようにしている。具体的には、図１に示すように、大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇは、その中央部の左側が測定物１との干渉を防ぐため切り取っている（１１ｐ参照）が、ガイドレール部１１ｇの右辺と紙面に平行な面が上下にひとつにつながっている。また、大エアー軸受け１１のガイドレール部１１ｇは４角柱なので４面あるが、これらは上下で同一の加工平面で形成されている。

このように構成することにより、上下のＺ軸の方向も傾き０．０５分以下で一致させることができる。これは、前述の上下面の傾きにおいて、必要な測定精度１分に対し、十分な精度である。

（第３実施形態）
第１及び第２実施形態で測定物１の表面と裏面を測定する座標軸の方向を完全に一致させることができることを説明した。しかし、０．１ミクロン以下の精度で、スタイラス５ｆと５ｂを同一Ｚ軸上に合わせることは、場合によっては、実際上は極めて困難になることがある。

そこで、本発明の第３実施形態にかかる三次元形状測定装置では、図４Ａ及び図３Ｄに示すように、真球度の良い基準球９１を測定物保持部材９８の測定物保持板部９８ｄの貫通穴９８ｅに支持し、支持された基準球９１をその表面（上面）と裏面（下面）からスタイラス５ｆと５ｂで測定する。基準球９１としては、真球度３０ｎｍのものも比較的容易に作ることができる。なお、測定物保持部材９８の測定物保持板部９８ｄの貫通穴９８ｅ内には、測定物１を中央貫通穴１ｆに載置保持する測定物支持板１ｅの代わりに、図３Ｄに詳細に示すように、基準球９１を中央貫通穴９１ｆに嵌合して係合保持する２枚の支持板９１ａ，９１ｂを、上からはめ込むことにより、基準球９１を測定物保持部材９８に支持している。

仮に、図４Ｂに示すように、上下のスタイラス５ｆと５ｂがＸ方向に寸法ｄだけ位置がずれているとする。両プローブ１０ｆ，１０ｂで基準球９１の表面と裏面を同時にＸＹ方向移動装置９９によりＸＹ方向に走査させて、位置を前記三次元形状測定装置により測定する。基準球９１の表面の測定データ列としては（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｆ_ｉ）を得るとともに、基準球９１の裏面の測定データ列としては（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｂ_ｉ）を得る。基準球９１の測定前に、前記自動中心出しをスタイラス５ｆの測定データで行う。測定原点がどちらも（０，０，０）となるが、スタイラス５ｂの測定データは横に寸法ｄだけずれ、図４Ｂのようになる。この寸法ｄはＸ方向のオフセット値である。

自動中心出しは、測定前に中心付近の２点測定で簡易的に測定原点を求めたもので、正確に原点を求めるために、次に、基準球９１の測定データ（測定値）の設計値からの誤差の平均二乗偏差（ＲＭＳ: Root Mean Square）が最小になるよう、測定データをＸＹＺ方向にアライメント手段８９により座標変換する。これを「アライメント」と呼ぶ。アライメントの詳細は特許文献７に記載されている。アライメント手段８９には、Ｘ座標測定装置２７とＹ座標測定装置３６とＺ_１座標測定装置３５とＺ_２座標測定装置２８とＺ_３座標測定装置３７とが接続されている。

アライメント手段８９によるアライメントは、ＸＹＺ方向と、ＸＹＺ方向の各軸を中心とした回転方向のＡＢＣ軸の計６軸の座標変換を行なうことを意味する。但し、測定物１が回転対称の非球面の場合はＺ方向の軸回りのＣ方向に回転させても形状は変わらないので、Ｃ方向を省いた計５軸となる。また、測定物１が球面の場合は、ＸＹＺ方向、または、ＡＢＺ方向の３軸のみとなる。

