JP5171108B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精度、低測定力で任意の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関するものである。詳しくは、本発明は、微細化と高精度化が進む産業界のニーズに応えるため、より高精度、低測定力で任意形状を測定できる三次元形状測定装置に関するもので、被測定物の穴の内面や穴径の測定、外側面の形状や外径の測定、被測定物の一例としての非球面レンズの形状と外径に対するレンズ面の傾きや偏心、微細表面形状などをサブミクロン以下の高精度、１ｍＮ以下の低測定力で応答性良く速く信頼性良く測定できる三次元形状測定装置に関するものである。

被測定物の外側面、内側面、及び穴径等を、１ｍＮ以下の低測定力で走査測定可能な従来の三次元形状測定装置として、特許文献１があった。図１２は、前記特許文献１に記載された従来の三次元形状測定装置を示す。

側面プローブ１０１はＺ軸可動部２０１に連結され、図１２の「波線」部分より下側の部分が、「波線」部分より上側の部分である測定点情報決定部２２０に対してＺ軸方向に移動可能で、発振周波数安定化レーザ２１０から出射した座標測定用レーザ光２１１をスタイラス１２１と一体固定されたミラー１２３に照射し、Ｚ軸方向への移動に伴うミラー１２３からの反射光の光路長変化を測定点情報決定部２２０の位置座標測定部２２４ｃで光路長変化のない元のレーザ光と干渉させて、既知（例えば特許文献２）のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＺ軸方向移動量、つまり、Ｚ座標を測定する。

測定範囲が１００ｍｍ角以内の機種は、被測定物５０がＸＹステージによりＸＹ軸方向に移動し、発振周波数安定化レーザ２１０と測定点情報決定部２２０とＺ軸可動部２０１とプローブ１０１はＸＹ軸方向には動かない。測定範囲が２００ｍｍ角以上の機種は、発振周波数安定化レーザ２１０と測定点情報決定部２２０とＺ軸可動部２０１とプローブ１０１が、ＸＹステージによりＸＹ軸方向に移動し、被測定物５０は動かない構成となっている。

いずれの機種においても、発振周波数安定化レーザ２１０により、ＸＹ軸の移動距離を測定点情報決定部２２０の位置座標測定部２２４ａ，２２４ｂでレーザ測長法により測定する。被測定物５０の複数点の三次元座標を得ることにより、被測定物５０の形状を測定できる。

取付用部材１１１０に対してスタイラス１２１を有する揺動部材１１２０を任意方向に傾斜可能にして取付用部材１１１０に連結する連結機構１１３０を設け、上記揺動部材１１２０の傾斜角度の大きさがほぼ一定になるよう制御しながら、被測定物５０の被測定面１０５１を走査する。この構成により、Ｚ軸方向にはほぼ平行で、ＸＹ軸方向の任意方向に傾斜した側面形状を測定することができる。連結部材１１３１は、取付用部材１１１０に対向して揺動部材１１２０を、部材を用いて若しくは用いずに、例えば吊り下げるような形態にて支持する部材であり、上記スタイラス１２１を被測定物５０の被測定面１０５１に押圧する押圧力を生じさせる力であって揺動部材１１２０が傾斜しておらず上記光軸２１１ａに直交する初期状態の中立位置へ揺動部材１１２０を復元させる復元力を生じさせる部材である。

又、非球面レンズ等の自由曲面形状をナノメートルオーダーの超高精度で測定する従来の装置として、特許文献２に開示される装置がある。図１３は特許文献２に記載された従来の三次元形状測定用プローブ（上面プローブ６０）を示す。

該プローブ６０は、被測定面１に接触するスタイラス５を有して、光プローブ４５と一体的に固定されてリニアモータ４４によりＺ軸方向に移動可能でばね４６により自重分を支持されている。プローブ６０と光プローブ４５とリニアモータ４４とばね４６、又は被測定面１がＸＹステージによりＸＹ軸方向に移動可能で、ＸＹＺ軸方向の移動量が座標測定用レーザ光２１１によりレーザ測長法により測定される。

上下方向のみ移動可能なマイクロエアスライド６がマイクロスプリング４７により光プローブ４５と一体的に固定されたプローブ６０の外枠部分から吊るされ、被測定面１の上面からの測定力による変位をミラー９に、光プローブ４５からの半導体レーザ光を照射して測定し、この変位が一定になるよう光プローブ４５全体をリニアモータ４４によりＺ軸方向に駆動する。

特許文献２のプローブ６０では、被測定物の被測定面１における、垂直方向に沿う側面は測定することができない。

上面も側面も測定できるプローブとしては、図１４に示す特許文献３に開示されたタッチトリガプローブがある。ただし、これは、一点ごとに被測定面に接触して座標を測定するもので、連続した走査測定はできない。図１５に示す特許文献４に開示された倣いプローブは、上面も側面も測定でき、被測定面を連続走査測定ができるものである。ただし、これら特許文献３、特許文献４に記載されたプローブは、比較的大きな機械部品用で測定精度がミクロンオーダーまでのもので、測定力も１ｍＮより小さくはできない。

一方、測定精度がサブミクロンで測定力も小さい微細な被測定物を測定できるプローブとして、図１６Ａ及び図１６Ｂに示す特許文献５に開示されたプローブがある。スタイラス１１０が軸方向や傾き方向へ撓み事のできる膜状部材で支えられ、撓みセンサー１０６によってＺ軸方向の撓みとＸＹ軸方向への傾きを検知することができるので、このプローブは被測定物の水平方向に沿う上面も垂直方向に沿う側面も連続走査測定することができる。

図１７Ａ及び図１７Ｂは特許文献６に開示された原子間力顕微鏡を示す。上面のみ、走査測定が可能で、ナノメートル以下の高分解能、さらに低測定力であるが、測定範囲が０．１ｍｍ以下と極めて小さい。スタイラス１０の測定力による傾き変化をレーザ光２４の反射光の方向変化に変換し、光位置検出器２６により検出している。

図１８は特許文献７に開示された光変位センサの測定原理図である。

特許公開２００６−２８４４１０号公報 特許第３０００８１９号公報 特許第３８２０３５７号公報 特許第２６２８５２３号公報 特表２００６−５１４２７５号公報 特公平７−７６６９６号公報 特公平７−６９１５２号公報

特許文献１に開示されたプローブでは、図１２で「波線」より上の測定装置本体部の測定点情報決定部２２０に対し、「波線」より下のプローブ１０１を含むＺ軸可動部２０１がＺ軸方向に動く。ミラー１２３の傾斜角を、座標測定用レーザ光２１１のＺ軸方向に向かう反射光２１１ｂで検知している。

ところが、Ｚ軸可動部２０１の一部であるレンズ１４もＺ軸方向に動くが、この動きを座標測定用レーザ光２１１の光路と完全に一致させることができず、わずかにＸＹ軸方向にも動いてしまう。なぜなら、座標測定用レーザ光２１１の光路は完全な直線になるが、ＸＹステージの動きを完全な直線にできないためである。レンズ１４の移動方向を座標測定用レーザ光２１１の光路と完全に一致させることも、人が行う調整ではできないし、たとえレンズ１４の移動方向を座標測定用レーザ光２１１の光路と完全に一致させたとしても、長期使用中にレンズ１４の移動方向と座標測定用レーザ光２１１の光路がずれる可能性もある。

レンズ１４が、座標測定レーザ光２１１の光路からたとえ１ミクロンでも横にずれたとしたら、ミラー１２３への座標測定レーザ光２１１の集光点は１ミクロンだけ横方向にずれ、反射光２２１ｂの光路は、前記ずれ量（１ミクロン）の二倍、つまり、２ミクロンだけ横方向にずれる。つまり、ミラー１２３が傾斜しないのに、この例では反射光２１１ｂが横方向にずれることになる結果、２ミクロンの測定誤差が発生することになる。つまり、特許文献１に開示されたプローブでは、本発明の目的であるサブミクロン以下の測定精度を達成することができないことになる。これが、特許文献１の課題がある。

特許文献２では、図１３に示すように、光プローブ４５はスタイラス５のＺ軸方向の変位は検出できるが、スタイラス５の傾きは検出できない。

図１３で、半導体レーザ３１から出射したレーザ光は、電場の振動方向がＺ軸方向を向いた直線偏光なので、偏光プリズム３７を全透過し、四分の一波長板３３により円偏光となり、ダイクロイックミラー１５を全反射してミラー９に集光し、ミラー９で反射された反射光は再びダイクロイックミラー１５を全反射し、四分の一波長板３３により電場の振動方向がＸ軸方向を向いた直線偏光になるので、偏光プリズム３７を全反射し、レンズ２１で集光し、ハーフミラー１８で二つに分離し、集光点の前と後に置かれたピンホール１９をそれぞれ通過し、光検出器２０にそれぞれ入る光量差からフォーカス誤差信号を検出する。

フォーカス誤差信号を検出するためのレーザ光は、レンズ１４の開口一杯に入射させる必要があるので、太い光束にする必要がある。理由はフォーカス誤差信号検出感度を高めるためである。フォーカス誤差信号検出感度は、レンズ１４に入る光束径の二乗に比例する。つまり、光束径を半分にすると、フォーカス誤差信号検出感度は四分の一になってしまう。

一方、特許文献１のように、ミラーからの反射光の位置の横移動を４分割光検出器で検出する場合、傾き検出感度は光束径に反比例する。つまり、光束径が半分になればミラー傾きの検出感度が二倍になる。

したがって、図１３の構成のまま、半導体レーザ光の反射光をさらに分割して４分割光検出器で傾きを検出しようとしても、光束径が太いため、検出感度が低すぎて使えない。

座標測定用レーザ光２１１は光束径が細いが、前述の誤差発生の課題がある。

また、図１３ではフォーカス誤差信号を検出するためのレーザ光が、偏光プリズム３７の右方向から入り、ミラー９からの反射光がＺ軸方向に向かうので、ミラー９の傾きを検出するため、別に細い光束のレーザを別光路から同じミラー９に入射させ、また別光路に戻すのは物理的に光路のスペースが無いので不可能である。

図１４に示すタッチトリガプローブは、スタイラス１０が被測定面にタッチしたかどうかがわかるだけで、スタイラス１０の傾きや上下方向の変位を測定する機能は無い。

図１５に示す倣いプローブ１０Ｂは、スタイラス１０Ａの上下左右前後の移動量を検知できるが、プローブ１０Ｂの中にＸＹＺ軸方向の３つのエアスライド１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚと３つのリニアスケール１１Ｘ，１１Ｚ（Ｙ軸スケールは図示せず）を内蔵した大掛かりなプローブ１０Ｂであって、測定力によってこれらのスライド１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚを動かすので、１ｍＮ以下の低測定力には到底できないし、スライド部のガタや全体のひずみが発生するので、１ミクロン以下の高精度にはできないという課題がある。

図１６Ａ及び図１６Ｂに示すプローブでは、スタイラス１１０と一体に撓みセンサー１０６が計８個ついており、それぞれに電極が二本ずつ必要なので、電極線１２０が計１６本付いていて、撓みセンサー１０６の電極を押し付けるだけの構造となっている。撓みセンサー１０６を含めたスタイラス１１０を交換可能としていることから、電極線１２０と撓みセンサー１０６は半田付け等ができない。従って、長期使用による接触不良が懸念される。

また、スタイラス１１０に過度の力がかかったときに逃げが無く、電極線１２０が曲がって壊れる。さらに、測定作業者が頻繁に交換する可能性のあるスタイラス１１０に交換のたびに１６本もの電極を接触させるだけで間違いなく導通させることは、信頼性の面から、とても実用に耐えるものではない。測定装置において信頼性がもっとも大切である。以上のように図１６Ａ及び図１６Ｂに示す特許文献５のプローブは信頼性不足という課題がある。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、原子間力顕微鏡のスタイラス１０のレーザ光２４による変位検出法を示している。しかし、これはスタイラス１０の傾きと平行移動を分離して検出することはできない。また、被測定物の側面を測定することもできないという課題がある。

図１８の光変位センサは、被測定面からの距離を測定できるが、傾きを測定することはできない。あるいは傾きを検知したとしても、それが傾きなのか距離なのかわからないという課題がある。

図１９は、同じくスタイラス５のＺ軸方向の変位を検出するために、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体素子３４を使用しているが、傾きは検出できない。

以上のように従来技術はそれぞれ、測定誤差が発生する、測定力が大きすぎる、側面を測定できない、信頼性が低い、変位と傾きの両方を測定することができないといった課題を有していた。

詳しくは、従来技術には、小さくて軽いスタイラスの質量をほとんど増やさず、スタイラスに配線を繋ぐ必要も無く、スタイラスの軸方向の変位と傾きの両方を精度良く検出する方法が無かった。

つまり、スタイラスは測定力を検知して移動し、このスタイラスの移動量を検知して被測定物を測定する。一般に、測定時間は被測定物の製作コストに上乗せされるので、測定時間は短くしたい。一方、被測定物の信頼性から見ると、測定点数は多くしたいという相反するニーズがある。そのためには、スタイラスの応答性を最大限高める必要がある。スタイラスの応答性とは、スタイラス移動可能加速度のことである。ニュートンの運動方程式より、
スタイラス移動加速度＝測定力÷スタイラス質量
が成り立つが、測定力は小さいほうが良い。理由は、被測定面の変形や傷つきを無くしたいことと、スタイラスの磨耗を減らしたいことである。結局、スタイラスの質量を極力小さくするしか方法がない。

そこで、スタイラスに小さくて薄い、例えば直径３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、重さわずか３ｍｇのミラーを貼り付け、このミラー上にレーザ光を集光して、ミラーからの反射光からスタイラスの傾きや変位を検出できれば良い。

しかしながら、従来技術には、スタイラスに貼り付けられた薄くて小さいミラーの傾きと変位の両方を精度良く測定する方法が無かった。従って、被測定物の上面と側面を０．１ミクロン以下の測定精度で、１ｍＮ以下の測定力で応答性良く速く信頼性良く測定することができないという課題があった。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、スタイラスのスタイラス軸方向へのフォーカス変位とスタイラス軸方向に対する傾斜角度との両方を精度良く、スタイラスの質量をほとんど増やさず、信頼性良く検知することができて、被測定物の上面、又は被測定物の上面及び側面を、高精度でかつ低測定力で早く測定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。

前記目的を達成するために、本発明の第１態様にかかる三次元形状測定装置は、測定力を検知して被測定面の形状を測定可能なスタイラスと、
該スタイラスに固定されたミラーと、
該ミラーにレーザ光を集光させるレンズと、
該レンズに第１光束径で入射しかつ第１方向に偏光したフォーカス検出光と、前記第１光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい第２光束径で該レンズに入射しかつ前記第１方向とは直交する第２方向に偏光した傾き測定光と、互いに異なる光路から来た前記フォーカス検出光と前記傾き測定光の光路を前記レンズに入射させるために合成させ、前記ミラーから反射した前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を互いに異なる光路に分離する第１の偏光プリズムと、
前記ミラーから反射した第１のレーザ光を受光し、前記ミラーの反射面のフォーカス方向の変位を検出する光検出器と、
前記ミラーの反射面から反射した前記第２のレーザ光を受光し、前記ミラーの反射面の傾きによって生ずる前記ミラーの反射面からの反射光の位置変化を検出し、前記ミラーの反射面の傾きを検知する傾斜角度検出部と、
前記第１の偏光プリズムと、前記光検出器と、前記傾斜角度検出部と、前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を反射させ、これらの光とは異なる波長の測長用レーザ光を透過させるダイクロイックミラーとを少なくとも内蔵固定されたフォーカス傾き検出部と、
前記スタイラスと前記レンズと前記フォーカス傾き検出部とを一体としてＺ軸方向に移動させるＺ軸可動部とを備えるように構成している。

このように構成することにより、スタイラスの軸方向への変位と軸方向に対する傾きの両方を精度良く測定でき、被測定物の上面のみならず、側面、穴の内壁なども測定できる三次元形状測定装置とすることができる。

本発明の第２態様によれば、前記レーザ光を発する１つのレーザと、前記１つのレーザから発する前記レーザ光を２つのレーザ光に分割する第２の偏光プリズムとを備え、
前記第２の偏光プリズムにより分割した前記２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を前記フォーカス検出光となし、前記２つのレーザ光のうちの他方のレーザ光を、絞りにより前記フォーカス検出光の前記第１光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい前記第２光束径にして前記傾き測定光とした第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、
前記測長用レーザ光を前記レンズによって前記ミラーに集光させ、ミラーからの反射光から前記ミラーのＺ軸方向の座標を測定する位置座標測定部を備えた第１〜２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。

本発明の第４態様によれば、前記フォーカス傾き検出部は、前記光検出器と前記傾斜角度検出部と前記レンズとを少なくとも内蔵固定されているとともに、
前記Ｚ軸可動部は、前記スタイラスと、測長用レーザ光を集光させるための第２のレンズと、該第２のレンズによる前記測長用レーザ光の集光位置に置かれた第２のミラーとを一体としてＺ軸方向に移動させる一方、
前記測長用レーザ光の前記第２のミラーからの反射光から前記第２のミラーのＺ軸方向の座標を測定する位置座標測定部をさらに備えた第１〜２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。

本発明の第５態様によれば、前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な可撓性部材で支持されている第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。

本発明の第６態様によれば、前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な二枚の可撓性部材で支持されている第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。

本発明の第７態様によれば、前記スタイラスが、前記スタイラス軸方向に変位可能に支持された第１のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向に対して傾き可能に支持された第２のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対しての傾きが可能な第３のプローブの少なくとも２つの取り付けと、プローブ交換を可能とした第１〜６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。