アライメント手段８９によるアライメントによって、位置ずれ量ｄは正確に算出される。この正確に算出された位置ずれ量ｄを利用して、アライメント手段８９に接続された位置ずれ検出手段８８により、例えば下側の測定データのＸ_ｉをＸ_ｉ＋ｄと補正し、Ｙ方向のずれも同様に補正する（この位置ずれ量ｄはＹ方向のオフセット値である。）。そして、基準球９１の直径はあらかじめ解っているので、位置ずれ検出手段８８に接続された演算部９４により、前記アライメントの結果におけるそれぞれのＺ方向の座標変換量の差に前記基準球９１の直径を加算することによりＺ方向の位置ずれを検出する。このように加算する代わりに、基準球９１の半径を上側の測定データＺｆに加算し、下側の測定データＺｂから半径を減算するようにしてもよい。要するに、上側の測定データＺｆと下側の測定データＺｂとの間の相対的な差として前記基準球９１の直径分だけ広がるようにすればよい（この基準球９１の直径分はＺ方向のオフセット値である。）。このような演算の結果として、図４Ｃのように上下で同一の座標系における基準球９１の測定データを求めることが出来る。この上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂで同一の原点を持つ座標系は絶対座標系として持っておく。

なお、座標軸の原点を一致させる方法については、上述の基準球９１を測定する方法以外にも考えられる。例えば、上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂを互いに直接接触させて、作業者が横から顕微鏡で見ながら上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂの位置を調整したり、位置ずれ量を測ることもできる。代わりに、基準球９１に代えて、厚さのわかっている板を測定して、上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂ間の距離を測定することもできる。厚さのわかっている板に、変形を伴う刻印を打つか、小さな貫通穴を開け、その位置を前記板の上下から、上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂにより測定すれば、上下の測定プローブ１０ｆ，１０ｂのＸＹ位置のずれを測定することもできる。

（第４実施形態）
図５Ａ〜図５Ｃで本発明の第４実施形態にかかる三次元形状測定装置を説明する。まず、測定物１がレンズであったとき、レンズの表面と裏面の傾きと偏心の定義から説明する。

レンズの光軸が測定面Ｓのほぼ中心にある両面回転対称非球面レンズが測定物１の場合、レンズの前面（表面）と後面（裏面）の光軸が一本ずつ決められるので、傾きとは、これらの光軸間のなす角度、偏心とは、図５Ｂ及び図５Ｃのように前面か後面を基準面としたときの、もうひとつの面である第２面の中心位置の座標と言う事ができる。

片面球面−片面回転対称非球面レンズが測定物１の場合は、球面側の光軸を一本決めることができないので、非球面側を基準面とし、球面の傾きか偏心かどちらかを一方を定義することができる。両面球面レンズが測定物１の場合は、面基準での傾き、偏心は定義できない。

回転非対称面レンズが測定物１の場合は前記光軸に加えてＸＹ軸が存在するので、両面回転非対称面レンズが測定物１の場合はこのＺ軸周りの回転角の差の傾きも定義できる。

次に、非球面レンズの傾き及び偏心測定法について説明する。

図５Ａのように測定物１である非球面レンズの前面と後面を同時に前記三次元形状測定装置により測定し、非球面レンズの前面の測定データ列（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｆ_ｉ）と、後面の測定データ列（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚｂ_ｉ）を演算部９４により得る。このときのＺ座標の原点は、それぞれの面の中心位置とするように、前記絶対座標系にオフセットをつけた相対座標系を用いる。この時点では、非球面レンズの前面の測定座標系と後面の測定座標系の二つの座標系が存在する。これらの座標系は、ＸＹ方向が共通で、Ｚ方向のみほぼ測定物１の厚さ分だけ原点が異なっている。

非球面レンズはＺ＝ｆ（Ｘ，Ｙ）の設計式で表される。演算部９４により測定データ列から設計値のＺを引くと、各点の誤差を、非球面レンズの前面がＺｆｄ_ｉ，非球面レンズの後面がＺｂｄ_ｉとすると、

により、前面の誤差と後面の誤差とが演算部９４により求められる。

この各点の誤差を二乗した総和が最小になるように、最小二乗法を用いてアライメント手段８９により座標変換する。これを「アライメント」と呼ぶ。このときの前面のアライメント量を（Ｘｆ、Ｙｆ、Ｚｆ、Ａｆ、Ｂｆ、Ｃｆ）、後面のアライメント量を（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ａｂ、Ｂｂ、Ｃｂ）とすると、求める傾きは（Ａｆ―Ａｂ、Ｂｆ―Ｂｂ、Ｃｆ―Ｃｆ）の式により、演算部９４により求められる。