本発明の第８態様によれば、前記プローブ交換の前と後で、それぞれのプローブにより前記被測定物の載置台に固定された真球度が０．５ミクロンよりも良い球の表面の三点以上の測定点の三次元座標を測定し、それぞれの測定データより、この球の位置のプローブ交換前と後の三次元座標を算出し、これらの三次元座標の差をプローブ交換前または後の三次元座標に加算することにより、プローブ交換による前記スタイラス位置のずれを補正する機能を有する演算部を更に備えた第７の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

以上のように、本発明によれば、前記第２光束径よりも大きく、前記レンズの開口径以上に大きい前記第１光束径の前記第１方向に偏光した前記フォーカス検出光と、前記第１光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい前記第２光束径の前記第１方向とは直交する前記第２方向に偏光した前記傾き測定光を、前記第１の偏光プリズムにより合成し、前記レンズにより前記スタイラスに貼り付けなどにより固定された前記ミラーに集光し、反射光を同じ前記第１の偏光プリズムによりそれぞれ異なる光路に分離し、前記フォーカス検出光の反射光は前記光検出器に入射して前記スタイラスのスタイラス軸方向の変位を検出し、前記傾き測定光の反射光は前記傾斜角度検出部に入射して前記スタイラスのスタイラス軸方向に対する傾斜角度を測定することにより、被測定面（被測定物の上面、又は、上面及び側面）を、高精度でかつ低測定力（例えば、１ｍＮ以下）で早く信頼性良く測定できる三次元形状測定装置を提供することができる。

すなわち、前記本発明の構成によれば、スタイラスのＺ軸方向の変位と傾斜を検出するためのプローブのＺ軸方向への移動に伴う測定誤差が発生せず、測定力によって動くスタイラスには薄くて小さいミラーを例えば貼り付けるなど固定するだけで、スタイラスの質量を極めて小さくできるので、測定力は小さく、被測定物を傷つけず、スタイラスの磨耗も少なく、応答は良く、速く測定でき、電極の接触不良等の心配が無く、被測定物上面、側面の両方を測定できる高精度で短時間で早く測定できる信頼性の高い三次元形状測定装置となる。このような測定装置が産業界に提供されれば、従来測定できないため作れなかった部品が製作可能となり、工業製品の精密微細化と高精度化と高い歩留まりのものづくりが実現する。

ここで、前記電極の接触不良等の心配が無いとは、本発明の前記第１態様に記載されたスタイラスとフォーカス方向の変位を検出する光検出器との間には、レーザ光しか介在していない。スタイラスと傾斜角度検出器との間にもレーザ光しか介在していない。つまり、電極線は無いので、接触不良は起こりようが無いことを意味している。これに対して、特許文献５の図１６の従来例では、スタイラスと一体で取り付けられている撓みセンサーが、プローブに電極線で接触しているので、接触不良が起こりうるのである。

また、特許文献１にはさらに以下の誤差発生要因がある。それは、ＸＹ軸に対してＺ軸をサブミクロン以下に完全に直角に調整することはほとんど不可能であるが、Ｚ軸可動部の移動方向がＸＹ軸に対して直角から１ミクロンでもずれていれば、測定誤差はその二倍の２ミクロンとなることである。実際問題として、垂直面を持つ測定面をＺ軸移動方向にほぼ合わせたとしても、合わせた値の二倍、測定データがずれたとしたら、測定者は困惑することになる。さらに、Ｚ軸可動部を移動真直度０．１ミクロン以下のエアスライドを使用しても、二倍の測定誤差０．２ミクロンが追加されるので、サブミクロン以下の測定精度達成はほとんど不可能となる。

これに対して、本発明の第１態様にかかる三次元形状測定装置では、すべての構成要素が一体としてＺ軸方向に移動するので、Ｚ軸可動部の移動真直度誤差の二倍が測定誤差になることはない。測定面をＺ軸移動方向にほぼ合わせたとしたら、測定データは合わせたときのずれ量と同じだけ測定データがずれるので、測定者にとって当然の測定結果となり、測定誤差とは呼ばない。Ｚ軸可動部は移動真直度０．１ミクロン以下のエアスライドなので、測定誤差は０．１ミクロン以下となる。さらにＸＹ軸に対してＺ軸が直角からずれていても、本発明の構成に本発明者による特許第２７４８７０２号の直角度誤差補正方法を使用すれば補正可能である。

つまり、真球面を測定すると、Ｚ軸が直角からわずかでもずれていれば、測定データは楕円面となる。Ｘ軸とＺ軸の直角からのずれ角をＣ、Ｙ軸とＺ軸の直角からのずれ角をＤとすると、補正前の３軸測定データＸＹＺに対し、Ｚa＝Ｚ＋ＣＸ＋ＤＹのように測定データが真球になるようＺ座標Ｚを座標Ｚaに入れ替えれば、直角度誤差は補正できる。

以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部２７と上側面プローブ１０２を示す。図２Ａ〜図２Ｄは図１に示したフォーカス及び傾き検出部２７の一部の部品の説明図、図３は図１に示したフォーカス及び傾き検出部２７と上側面プローブ１０２が取り付けられたＺ軸可動部４０１、図４は前記三次元形状測定装置の全体構成を示す。

本実施形態１の前記三次元形状測定装置は、被測定物５０が載置台４１に載置されて、ＸＹ軸方向駆動制御装置２２８の駆動でＸＹステージ１３０によりＸＹ軸方向に移動する一方、発振周波数安定化レーザ２１０と測定点情報決定部２２０とＺ軸可動部４０１とプローブ１０２はＸＹ軸方向には動かないように構成されている。

スタイラス１２１は、後述するように、可撓性部材６１により、プローブ取付用部材２の下部において、プローブ取付用部材２の軸方向言い換えれば上下方向に移動可能でかつ上下方向に対して傾斜可能に支持されている。

載置台４１上の被測定物５０の被測定面１に接触してこの上を走査する上側面プローブ１０２は、Ｚ軸可動部４０１に連結されて、石定盤１０５に対してＺ軸方向に移動可能としている。

石定盤１０５に固定された発振周波数安定化レーザ（発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ）２１０から出射した座標測定用レーザ光２１１を、スタイラス１２１のスタイラス軸１２２の上端に一体的に固定されたミラー１２３に照射し、Ｚ軸方向（上下方向）への移動に伴う光路長変化情報を含みかつミラー１２３から反射した反射光と、測定点情報決定部２２０のＺ軸方向のＺ_１及びＺ_２座標用位置座標測定部２２４Ｚ_１，２２４Ｚ_２で、光路長変化情報を含まない元のレーザ光と干渉させて、既知（例えば特許文献２）のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＺ軸方向移動量、つまり、Ｚ座標をＺ軸方向のＺ_１及びＺ_２座標用位置座標測定部２２４Ｚ_１，２２４Ｚ_２で測定する。また、発振周波数安定化レーザ２１０により、ＸＹ軸の移動距離を測定点情報決定部２２０のＸ及びＹ座標用位置座標測定部２２４Ｘ，２２４Ｙでレーザ測長法により測定する。被測定物５０の複数点の三次元座標を得ることにより、被測定物５０の形状を測定できる。

また、前記三次元形状測定装置は、三次元形状測定動作を制御する制御部１００を備えている。制御部１００は、ＸＹステージ１３０すなわちＸステージとＹステージをそれぞれ独立して駆動するＸＹ軸方向駆動制御装置２２８と、Ｚ軸方向駆動制御装置２２７と、発振周波数安定化レーザ２１０と、測定点情報決定部２２０と、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４と、演算部の一例として機能するスタイラス位置演算部２２３と、加算部２２５と、第２の半導体レーザ３８となどに接続されて、それぞれの動作制御を行なうことにより、三次元形状測定動作を制御するようにしている。

なお、図４において、１０３は前記三次元形状測定装置の外装カバー、１０４は外装カバー１０３の一面に設けられた開閉窓である。

なお、図１２など従来の技術と同じ又は類似する構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略したものもある。

図１において、フォーカス及び傾き検出部２７は、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４と、回折格子８と、コリメートレンズ３２と、偏光プリズム３７と、ダイクロイックミラー１５と、第２の半導体レーザ３８と、コリメートレンズ３２と、絞り２９と、ビームスプリッタ３９と、ミラー３０と、傾斜角度検出部２２２と、スタイラス位置演算部２２３と、フォーカス誤差信号検出部２２６とより大略構成されている。

偏光プリズム３７は、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４からＹ軸方向に進むレーザ光に対し、電場の振動方向がＸ軸方向を向いているレーザ光（Ｐ偏波）は全透過し、電場の振動方向がＺ軸方向を向いているレーザ光（Ｓ偏波）（フォーカス検出光）２１３は全反射するという性質を有している。

よって、図１では、偏光プリズム３７は、偏光方向によって、直進するレーザ光と、９０度方向への反射するレーザ光（フォーカス検出光）２１３とに分離される。偏光プリズム３７としては、他にウォラストンプリズム、ビームスプリッティンググラントムソンプリズム、ローションプリズムといったものもあり、これらは、異なる角度から来た偏光方向が互いに直交する入射光を同一方向にし、同一方向から来た反射光を偏光方向に応じて異なる角度に分離する機能があるので、使用可能である。

半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４は、図２Ａに示すように中央に半導体レーザ３１と上下に光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆが同一基板上に一体で形成されている。また、半導体レーザ３１は、レーザ光の電場の振動方向がＺ軸方向になるように固定されている。

一体化素子３４に組み込まれた半導体レーザ３１から発光したレーザ光は、回折格子８のスリット８ａを通過後、回折しない光はコリメートレンズ３２で太い光束径（第１光束径）の略平行光のフォーカス検出光２１３となる。このフォーカス検出光２１３の電場の振動方向がＺ軸方向なので、偏光プリズム３７を全反射し、ダイクロイックミラー１５を全反射したのち、レンズ１４の開口一杯に入射し、レンズ１４で、スタイラス１２１のスタイラス軸１２２の上端に貼付け固定されたミラー１２３上に小さく絞られる。

ここで、前記フォーカス検出光２１３における太い光束径（第１光束径）とは、後述する第２光束径より大きく、前記レンズ１４の開口径以上に大きい光束径を意味する。すなわち、フォーカス検出感度は(レンズ開口径÷レンズ焦点距離)の二乗に比例するので、第１光束径はレンズ開口径以上の太さにするのが好ましい。もし第１光束径がレンズ開口径より小さい場合、フォーカス感度は、(第１光束径÷レンズ焦点距離)の二乗に比例するので、第１光束径が小さいほどフォーカス感度は低くなり、良くない。しかし、レンズ開口径は、使用するレンズ１４の大きさにより異なるものであるため、第１光束径を絶対値に規定することができない。一方、第２光束径を、第１光束径と同じくレンズ１４の開口一杯にすると、ミラー１２３が傾いた場合、傾き検出用反射光がレンズ開口より外に出て、レンズ鏡筒に遮られ、傾き検出用の光検出器で、傾き検出用反射光が検知できなくなるので、傾き検出用反射光となる第２光束径は第１光束径より細くする必要がある。しかし、レンズ開口径は、使用するレンズ１４の大きさにより異なるものであるため、第２光束径も絶対値に規定することができない。傾き検出用反射光は傾きに比例して移動するが、反射光が平行光ならば、傾き検出用の光検出器として４分割光検出器を使用するとき、傾き信号は、第２光束径が細いほど検出感度は高くなる。しかし、傾き検出用の光検出器が４分割光検出器ではなく、光位置検出器を使用するならば、光位置検出器では光位置の移動を見るので、傾き検出用反射光が、レンズ開口に遮られないならば、それ以上、第２光束径を細くしても検出感度は変わらない。また、レンズ１４に入射する傾き測定光を平行光ではなく発散光にして、反射光が４分割光検出器上に絞られるようにするならば、検出感度は極めて高くなるので、レンズ１４に入射する第２光束径をレンズ開口径より細くするだけで、それ以上細くしても検出感度は変わらない。よって、第１光束径は、第２光束径より大きく、前記レンズ１４の開口径以上に大きくすればよく、第２光束径は、逆に、第１光束径より小さく、前記レンズ１４の開口径よりも小さければよい。

なお、回折格子８で回折したレーザ出射光は、回折格子が図２Ｂに示すように略同心円の一部の形状なので、上下に回折し、発散光と収束光になるため、光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆに戻らないので無視できる。

ミラー１２３は、先端（図１の下端）に真球度が良く硬いルビー球等のスタイラス１２１が付けられたスタイラス軸１２２の上端に貼り付けられている。スタイラス軸１２２は、筒状のプローブ取付用部材２に対して、上下に間隔をあけてかつ固定枠６３でそれぞれプローブ取付用部材２の内周面に固定された２枚の可撓性部材６１により、上下方向の移動と上下方向に対する傾きが可能な状態で支持されており、スタイラス１２１等の自重を支持している。なお、ミラー１２３は可撓性部材６１と接触しないようにしている。このような構造のプローブは、被測定物５０の上面も側面も測定可能なので、「上側面プローブ１０２」と呼ぶ。可撓性部材６１の例としては、ゴム、プラスチック、切込みにより三次元方向に変位可能とした金属薄板、等より構成される円形薄板が使用可能である。

上側面プローブ１０２のスタイラス軸１２２は、図１のように可撓性部材６１の二枚で支持されている構造により、下からの測定力でも、横からの測定力でも、同じ測定力でも、スタイラス１２１の上変位と横変位とをほぼ同じにすることができる。本実施形態１の上側面プローブ１０２は、一例として、下からでも横からでも測定力０．３ｍＮで変位が１０ミクロン程度になっている。

また、可撓性部材６１の二枚で支持する構造としたことにより、スタイラス１２１を、十分な長さのスタイラス軸１２２によって可撓性部材６１よりも下方に突き出させることができ、色々な形状の被測定面１に接するとき、プローブ取付用部材２等の周辺の構造体ができるだけ被測定面１にぶつからないようにすることができる。ここで、十分な長さのスタイラス軸１２２とは、例えば、プローブの直径に対するスタイラス１２１の突き出し量の比率が十分に大きいことを意味している。実際の寸法としては、測定したい物に合わせて設計すればよいが、この比率が小さい、つまりプローブ径が大きくてスタイラス１２１の突き出し量が小さい場合には、測定できる範囲の制限が大きくなる。二枚の可撓性部材６１の構成では、図１に示すように、比率は１以上にすることができるが、一枚の可撓性部材６１の構成では、図８に示すように比率は０．５程度にしかできない。立体物を測定するとき、立体物に上方に突き出した部分があると測定の邪魔になり、奥（突き出していない部分）まで測定できない。なお、実例としては、スタイラス１２１の突き出し量の長さは１０〜２０ｍｍとし、かつ、測定物寸法に合わせて可変とする。

ミラー１２３が、レンズ１４で絞られたフォーカス検出光２１３の焦点位置にあるときは、ミラー１２３からのフォーカス検出光２１３の反射光は、レンズ１４により略平行光になり、ダイクロイックミラー１５を全反射し、偏光プリズム３７を全反射して回折格子８を通過後、一体化素子３４に戻る。この反射光の回折しない光はレーザ３１に戻るが、これも、レーザ３１に戻った戻り光に影響されにくい半導体レーザをレーザ３１として使用すれば無視できる。

ミラー１２３からのフォーカス検出光２１３の反射光の一部は、回折格子８で回折し、図２Ｃのように、一次光は下側の光検出器３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆの方向に向かい、光検出器３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆより前方で絞られるので、図２Ａのように光検出器３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ上では一定の大きさの円形となる。マイナス一次光は、上側の光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの方向に向かい、光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃより後方で絞られるので、同じく光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ上では一定の大きさの円形となる。

一体化素子３４は、その受光部が光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆのように分離されており、それぞれの領域（光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆ）で受光した光量をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとすると、｛（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）−（Ｂ＋Ｄ＋Ｆ）｝がフォーカス誤差信号となり、フォーカス誤差信号検出部２２６で検出される。

ミラー１２３が前記焦点位置にあると｛（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）−（Ｂ＋Ｄ＋Ｆ）｝がゼロとなる。一方、ミラー１２３が前記焦点位置よりレーザ３１側に近づくと、一次光が小さく、マイナス一次光が大きくなるので、｛（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）−（Ｂ＋Ｄ＋Ｆ）｝がプラスとなる。ミラー１２３が焦点位置よりレーザ３１側から遠ざかると、一次光が大きく、マイナス一次光が小さくなるので、｛（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）−（Ｂ＋Ｄ＋Ｆ）｝はマイナスとなる。

測定開始前は、スタイラス１２１は被測定物５０から離れている。このとき、スタイラス１２１等の自重は可撓性部材６１により支えられており、フォーカス誤差信号が例えば−１ボルト程度になるようにレンズ１４の位置をプローブ取付用部材２に対して上下に調節して取付けておく。このとき、ミラー１２３は、フォーカス検出光２１３の集光位置（焦点位置）より例えば１０ミクロン程、下方にある。

Ｚ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２は、フォーカス検出光２１３と傾き測定光２２１とは異なる波長を有しており、ダイクロイックミラー１５を全透過して、レンズ１４に、細い光束径（第２光束径）で入射するので、ミラー１２３上に集光するが焦点深度が例えば１０ミクロンの倍以上あり、測定開始前でも測定中でもＺ_２座標を測定できる。ここで、Ｚ_２座標を測定することは、ダイクロイックミラー１５の反射面からミラー１２３の反射面までの距離Ｚ_２（図１参照）の変位量を測定することを意味する。