前述のように回転対称レンズのときの傾きは（Ａｆ―Ａｂ、Ｂｆ―Ｂｂ）の式により、演算部９４により求められる。

そのときの傾き量は、

の式により、演算部９４により求められる。

片面が球面の場合は、例えば後面が球面の場合は後面のアライメントの可動軸を（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）又は（Ａｂ、Ｂｂ、Ｚｂ）のどちらかを選択できる。（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を選択したときは傾きは定義できないが、後述のように偏心を算出できる。（Ａｂ、Ｂｂ、Ｚｂ）を選択したときの傾きは、両面非球面と同じように算出できるが、偏心は定義できない。なお、３次元空間の座標系は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸と、各軸回りの回転軸Ａ，Ｂ，Ｃとがある。アライメントで座標変換するとき、全部の軸を動かすとは限らず、可動軸を設定すれば、可動軸のみを座標変換すればよい。

次に、偏心を求める手順を説明する。測定座標系の中心は、前記自動中心出しを行っているので、前面又は後面の概略中心にあるが、これは、あくまで測定物１の頂点又は底点を見つけるだけであって、測定物１が傾いていれば、測定物１の中心とは異なる。従って、前記座標変換量のＸＹ座標が、測定座標系に対する測定物１の中心のずれ、即ち測定座標系に対する測定物１の測定面の偏心と言う事ができる。

前面と後面とのＸＹ方向の偏心は、図５Ａのように測定座標系においては（Ｘｆ―Ｘｂ、Ｙｆ―Ｙｂ）の式により、演算部９４により求められる。しかし、この量はレンズの姿勢によって変わるので、一義的に偏心と定義できない。そこで、前述のように、偏心とは、図５Ｂ及び図５Ｃのように前面か後面を基準面としたときの後面か前面の第２面の中心位置の座標と定義する。図５Ｂ及び図５Ｃのように、どちらを基準面とするかで偏心は変わる。どちらかの面を基準面としたとき、他の面を前記した「第２面」と呼ぶ。

前記のように基準面と第２面の測定データは、Ｚ方向のオフセットの異なる相対座標で表されているが、このオフセット値は前もって測定されているので、第２面の測定データのＺ座標にこのオフセットＯを演算部９４により加算することで、両測定データは同一のＸＹＺ座標系による測定データとなる。これを「オフセット補正全測定データ」と呼ぶ。なお、この第４実施形態では、制御部９６にアライメント手段８９と位置ずれ検出手段８８とが接続された前記実施形態とは異なり、図５Ｄに示すように、制御部９６に、演算部９４とアライメント手段８９と傾き算出手段８６と偏心算出手段８５とが接続されており、この第４実施形態での演算処理を制御部９６の制御の下に実施できるようにしている。

例えば、後面を基準面としたときのオフセット補正全測定データにおける後面の中心座標は（―Ｘｂ、―Ｙｂ、―Ｚｂ）、前面の中心座標は（―Ｘｆ、―Ｙｆ、―Ｚｆ＋Ｏ）で表される。これを、まず、後面アライメント量（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）だけアライメント手段８９により座標変換する。そうすると、後面の中心座標は（０，０，０）、前面の中心座標は（Ｘｂ―Ｘｆ、Ｙｂ―Ｙｆ、Ｚｂ―Ｚｆ＋Ｏ）となる。

次に、この前面の中心座標を、後面のアライメント量のうちＸ軸とＹ軸周りの回転角、（Ａｂ、Ｂｂ）だけ傾き算出手段８６により回転させる。簡単のため、
（Ｘｂ―Ｘｆ、Ｙｂ―Ｙｆ、Ｚｂ―Ｚｆ＋Ｏ）＝（ｘ，ｙ，ｚ），（Ａｂ、Ｂｂ）＝（Ａ，Ｂ），
と置くと、回転後の第２面の座標（ｕ，ｖ，ｗ）は、座標変換の公式より、

の式を用いて、傾き算出手段８６により、傾きを求めることができる。すなわち、この前面と後面のアライメント結果の回転方向Ａ、Ｂ、Ｃ軸の値の差を前面と後面の傾きとして傾き算出手段８６により算出することができる。