図４に示すように、被測定物５０は、載置台４１に設置され、制御部１００の制御の下にＸＹステージ１３０によりＸＹ軸方向に移動可能である。

しかし、通常、ＸＹステージ１３０の移動真直度をナノメートルオーダーまでにはできない。たとえ非常に精度の良いガイドを作ったとしても、被測定物５０の重量は色々であり、この被測定物５０を載置台４１を介してＸＹステージ１３０に載せてもＸＹステージ１３０が曲がらず、ＸＹステージ１３０の移動真直度を、移動範囲の全域にわたってナノメートルオーダーまで維持させることはほとんど不可能である。

そこで、被測定物５０を設置する載置台４１に、ＸＹＺ軸方向の三枚の平面度がナノメートルオーダーの参照ミラー１３５，１３６，１３７、すなわち、載置台４１の上面に固定されたＸ参照ミラー（Ｘ軸方向参照ミラー、以下単に「Ｘ参照ミラー」と称する。）１３５、載置台４１の上面に固定されたＹ参照ミラー（Ｙ軸方向参照ミラー、以下単に「Ｙ参照ミラー」と称する。）１３６、載置台４１の下面に固定されたＺ参照ミラー（Ｚ軸方向参照ミラー、以下単に「Ｚ参照ミラー」と称する。）１３７をそれぞれ備え、スタイラス１２１のスタイラス軸１２２上で、発振周波数安定化レーザ（発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ）２１０から出射した座標測定用レーザ光２１１でＸＹＺ軸方向の各軸の参照ミラー１３５，１３６，１３７までの距離をそれぞれ測定して、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標（Ｚ_１座標＋Ｚ_２座標）を求めている。

図４に示すように、石定盤１０５に固定された発振周波数安定化レーザ（発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ）２１０からの座標測定用レーザ光２１１は、３つのビームスプリッタ（一部図示せず）により４つの光に分割され、それぞれがＸ，Ｙ，Ｚ_１，Ｚ_２座標測定用レーザ光２１１Ｘ（図示せず）、２１１Ｙ、２１１Ｚ_１、２１１Ｚ_２になる。

被測定物５０と、Ｘ参照ミラー１３５、Ｙ参照ミラー１３６、Ｚ参照ミラー１３７とが載置台４１に固定され、制御部１００の制御の下にＸＹステージ１３０によって一体となって石定盤１０５に対して動く。プローブ１０２は、フォーカス及び傾き検出部２７と一体となって、石定盤１０５に対しＺ軸方向に動く。

Ｙ座標に関しては、Ｙ座標測定用レーザ光２１１ＹをＹ参照ミラー１３６に照射し、反射光を測定点情報決定部２２０のＹ座標用位置座標測定部２２４Ｙで干渉させることにより、干渉強度変化からＹ座標を測定する。すなわち、Ｙ軸方向への移動に伴う光路長変化情報を含みかつＹ参照ミラー１３６から反射した反射光と、測定点情報決定部２２０のＹ座標用位置座標測定部２２４Ｙで、光路長変化情報を含まない基準となるレーザ光と干渉させて、既知のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＹ軸方向移動量、つまり、Ｙ座標をＹ座標用位置座標測定部２２４Ｙで測定する。ここで、Ｙ参照ミラー１３６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、石定盤１０５に固定されたミラー（図示せず）とＹ参照ミラー１３６の反射面との距離の変位量を測定することを意味する。

Ｘ座標に関しては、Ｘ座標測定用レーザ光２１１Ｘ（図示せず）をＸ参照ミラー１３５に照射し、反射光を測定点情報決定部２２０のＸ座標用位置座標測定部２２４Ｘで干渉させることにより、干渉強度変化からＸ座標を測定する。すなわち、Ｘ軸方向への移動に伴う光路長変化情報を含みかつＸ参照ミラー１３５から反射した反射光と、測定点情報決定部２２０のＸ座標用位置座標測定部２２４Ｘで、光路長変化情報を含まない基準となるレーザ光と干渉させて、既知のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＸ軸方向移動量、つまり、Ｘ座標をＸ座標用位置座標測定部２２４Ｘで測定する。ここで、Ｘ参照ミラー１３５は完全な平面と見なされるので、Ｘ参照ミラー１３５のＸ座標を測定することは、石定盤１０５に固定された光学系とＸ参照ミラー１３５の反射面との間の距離の変位量を測定することを意味する。

Ｚ_１座標に関しては、ＸＹステージ１３０が完全にＸＹ平面上を動けば、Ｚ_１座標はゼロのままでＺ_１座標を測定する必要は無いが、現実は、ＸＹステージ１３０は例えば１ミクロン程度の移動真直度誤差を持っている。したがって、被測定物５０は、ＸＹステージ１３０の移動真直度に合わせて上下する。例えば平面度１０ナノメートルオーダーのＺ参照ミラー１３７までの距離Ｚ_１は、この被測定物５０の上下動を測定していることになる。そこで、Ｚ_１座標に関しては、Ｚ_１座標測定用レーザ光２１１Ｚ_１をＺ参照ミラー１３７に照射し、反射光を測定点情報決定部２２０のＺ_１座標用位置座標測定部２２４Ｚ_１で干渉させることにより、干渉強度変化からＺ_１座標を測定する。すなわち、Ｚ軸方向への移動に伴う光路長変化情報を含みかつＺ参照ミラー１３７から反射した反射光と、測定点情報決定部２２０のＺ_１座標用位置座標測定部２２４Ｚ_１で、光路長変化情報を含まない基準となるレーザ光と干渉させて、既知のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＺ軸方向移動量、つまり、Ｚ_１座標をＺ_１座標用位置座標測定部２２４Ｚ_１で測定する。ここで、Ｚ_１座標を測定することは、Ｚ_１座標測定用レーザ光２１１Ｚ_１をＺ参照ミラー１３７の反射面に入射させるように反射させるために石定盤１０５に固定されたミラー１３７Ｒの反射面からＺ参照ミラー１３７の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。

Ｚ_２座標に関しては、ヘリウムネオンレーザ光は全透過しかつ波長の長い半導体レーザ光は全反射する機能を有するダイクロイックミラー１５をＺ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２は全透過し、レンズ１４で絞られ、ミラー１２３に照射し、ミラー１２３からの反射光を測定点情報決定部２２０のＺ_２座標用位置座標測定部２２４Ｚ_２で干渉させることにより、干渉強度変化からＺ_２座標を測定する。すなわち、Ｚ軸方向への移動に伴う光路長変化情報を含みかつＺ参照ミラー１３７から反射した反射光と、測定点情報決定部２２０のＺ_２座標用位置座標測定部２２４Ｚ_２で、光路長変化情報を含まない基準となるレーザ光と干渉させて、既知のレーザ測長法により、スタイラス１２１のＺ軸方向移動量、つまり、Ｚ_２座標をＺ_２座標用位置座標測定部２２４Ｚ_２で測定する。ここで、Ｚ_２座標を測定することは、Ｚ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２をＺミラー１２３へ入射させるために反射させる石定盤１０５に固定された反射ミラー（図示せず）の反射面からＺミラー１２３の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。

ここで、ＸＹステージ１３０の移動真直度の誤差を排除した正しいＺ座標はＺ＝Ｚ_１＋Ｚ_２と求められることから、正しいＺ座標は、前記求めたＺ_１座標とＺ_２座標とを加算部２２５で加算することにより求められる。

なお、図３には、側面プローブ１０２とフォーカス及び傾き検出部２７を一体としてＺ方向へ移動させる移動装置（Ｚ軸可動部）４０１を示している。図３に示すように、Ｚ軸方向は、フォーカス及び傾き検出部２７に対する変位がゼロになるよう、コイル１３に電流を流してフォーカス及び傾き検出部２７全体を駆動して、大きく動かす大エアスライドの二重構造になっている。

図３のように、それぞれのコイル１３には、図２の石定盤１０５にブラケット８６などによりそれぞれ固定された大ヨーク１２と大磁石２８で形成された磁気回路の隙間部を貫通して電流が流れるので、Ｚ軸方向に電磁力がかかる。左右一対のコイル１３は、大エアースライドガイド３５によってＺ軸方向に案内されながら、側面プローブ１０２と共に フォーカス及び傾き検出部２７の全体をＺ軸方向に極めて真直度良く動かすＺ軸方向の移動装置の一例としての大エアースライド可動部（Ｚ軸可動部）４０１と連結されて一体となっている。

エアースライド８９でのＺ軸可動部４０１の重心付近を、ばね材の薄板を巻いて対向させた定荷重ばね１７でＺ軸可動部４０１の重量分を支えることにより、ばね定数をできるだけ小さくし、軽い力で上下に動かすことができる。コイル１３もフォーカス及び傾き検出部２７の左右に対称に配置し、左右のコイル１３による駆動力の合力がフォーカス及び傾き検出部２７の重心付近にかかるようにすることによって、駆動力による移動真直度悪化を防ぐことができる。