求める基準面に対する第２面の偏心は、（ｕ，ｖ）であり、偏心量は、

の式を用いて、偏心算出手段８５により求めることができる。すなわち、前面又は後面のどちらかを基準面、基準面でない面を第２面としたとき、前記アライメント結果により得られた基準面の中心を原点とした座標系における前記測定点の位置ずれ量を加算した第２面の測定データを前記基準面のアライメント結果に従って座標変換したときの第２面の中心のＸＹ座標を、前記基準面に対する前記第２面の偏心として、偏心算出手段８５により算出する。

（第５実施形態）
図６は、本発明の第５実施形態にかかる三次元形状測定装置におけるプローブ１０の構成を示す。スタイラス５を支持するマイクロエアスライドである小摺動軸部６の上面にはミラー部９が貼り付けてあり、小摺動軸部６は、バネ力発生装置５０で小エアー軸受け７に連結されている。

発振周波数安定化ヘリウムネオンレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光）Ｆｚは、波長が６３３ｎｍで、この波長を全透過するダイクロイックミラー１５を透過してミラー部９（９ｆ，９ｂ）で反射して元の方向に戻り、Ｚ_２座標測定ユニット（Ｚ_２座標用レーザ測長ユニット）２８及びＺ_３座標測定ユニット（Ｚ_３座標用レーザ測長ユニット）３７のそれぞれにおいて、干渉法によるレーザ測長により、ミラー部９（９ｆ，９ｂ）のＺ座標を測定する。

一体化素子３４、言い換えれば、半導体レーザ発光・受光部には、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、半導体レーザ３１と６個の光検出器３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆが内蔵されている。回折格子８は、図７に示すように概略同心円の一部である、円弧状の溝８ａが多数並んだ回折格子となっている。半導体レーザ３１から出た光は、回折格子８により、その約半分がそのまま通過するゼロ次光となり、残りの他の半分は回折光となる。これらの半導体レーザ光は波長が７８０ｎｍ程度で、この波長を全反射するダイクロイックミラー１５を反射し、ゼロ次光のみ、レンズ１４によりミラー部９に絞り込まれる。回折光は収束光と発散光になるので、ミラー部９には絞り込まれない。

ミラー部９を反射したゼロ次光は、再び、ダイクロイックミラー１５を反射し、回折格子８でゼロ次光と回折光に分かれる。ゼロ次光は半導体レーザ３１側に戻るが、戻り光に強い多モード半導体レーザを使用すれば、戻り光によるパワー変動等の悪影響は無くせる。

半導体レーザより出射されたゼロ次光の焦点位置にミラー部９があるときは、図６でミラー部９で反射したゼロ次光の回折格子８によるプラス一次回折光は、半導体レーザ３１の下側の位置で光検出器３４Ｄ〜３４Ｆの手前つまり左側で絞られ、マイナス一次回折光は半導体レーザ３１の上側の位置で光検出器３４Ａ〜３４Ｃの右側で絞られる。つまり、図８Ａに示すように、±一次回折光は上下の光検出器３４Ａ〜３４Ｆの位置で同じ大きさの円形で照射される。

ミラー部９が前記ゼロ次光の焦点位置よりも遠い位置にあるときは、光検出器３４Ａ〜３４Ｆの位置では、プラス一次回折光は大きく、マイナス一次回折光は小さくなる（図８Ｂ参照）。ミラー部９が前記ゼロ次光の焦点位置よりも近い位置にあるときは、光検出器３４Ａ〜３４Ｆの位置では、プラス一次回折光は小さく、マイナス一次回折光は大きくなる（図８Ｃ参照）。

従って、図８Ａ〜図８Ｃのように、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆと分かれた光検出器において、（３４Ａの出力信号＋３４Ｃの出力信号＋３４Ｅの出力信号）−（３４Ｂの出力信号＋３４Ｄの出力信号＋３４Ｆの出力信号）をフォーカス誤差信号とすることができる。

本構成により、図１２の従来例に比べ、光プローブ１０の長さを半分以下に著しく短くできるし、従来のように個別にピンホールの位置を調整する必要が無くなり、大幅なコストダウンも可能となる。