前記構成にかかる三次元形状測定装置において、被測定物５０を上から測定するときは、図示しないフォーカスボタンを作業者が押すことにより、図３において、Ｚ軸方向駆動制御装置２２７から両方のコイル１３に電流を流し、スタイラス１２１を被測定物５０に接するまで下げていく。フォーカス誤差信号をフォーカス誤差信号検出部２２６で常にモニターしておき、被測定物５０にスタイラス１２１が上から接すると、測定力によりスタイラス１２１がプローブ取付用部材２に対し上方に移動するので、ミラー１２３も上方に移動する。

フォーカス誤差信号があらかじめ設定しておいた値以下になったことをフォーカス誤差信号検出部２２６で検出すると、フォーカス誤差信号がゼロになるようにフォーカス誤差信号検出部２２６とＺ軸方向駆動制御装置２２７とでフォーカス制御がかけられ、例えば約１０ミクロンだけ測定力によりスタイラス１２１がプローブ取付用部材２に対して上方に移動した状態となる。

制御部１００の制御の下に、ＸＹ軸方向駆動制御装置２２８を制御して、被測定物５０が、ＸＹステージ駆動装置の一例としてのＸＹステージ駆動モータ１３１の駆動によりＸＹステージ駆動モータ１３１に連結されたナット部材が正逆回転しナット部材に螺合した送りねじ部材を進退させることによって、送りねじ部材に連結された載置台４１を介してＸＹ軸方向に移動させるとき、Ｚ軸方向駆動制御装置２２７によって両方のコイル１３に電流を流すことにより、常にフォーカス誤差信号がゼロになるようフォーカス誤差信号検出部２２６を含むフォーカス及び傾き検出部２７と上側面プローブ１０２が一体となってＺ軸方向に動く。なお、ＸＹステージ駆動装置１３１は、一例として、モータとナット部材と送りねじとで構成したものを説明したが、これに限られるものではなく、リニアモータとガイドレールで構成して、゛と羽陽名作用を行なわせるようにしてもよい。

第２の半導体レーザ３８は、図１に示すように、第２の半導体レーザ３８から発せられるレーザ光の電場の振動方向がＹ軸方向になるように固定されている。第２の半導体レーザ３８から発せられるレーザ光は、絞り２９を通過して、第１光束径より細い光束径（第２光束径）の傾き測定光２２１になった後、傾き測定光２２１の一部がビームスプリッタ３９を透過し、ミラー３０で全反射し、全反射された傾き測定光２１１の電場の振動方向がＹ軸方向なので偏光プリズム３７を全透過してダイクロイックミラー１５で全反射されたのちにミラー１２３に照射する。ミラー１２３で反射された反射光は、ダイクロイックミラー１５で全反射されたのちに偏光プリズム３７を全透過し、全透過したレーザ光の一部がビームスプリッタ３９で反射して傾斜角度検出部２２２に入射する。被測定物５０からの横からの測定力によりミラー１２３がＸ軸廻りやＹ軸廻りに傾くと、反射光の光路は横方向に移動する。

傾斜角度検出部２２２は、図２Ｄに示すように、ミラー１２３の反射面で反射した反射光の一部である反射光２２１ｂを受光し、受光した光量に応じて電気信号に変換する受光面２２２１を有する光検出器にて構成され、受光面２２２１は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画されている。本実施形態１では、図２Ｄに示すように、受光面２２２１を「田」の字状、つまり、十字状に４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画している。

なお、受光領域２２２ａ〜２２２ｄの数、及び形状は、図２Ｄの形態に限定されるものではなく、測定精度等との関係に基づいて適宜設定することができる。また、受光領域２２２ａ〜２２２ｄを分割しないフォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサである光半導***置検出器やＣＣＤを使用した位置センサを使用することもできる。

被測定物５０の被測定面１の非測定時には、スタイラス軸１２２は鉛直方向に沿って配置され、ミラー１２３は水平方向に沿って配置されているので、前記傾き測定光２２１は、ミラー１２３の反射面にて反射して傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１の中央部へ照射される。この場合の受光面２２２１における反射光２２１ｂの照射領域を、図２Ｄに点線にて示し非測定時照射領域２２２２とする。

受光面２２２１への反射光２１１ｂの照射に応じて傾斜角度検出部２２２は、電気信号を生成するが、受光面２２２１が４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画されていることから、反射光２１１ｂの照射場所からミラー１２３の反射面の傾斜角度すなわちスタイラス１２１の傾斜角度を検出することができる。即ち、受光領域２２２ａでの電気信号を「Ａ」、受光領域２２２ｂでの電気信号を「Ｂ」、受光領域２２２ｃでの電気信号を「Ｃ」、受光領域２２２ｄでの電気信号を「Ｄ」とすると、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝を行うことでＸ軸方向におけるスタイラス１２１の傾斜角度を求めることができ、｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝を行うことでＹ軸方向における傾斜角度を求めることができる。このように傾斜角度検出部２２２は、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝、及び｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝の演算を行い、これらをそれぞれＸ角度信号、及びＹ角度信号として、前記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。

簡単のため、前記Ｘ角度信号が一定になるようにＸＹステージ１３０のうちのＸステージを動かすことを「Ｘサーボ」、Ｙ角度信号が一定になるようにＸＹステージ１３０のうちのＹステージを動かすことを「Ｙサーボ」、前記フォーカス誤差信号が一定になるようにＺステージ（Ｚ軸可動部４０１）を動かすことを「Ｚサーボ」と呼ぶ。

被測定物５０の側面であるＹＺ平面をＸ軸方向から測定する場合は、被測定物５０をＸステージで、前記角度信号をモニターしながらスタイラス１２１に向かって−Ｘ軸方向に移動させ、スタイラス１２１が被測定物５０の側面に接して、一定量、たとえば１０ミクロン−Ｘ軸方向に移動した位置で、被測定物５０の表面の凹凸に応じて前記Ｘサーボをかけながら、Ｙステージ、またはＺステージを動かす。

被測定物５０の側面であるＸＺ平面をＹ軸方向から測定する場合は、被測定物５０をＹステージで、前記角度信号をモニターしながらスタイラス１２１に向かって−Ｙ軸方向に移動させ、スタイラス１２１が被測定物５０の側面に接して、一定量、たとえば１０ミクロン−Ｙ軸方向に移動した位置で、被測定物５０の表面の凹凸に応じて前記Ｙサーボをかけながら、Ｘステージ、またはＺステージを動かす。

一例として、スタイラス軸１２２の長さが１５ｍｍ、レンズ１４の焦点距離を１０ｍｍとすると、スタイラス１２１がＸ軸方向に１０ミクロン変位すると、ミラー１２３の傾きは０．７ミリラジアンとなり、前記フォーカス誤差信号にも、後記するＺ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２の横ずれによる不具合等も一切発生しない。

上述したようにミラー１２３は、側面測定時に傾斜するので、反射光２２１ｂは、傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１では中央部から外れた基準照射領域２２２３へ照射される。例えば円筒状の穴や軸の側面を円周に沿って測定する場合は、ミラー１２３が一定角度傾斜するようにサーボをかけると、基準照射領域２２２３は、受光面２２２１の中心点を中心とした一定半径にてなる円の円周２２２４に沿って位置することになる。

スタイラス位置演算部２２３は、傾斜角度検出部２２２で検出された前記角度信号を、上側面プローブ１０２に備わるスタイラス１２１の変位量に変換する。これをＸ及びＹ座標用位置座標測定部２２４Ｘ，２２４Ｙから得られたＸＹ座標に加算部２２５にて加算することにより、被測定物５０の表面のＸＹ座標測定値が得られる。

一方、実際には、被測定物５０には前記微細凹凸が存在することから、円周２２２４から外れた位置に反射光２２１ｂが照射される。そして、上述した基準照射領域２２２３の場合と同様に、変位照射領域２２２５への反射光２２１ｂの照射により、傾斜角度検出部２２２は角度信号を送出し、スタイラス位置演算部２２３は、スタイラス１２１における前記微細凹凸に対応した変位量を求める。したがって、基準照射領域２２２３に対応する、スタイラス１２１の基準変位量と、変位照射領域２２２５に対応する凹凸変位量との差を求めることで、前記微細凹凸の大きさを求めることができる。

前記した実施形態１によれば、前記第２光束径よりも大きく、前記レンズ１４の開口径以上に大きい前記第１光束径の前記第１方向に偏光した前記フォーカス検出光２１３と、前記第１光束径よりも小さく、前記レンズ１４の開口径より小さい前記第２光束径の前記第１方向とは直交する前記第２方向に偏光した前記傾き測定光２２１を、前記第１の偏光プリズム３７により合成し、前記レンズ１４により前記スタイラス１２１に貼り付けなどにより固定された前記ミラー１２３に集光し、反射光を同じ前記第１の偏光プリズム３７によりそれぞれ異なる光路に分離し、前記フォーカス検出光２１３の反射光は前記光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆに入射して前記スタイラス１２１のスタイラス軸方向（Ｚ軸方向）の変位を検出し、前記傾き測定光２２１の反射光は前記傾斜角度検出部２２２に入射して前記スタイラス１２１のスタイラス軸方向に対する傾斜角度を測定することにより、被測定物５０の被測定面（上面、又は、上面及び側面）１を、高精度でかつ低測定力（例えば、１ｍＮ以下）で早く信頼性良く測定できる三次元形状測定装置を提供することができる。

従って、スタイラス１２１のＺ軸方向の変位とＺ軸方向に対する傾斜角度を検出するためのプローブのＺ軸方向への移動に伴う測定誤差が発生せず、測定力によって動くスタイラス１２１には薄くて小さいミラー１２３を貼り付けて固定するだけで、スタイラス１２１の質量を極めて小さくできるので、測定力は小さく、被測定物５０を傷つけず、スタイラス１２１の磨耗も少なく、応答は良く、速く測定でき、電極の接触不良等の心配が無く、被測定物上面、側面の両方を測定できる高精度で短時間で早く測定できる信頼性の高い三次元形状測定装置となる。

また、前記実施形態１によれば、スタイラス１２１とフォーカス方向の変位を検出する光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆとの間にはレーザ光しか介在していない。すなわち、スタイラス１２１と傾斜角度検出部２２２との間にもレーザ光しか介在していない。つまり、スタイラス１２１と傾斜角度検出部２２２との間の接続には電極線を使用していないので、接触不良は起こりようが無い。これに対して、図１６Ａ及び図１６Ｂの従来例では、スタイラス１１０と一体に取り付けられている撓みセンサー１０６がプローブに電極線１２０で接触しているため、接触不良が起こりうる。このような不具合は、前記実施形態１では解消することができる。さらに、前記実施形態１では、接触が必要な電極線の代わりに、非接触でレーザ光で検出しているため、信頼性を高めることができる。なお、前記実施形態１では、光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆからの出力は電線で得ているが、特許文献５の図１６Ａ及び図１６Ｂのように撓みセンサー１０６を含めたスタイラス１１０を交換する必要は無く、例えば半田付けするようにすれば、接触不良を無くすことができる。

また、前記実施形態１によれば、１つのプローブ１０２で、被測定物５０に対して上からでも横からでも全方位からの連続的な走査測定ができる。

ここで、従来では、測定力を１ｍＮ以下にできなかったが、前記実施形態１では、測定力を１ｍＮ以下にすることができ、さらに進んで０．１ｍＮ以下にもできる。三次元形状測定装置の仕様の一例としては測定力０．１５〜０．３ｍＮとすることができる。

測定力を１ｍＮ以下にすることができる理由は以下のとおりである。

まず、測定力が１ｍＮ以下にしなければ、精度０．１ミクロン以下にできない理由を説明する。

測定力が１ｍＮを越すと、先端が２ミクロンＲの尖ったダイヤモンド製のスタイラスである場合でかつ被測定物の測定面が鉛筆硬度Ｂ以下の柔らかい面の場合には、０．１ミクロン以上の測定力により測定面が変形するので、０．１ミクロン以下の精度でしか測定することができない。ただし、測定面が変形しない硬い面の場合には、測定力がもう少し大きくても、０．１ミクロン以下の測定力で測定できることになる。実例を挙げるならば、測定面が超鋼、ガラスや硬いプラスチック面である場合には測定力１ｍＮで尖ったダイヤモンド製のスタイラスで測っても変形はしないが、銅、金、携帯カメラ用レンズに使われるゼオニクスなどの柔らかい測定面の場合には、ダイヤモンド製のスタイラスで測ると測定面が変形したり、または、測定面に測定痕が入ることになる。

また、先端が５００ミクロンＲのルビー製のスタイラスの場合には、測定力が１ｍＮを越しても、測定面の変形は見られないが、測定力が大きいと、表面のすり減りが大きくなり、例えば数日で０．１ミクロン以上磨り減り、スタイラスの真球度が０．１ミクロンより悪くなるので、０．１ミクロン以下の精度で測定できなくなる。

ダイヤモンド製のスタイラスならば磨り減らないが、現在の技術では、ダイヤモンドを５００ミクロンＲ、真球度０．１ミクロン以下に加工することはできない。ダイヤモンドを真球度０．１ミクロン以下に安定して加工できるのは、先端Ｒが２ミクロン以下の場合のみである。

以上が、測定力を１ｍＮ以下にしなければ、精度０．１ミクロン以下で測定することができない理由である。

ただし、これは目安であって、固い測定面なら測定力が大きくても良いとか、ルビーが磨り減っても、すぐに交換すれば良いとか言うことはできるが、逆に、固い面ならば、同じ測定力で測定精度を０．０１ミクロンにできることになり、測定力を更に小さくすれば、柔らかい面でも、より高精度に測定できるとも言えるので、この点では測定力は小さいほうが良い。

しかし、測定力を小さくすると、スタイラス質量を軽くしないと、応答性良く測定できない。

（スタイラス応答加速度＝測定力÷スタイラス質量）という式が成立するため、測定力を小さくすると、さらにスタイラス質量を軽くしないと、スタイラスが応答しなくなり、安定して測定できなくなる。ここで、スタイラス質量とは、スタイラスと一体で動く部分の質量のことである。例えば、測定力を１ｍＮ、スタイラス質量を１グラムとすると、応答加速度は１ｍ/Ｓｅｃ^２となる。

測定面をスタイラスで走査して測定するとき、測定面の微細な凹凸を測定したい場合、スタイラスの応答加速度が遅いと、ゆっくり走査しないと微細な凹凸にスタイラスが応答しなくなる。つまり、スタイラスの応答加速度が速いほど速く測定でき、測定時間が短くでき、能率が上がるだけでなく、測定中に起こる温度変化による測定データのドリフトも減らすことができる。

現状の超高精度三次元測定機のスタイラス応答加速度は１ｍ/Ｓｅｃ^２であって、この１／３程度、つまり、０．３ ｍ/Ｓｅｃ^２以上あれば、実用的に十分な測定速度で測定できる。本発明の前記実施形態１の構成では、スタイラス質量、つまりスタイラスと一体で動く部分の質量は、スタイラス１２１以外にミラー１２３のみであり、ミラー１２３は例えば質量３ｍｇと無視できるくらい軽くできる。スタイラス１２１を支持する部材が、図１では２枚の可撓性部材６１だけであるが、後述する図５では磁石とその支持部が追加されている。しかし、これでも、可動部の質量が、例えば３グラム以下にすることができ、慣性モーメントから計算すると、スタイラス質量１グラムと同等になり、０．１ミクロン以下の測定精度、１ｍＮ以下の測定力で、応答性良くかつ信頼性良く、測定することができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部２７とプローブ１０１の説明図である。図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の実施形態２における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部２７のＺ軸方向から見た平面図と一部の部品の説明図である。

半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４は、図６Ｂに示すように中央に半導体レーザ３１と上下に光検出器３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆが同一基板上に一体で形成されており、レーザ光の電場の振動方向がＹＺ平面内でＹ軸方向からずれた斜め方向に偏光するように固定されている。一体化素子３４から発光したレーザ光は、図６Ａに示すように、回折格子８を通過後、コリメートレンズ３２により略平行光となった後、偏光プリズム４０により、Ｚ軸方向に振動する偏光成分が反射、Ｙ軸方向に振動する偏光成分が透過というように分離される。

偏光プリズム４０を反射したレーザ光２１３ｐを「第１のレーザ光」２１３ｐと呼ぶ。この第１のレーザ光２１３ｐは、電場の振動方向がＺ軸方向を向いているので、第２の偏光プリズム３７も全反射し、ダイクロイックミラー１５を反射し、レンズ１４によりミラー１２３上に集光される。ミラー１２３からの反射光は偏光方向が変化しないので元の光路を戻る。つまり、二つの偏光プリズム３７、４０を全反射し、回折格子８を通過し、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子３４に戻る。

図６Ｂ及び図６Ｃのように、回折格子８は一体化素子３４と同様にスリット８ａを傾けて配置すると、実施形態１と同様にフォーカス誤差信号を検出できる。

偏光プリズム４０を透過したレーザ光２２１ｔを「第２のレーザ光」２２１ｔと呼ぶ。この第２のレーザ光２２１ｔは、絞り２９により、第１光束径より細い光束径（第２光束径）になってビームスプリッタ３９で一部反射し、反射した光がさらにミラー３０を反射し、ミラー３０を反射した反射光２２１ｔは、電場の振動方向がＹ軸方向を向いているので二番目の偏光プリズム３７を全透過し、ダイクロイックミラー１５を反射し、レンズ１４によりスタイラス１２１に貼り付けられたミラー１２３上に集光、反射光は偏光方向が変化しないので同じ光路を戻り、二番目の偏光プリズム３７を全透過し、ビームスプリッタ３９を一部透過し、傾斜角度検出部２２２に入射する。