（第６実施形態）
図９に本発明の第６実施形態にかかる三次元形状測定装置の下側部分を示す。プローブ１０は、大エアー軸受け１１の可動部１１ｂによりガイドレール部１１ｇに沿ってＺ方向に可動であって、プローブ１０と可動部１１ｂとの重量をワイヤ１９で上に引き、滑車１８を通して横から引き、一対の定荷重バネ１７に連結されている。

定荷重バネ１７は図１１に示す特許文献２に記載がある。定荷重バネ１７は、薄板を巻いて、互いに対向して一対配置したもので、コイルバネに比べ、長くしなくてもＺ方向の可動範囲全体にわたって、ほとんど一定の張力を発生するものである。

ブローブ１０は、コイル１３が磁気回路１２のギャップ部を通っているので、コイル１３に電流を流すと、電磁力で大エアー軸受け１１に沿ってＺ方向に可動部１１ｂがガイドレール部１１ｇに対して上下動する構成になっているが、この電磁力は、通常使用時はプローブ１０の自重の十分の一以内である。

理由は、測定力が小摺動軸部６の重量の十分の一程度であるから、小摺動軸部６は重力加速度の十分の一より速くは動かないからである。

従って、プローブ１０の重量をコイル１３による電磁力で支えることはできないので、自重分はバネで引く必要がある。さらに、Ｚ方向の可動範囲全域にわたってバネの張力がほとんど変わらない定荷重バネ１７を使用する。

定荷重バネ１７を使用しているので、図１６Ａ及び図１６Ｂに示す特許文献１０でバランス重りを用いるときのように、プローブ１０の質量が増すことはなく、コイル１３による駆動応答性も十分に取れる。

図１１に示す特許文献２では、定荷重バネを、直接、プローブに繋いでいたので、対向した二つの巻きバネの特性が完全に一致していなければ、横方向にも力がかかるので、プローブのＺ方向の移動真直度を悪化させることがあった。

しかしながら、この第６実施形態では、滑車１８を通じてワイヤ１９で引いているので、プローブ１０にかかる張力の方向は常に一定となるので、プローブ１０のＺ方向の移動真直度を悪化させることは無い。

従って、第６実施形態によれば、下から上向きに測定物１を測定するときに、プローブ１０を支える一対のバネ１７が測定物１と干渉することを防ぐことができる点と、二つの巻かれた薄板よりなる定荷重バネ１７の特性不ぞろいにより、引っ張り方向に対し横方向の力が発生したとき、ワイヤ１９との連結位置が横にずれたとしても、ワイヤ１９が滑車１８をくぐった後の位置は横方向にずれないので、可動部１１ｂを引っ張る力は常に完全に一方向のみとなり、Ｚ軸の移動真直度に悪影響を及ぼすことがなくなる。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の三次元形状測定装置及び三次元形状測定装置用プローブは、測定物例えば非球面レンズの表裏面を同一座標系で同時にナノメートルオーダーの超高精度で形状測定でき、その結果、非球面レンズの表裏面間の傾きと偏心の、従来に無い超高精度な測定と、従来よりはるかに簡単かつ短時間での測定を実現させ、その結果、表裏面間の傾き及び偏心の少ない良品非球面レンズ量産を実現させ、カメラ、ＤＶＤ、ムービー、カメラ付き携帯電話などの光応用商品の性能向上、小型軽量化、生産歩留まり向上等に大きく寄与することが期待できる。

図１は本発明の第１及び第２実施形態における三次元形状測定装置の正面図である。 図２は本発明の第１実施形態における三次元形状測定装置の右断面側面図である。 図３Ａは本発明の第１実施形態における三次元形状測定装置の斜視図（上側の一対の定荷重バネのうちの一方のバネは図示を省略）である。 図３Ｂは図３Ａの一部拡大斜視図である。 図３Ｃは本発明の第１実施形態における三次元形状測定装置の測定物保持部材の測定物保持板部に測定物を載置保持する状態を説明するための断面図である。 図３Ｄは本発明の第１実施形態における三次元形状測定装置の測定物保持部材の測定物保持板部に基準球を保持する状態を説明するための断面図である。 図４Ａは本発明の第３実施形態における三次元形状測定装置における基準球の測定の説明図である。 図４Ｂは本発明の第３実施形態における三次元形状測定装置における基準球の初期測定データの説明図である。 図４Ｃは本発明の第３実施形態における三次元形状測定装置における基準球の補正後の測定データの説明図である。 図５Ａは本発明の第４実施形態における三次元形状測定装置におけるレンズの測定データの説明図である。 図５Ｂは本発明の第４実施形態における三次元形状測定装置におけるレンズの前面基準での座標変換の説明図である。 図５Ｃは本発明の第４実施形態における三次元形状測定装置におけるレンズの後面基準での座標変換の説明図である。 図５Ｄは本発明の第４実施形態における三次元形状測定装置の演算処理部のブロック図である。 図６は本発明の第５実施形態におけるプローブの構成を示す一部断面説明図である。 図７は本発明の第５実施形態における回折格子の説明図である。 図８Ａは本発明の第５実施形態の三次元形状測定装置の一体化素子においてゼロ次光の焦点位置にミラー部があるときの説明図である。 図８Ｂは本発明の第５実施形態の三次元形状測定装置の一体化素子においてゼロ次光の焦点位置よりも遠い位置にミラー部があるときの説明図である。 図８Ｃは本発明の第５実施形態の三次元形状測定装置の一体化素子においてゼロ次光の焦点位置よりも近い位置にミラー部があるときの説明図である。 図９は本発明の第６実施形態における三次元形状測定装置の正面図である。 図１０は従来の超高精度三次元測定機の構成図である。 図１１は従来の三次元測定装置のプローブとＺ軸の構成図である。 図１２は従来の三次元測定プローブの説明図である。 図１３は従来の超高精度三次元測定機の構成図である。 図１４は従来の３次元形状測定装置の構成図である。 図１５は従来のレンズ面形状の測定方法の説明図である。 図１６Ａは従来の接触式プローブの説明図である。 図１６Ｂは従来の別の接触式プローブの説明図である。

符号の説明

１ 測定物
２ Ｚ参照ミラー（Ｚ方向参照ミラー）
３ Ｘ参照ミラー（Ｘ方向参照ミラー）
４ Ｙ参照ミラー（Ｙ方向参照ミラー）
５，５ｆ，５ｂ スタイラス
６，６ｆ，６ｂ 小摺動軸部
７，７ｆ，７ｂ 小エアー軸受け
８ 回折格子
９ ミラー部
９ｆ Ｚｆミラー部
９ｂ Ｚｂミラー部
１０，１０ｆ，１０ｂ 測定プローブ
１０ａ 測定プローブケーシング
１１ 大エアー軸受け
１１ｆ，１１ｂ 可動部
１１ｇ ガイドレール部
１２，１２ｆ，１２ｂ 磁気回路
１３，１３ｆ，１３ｂ コイル
１４，１４ｆ，１４ｂ レンズ
１５，１５ｆ，１５ｂ ダイクロイックミラー
１６，１６ｆ，１６ｂ ミラー
１７，１７ｆ，１７ｂ 定荷重バネ
１８ 滑車
１９，１９ｆ，１９ｂ ワイヤ
２０ ミラー
２１ Ｘステージ（Ｘ方向駆動用ステージ）
２２ Ｙステージ（Ｙ方向駆動用ステージ）
２３ 下石定盤
２４ 側面石定盤
２４ｊ 反射透過ミラー
２５ Ｘ干渉光学系
２６ エアー吸気部
２７ Ｘ座標測定ユニット
２８ Ｚ_２座標測定ユニット
３１ 半導体レーザ
３２ レンズ
３３ 波長板
３４，３４ｆ，３４ｂ 半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ フォーカス受光部
３５ Ｚ_１座標測定ユニット
３６ Ｙ座標測定ユニット
３７ Ｚ_３座標測定ユニット
３８ Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光源
３９ ハーフミラー
４０ ピンホール
４１ 光検出器
４２ フォーカス誤差信号検出部
４３ リニアモータ駆動装置
４８ エアーチューブ
５０ 板バネ（バネ力発生装置）
８５ 偏心算出手段
８６ 傾き算出手段
８８ 位置ずれ検出手段
８９ アライメント手段
９１ 基準球
９３ 測定プローブ移動装置
９４ 演算部
９５ フォーカスサーボ機構
９６ 制御部
９７ 基台
９８ 測定物保持部材
９８ａ 貫通穴
９８ｄ 測定物保持板部
９９ ＸＹ方向移動装置
Ａ 第１ユニット
Ｂ 第２ユニット
ｄ 位置ずれ量
Ｆｚ Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光
Ｓ 測定物の測定面
１０２ Ｚ_２レシーバー
１０３ Ｚ_１レシーバー
１０４ Ｙレシーバー
１０５ Ｘレシーバー
１０６ 上石定盤
１０７ 上Ｚ参照ミラー保持部
１０８ 上Ｚ参照ミラー
１０９ 対物レンズホルダー
２０４ Ｘ参照ミラー
２０５ Ｙ参照ミラー
２０６ Ｚ参照ミラー
２０７ Ｘ_１測定用干渉計
２０８ Ｘ_２測定用干渉計
２０９ Ｚｍ測定用干渉計
２１０ 測定箱
２１１ Ｚミラー突き当て駒
２１２ プランジャ
２１３ 接着駒
２１４ 引っ張りバネ
２１５ ネジ
２１６ ナット
２１８ Ｘミラー突き当て駒
２１９ プランジャ
２２０ 上下突き当て駒
２２１ プローブシャフト
２２２ 平行板バネ
２２３ ハウジング
２２４ 変位計
２２５ Ｚ軸スライド
２２６ Ｚ軸用ガイド
２２７ｕ，２２７ｄ Ｚ軸用ボールネジ
２２８ 減速機
２２９ｕ，２２９ｄ Ｚ軸モータ
２３０ エンコーダ
２３１ Ｙ軸スライド
２３２ Ｙ軸用ガイド
２３３ Ｙ軸減速機、モータ、エンコーダ
２３４ Ｘ軸スライド
２３５ Ｘ軸用ガイド
２３６ Ｘ軸用ボールネジ
２３７ Ｘ軸減速機、モータ、エンコーダ
２３８ 波長コンペンセータ

Claims (7)

1. 互いに直交するＸＹＺ座標系において、ＸＹ方向を平面とするＺ参照ミラーと、ＹＺ方向を平面とするＸ参照ミラーと、ＸＺ方向を平面とするＹ参照ミラーと、測定物を保持する測定物保持部材の少なくとも前記４個の部材の位置関係が固定された第１ユニットと、
   第１スタイラスを内蔵する第１測定プローブと、第２スタイラスを内蔵しかつ前記第１スタイラスと前記第２スタイラスとが前記測定物を挟んで互いに向かい合うように配置される第２測定プローブと、前記第１スタイラスに一体的に固定されたＺｆミラーと、前記第２スタイラスに一体的に固定されたＺｂミラーと、前記２つの測定プローブがそれぞれ独立してＺ方向に移動できる測定プローブ移動装置を少なくとも有した第２ユニットと、
   前記第１ユニット、又は前記第２ユニットを相対的に移動させるＸＹ方向移動装置と、
   前記第２ユニットに配置したＸＹＺ座標測定用レーザ光発生装置と、
   前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｘ参照ミラーに照射し、前記Ｘ参照ミラーで反射した反射光から、前記第１ユニットのＸ座標を測定するＸ座標測定装置と、
   前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｙ参照ミラーに照射し、前記Ｙ参照ミラーで反射した反射光から、前記第１ユニットのＹ座標を測定するＹ座標測定装置と、
   前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚ参照ミラーに照射し、前記Ｚ参照ミラーで反射した反射光から、前記ＸＹ方向移動装置の移動中のＺ方向の変位である前記第１ユニットのＺ_１座標を測定するＺ_１座標測定装置と、
   前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚｆミラーに照射し、前記Ｚｆミラーで反射した反射光から、前記第２ユニットに対する前記第１スタイラスのＺ方向の変位であるＺ_２座標を測定するＺ_２座標測定装置と、
   前記レーザ光発生装置から発生したレーザ光を前記Ｚｂミラーに照射し、前記Ｚｂミラーで反射した反射光から、前記第２ユニットに対する前記第２スタイラスのＺ方向の変位であるＺ_３座標を測定するＺ_３座標測定装置と、
   前記第１スタイラスに対向する前記測定物の前面のＺ座標であるＺｆ＝Ｚ_２＋Ｚ_１と、前記第２スタイラスに対向する前記測定物の後面のＺ座標であるＺｂ＝Ｚ_３＋Ｚ_１を求める前後面Ｚ座標演算装置と、
   を備えた三次元形状測定装置。
2. 前記２つの測定プローブをＺ方向へ移動させる前記測定プローブ移動装置の、前記２つの測定プローブを支持するＺ方向沿いの２つの可動部を案内するガイドレール部が同一の加工平面で構成されている請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記測定物保持部材に保持可能でかつ前記２つの測定プローブにより前後の両面を測定可能な球と、
   前記測定プローブによる前記球の測定データと設計値との差が最小になるよう、前記測定データをＸＹＺ方向に座標変換を行うアライメント手段と、
   前記アライメント手段によるアライメントの結果におけるそれぞれのＸＹ方向の座標変換量の差をＸＹ方向の位置ずれ量とし、前記アライメントの結果におけるそれぞれのＺ方向の座標変換量の差に前記球の直径を加算することによりＺ方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出手段と、
   をさらに備えるようにした請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記２つの測定プローブのうちのどちらかの測定プローブによる測定データのＸＹＺ座標に前記位置ずれ量を加算し、前記２つの測定プローブによる測定データが同一のＸＹＺ座標系による測定データとする演算部と、
   前記第１測定プローブによる前記測定物の前面の測定データと、前記第２測定プローブによる前記測定物の後面の測定データを、それぞれの設計値とのずれが最小になるよう、ＸＹＺ方向の平行移動とＸＹＺ軸を中心とした回転方向ＡＢＣ軸の最大計６軸の座標変換を行うアライメント手段と、
   この前面と後面のアライメント結果の回転方向Ａ、Ｂ、Ｃ軸の値の差を前面と後面の傾きとして算出する傾き算出手段と、
   前面又は後面のどちらかを基準面、基準面でない面を第２面としたとき、前記アライメント結果により得られた基準面の中心を原点とした座標系における前記測定点の位置ずれ量を加算した第２面の測定データを前記基準面のアライメント結果に従って座標変換したときの第２面の中心のＸＹ座標を前記基準面に対する前記第２面の偏心として算出する偏心算出手段を備えた請求項３に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記測定プローブは、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源から発せられたレーザ光を、前記スタイラスと一体に形成されたミラーに集光させるレンズと、
   このレンズによって前記ミラーの反射面上に集光した後、前記反射面で反射したレーザ光のレーザ光路中に配置されかつ同心円状で、同心円の中心が前記レーザ光路からずれた位置に形成された回折格子と、
   この回折格子による回折プラス一次回折光を受光する第１の光検出器群と、
   前記回折格子による回折マイナス一次回折光を受光する第２の光検出器群とを備えて、
   前記第１の光検出器群と前記第２の光検出器群の出力をフォーカス誤差信号として、前記レンズを少なくとも内蔵するように構成された、請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
6. 前記測定プローブは、フォーカスサーボの為のフォーカス誤差信号を発生する機能を持ち、
   このプローブと、前記プローブを測定プローブ移動装置によりＺ方向に可動とする可動部との重量を支えるワイヤと、
   このワイヤが滑車を介して連結されかつ前記可動部の可動全域に渡って前記プローブと前記可動部との重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板より構成される定荷重バネとをさらに備えるようにした、請求項１〜５のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
7. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から発せられたこのレーザ光を、スタイラスと一体に形成されたミラーに集光させるレンズと、
   このレンズによって前記ミラーのミラー反射面上に集光した後、前記反射面で反射したレーザ光のレーザ光路中に配置されかつ同心円状で、同心円の中心が前記レーザ光路からずれた位置に形成された回折格子と、
   この回折格子による回折プラス一次回折光を受光する第１の光検出器群と、
   前記回折格子による回折マイナス一次回折光を受光する第２の光検出器群とを備えて、
   前記第１の光検出器群と前記第２の光検出器群の出力をフォーカス誤差信号として、前記レンズを少なくとも内蔵するように構成された三次元形状測定装置用測定プローブ。

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