傾斜角度検出部２２２は「二次元ＰＳＤ」と呼ばれるもので、受光領域が分割されておらず、照射される傾き検出光の位置を検出できる。つまり、図６Ｄで、傾き検出光の光量の中心座標を（Ｘｃ，Ｚｃ）とすると、Ｘ軸方向とＺ軸方向の座標に比例した電圧Ｖｘ＝ＩＸｃとＶｚ＝ＩＺｃを電気信号として発生させることができる。ここで、Ｉは、単なる比例係数の定数である。

前記実施形態２によれば、傾斜角度検出部２２２で発生させられた電圧Ｖｘ=ＩＸｃとＶｚ=ＩＺｃの電気信号は、前記実施形態１で説明したのと同様に、それぞれＸ角度信号、及びＹ角度信号として、上記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。プローブ１０１の位置のＸＹＺ座標は（前記実施形態１）で説明したのと同様、発振周波数安定化レーザ２１０から出射した座標測定用レーザ光２１１Ｘ(図示せず)、２１１Ｙ、２１１Ｚ_１、２１１Ｚ_２により測定される。そして、プローブ１０１の位置からのスタイラス１２１の変位量がスタイラス位置演算部２２３で計算され、加算部２２５でスタイラス１２１のＸＹＺ座標が求められる。つまり、求める測定データの元データは、プローブ１０１の位置のＸＹＺ座標＋プローブ１０１の位置からのスタイラス１２１の変位量のＸＹＺ座標である。ただし、これはスタイラス１２１の真球の中心座標であって、測定点のＸＹＺ座標は測定データから公知の方法によりスタイラスの半径を補正した値となる。

また、この実施形態２によれば、半導体レーザ１個だけで、「第１のレーザ光」と「第２のレーザ光」を発生させることができるので、プローブ１０１のさらなる小型化が実現でき、Ｚ軸可動部４０１の重量を軽くできるので、測定の応答性を高めることができるとともに、低コスト化も実現できる。

（実施形態３）
図７は本発明の実施形態３にかかる三次元形状測定装置の一部を示し、半導体レーザを一個、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子や回折格子を使わず構成したフォーカス及び傾き検出部２７を示す。

半導体レーザ３１は、偏光方向がＹＺ平面でＹＺ軸から傾いた方向になるよう固定されている。半導体レーザ３１から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ３２を通過したのち、ビームスプリッタ３９を透過し、透過したレーザ光のうち電場の振動方向がＺ軸方向を向いたレーザ光は、偏光プリズム４０により全反射して第１のレーザ光、つまり、フォーカスサーボ用レーザ光２１３となり、第２の偏光プリズム３７を全反射し、前述と同様にミラー１２３から反射した第１のレーザ光２１３は再び二つの偏光プリズム３７，４０を全反射し、ビームスプリッタ３９を反射した第１のレーザ光２１３はレンズ２１で絞られ、ハーフミラー１８を通過して、特許文献２と同様に二つのピンホール１９と二つの光検出器２０によってフォーカス誤差信号を検出する。

一方、ビームスプリッタ３９を透過したレーザ光のうち電場の振動方向がＹ軸方向を向いたレーザ光は、偏光プリズム４０により全透過して、絞り２９により、細い第２のレーザ光（第２光束径の傾き測定光）２２１（２２１ｔ）となり、実施形態１，２と同様にミラー１２３の傾きを検出することができる。

前記実施形態３によれば、半導体レーザ及び光検出器の一体化素子３４や回折格子８といった特殊な部品を使わず、簡単に作れるピンホール１９を使って本発明の目的を達成することができる。

（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部２７と上側面プローブ１０２を示す。可撓性部材６１を一枚にし、下からと横からの測定力による変位をほぼ同じにするため、スタイラス軸１２２の長さを短くした。深い場所の測定ができないが、構造が簡単になり、浅い穴の測定等には支障が無い。

ここで、前記したように、比率（スタイラスの突き出し量÷プローブの直径）の値を二枚の可撓性部材６１の構成では図１に示すように１以上にできるが、実施形態４の一枚の可撓性部材６１の構成では図８に示すように例えば０．５程度となるように、スタイラス軸１２２の長さを短くしている。その理由は、一枚の可撓性部材６１の構成ではスタイラス軸１２２を長くすると、可撓性部材６１の変形がわずかであっても、スタイラス１２１の変位はテコの原理により大きくなってしまうからであり、上下動の力に対する変位と横からの力に対する変位を同じにするためには、短くせざるを得ないということによる。

前記実施形態４によれば、浅い穴側面の測定のように奥まった部分まで測定する必要のない用途においては、より簡単な構成のスタイラス支持部を実現することができる。

（実施形態５）
図９Ａは、本発明の実施形態５における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部２７と側面プローブ１０１（側面プローブ１０１は図９Ｂとほぼ同一構造。）を示す。

図９Ｂと同様に、スタイラス１２１は揺動部材３と一体に固定され、プローブ取付用部材２に一体的に固定された載置台１０４１上で、支点部材４２を支点として横方向に揺動できるように構成している。揺動部材３に固定された可動側磁石５１とプローブ取付用部材２に固定された固定側磁石５２との磁力が、スタイラス１２１の横移動に対する復元力となる。

被測定物５０の側面からの測定力によるスタイラス１２１の傾きを検出するため、Ｚ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２を側面プローブ１０１まで入射させず、フォーカス及び傾き検出部２７の中にそれぞれ配置された、レンズ２２によりミラー２３に照射し、ミラー２３からの反射光からＺ_２座標を先の実施形態と同様に位置座標測定部２２４Ｚ_２で測定する。なわち、ミラー２３からのＺ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２の反射光の横移動を反射光の一部から検出し、スタイラス１２１の傾きがほぼ一定になるようＸＹステージ１３０の移動量を制御しながら、被測定物５０の側面に沿ってＸＹＺ軸方向に走査することにより、被測定物５０の側面の形状を測定できる。

スタイラス１２１が大きく傾いた場合（例えば、５ミリラディアン以上傾いた場合）でも、Ｚ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２の反射光の横ずれは無いというメリットがある。ここで、５ミリラディアン以上傾く例としては、スタイラス軸の長さ１８ｍｍ、レンズ１４の焦点距離を１０ｍｍ、通常測定でのスタイラス１２１の変位を１０ミクロンとすると、実施形態１の構成では、Ｚ_２座標測定用レーザ光の反射光は横に１１ミクロンずれ、その十倍は大丈夫なので、１００／１８＝５．６ミリラディアン傾くことになる。

前記実施形態５によれば、スタイラス１２１が大きく傾いても、Ｚ_２座標測定用レーザ光の反射光の横ずれでＺ座標測定エラーになることがない。

（実施形態６）
図１０は、上面プローブ６０をフォーカス傾き検出部２７に取り付けた本発明の実施形態６にかかる三次元形状測定装置を示す。

すなわち、プローブ６０は、被測定面１に接触するスタイラス５を有している。プローブ６０はＺ軸方向に移動可能であるのに対して、被測定面１がＸＹステージ１３０によりＸＹ軸方向に移動可能で、Ｚ軸方向の移動量がＺ_２座標測定用レーザ光２１１Ｚ_２によりレーザ測長法により測定される。

上下方向のみ移動可能なマイクロエアスライド６がプローブ６０の外枠部分から吊るされ、被測定面１の上面からの測定力による変位をミラー９に半導体レーザ光を照射して測定し、この変位が一定になるようＺ軸方向にマイクロエアスライド６を駆動するように構成している。

図１１に示すように、上面プローブ６０と側面プローブ１０１、上側面プローブ１０２を、プローブ交換部２９３１により交換してそれぞれ測定が可能となる。レンズ１４は固定部２９３１ａに固定されているので交換の必要はない。交換はネジ２９３１ｂを緩めるとプローブは下に抜け、別のプローブを差し込んで、ネジ２９３１ｂを締めればプローブは固定部２９３１ａに固定される。

前述の上面プローブ６０、側面プローブ１０１、上側面プローブ１０２はそれぞれ長所、欠点を持っているが、この実施形態６のように、用途に合わせてこれらのプローブ６０，１０１，１０２を選択して、プローブ交換部２９３１に適宜取付けることにより、これらのプローブ６０，１０１，１０２を使い分けすることができる。

非球面レンズの形状を最も高精度に速く測定できるのが上面プローブ６０、側面を細かく速く走査測定できるのが側面プローブ１０１、少し精度は落ちるが、上面も側面もすべて測定できるのが上側面プローブ１０２である。

同一被測定物の上面と側面を高精度に測定したいとき、例えばレンズやレンズ用金型を前記上面プローブ６０でレンズ面測定後、側面プローブ１０１に交換して側面を測定しても、それぞれのプローブ６０，１０２のスタイラス位置を０．１ミクロン以下の精度で一致させることは不可能に近い。現実には０．１ミリメートル以下に合わせることすら難しい。

これでは、側面に対するレンズ面の偏心や傾きが測定できない。そこで、被測定物設置部である載置台４１に固定された真球度が０．１ミクロンよりも良い基準球３６の形状を、すなわち、基準球３６の上面を上面プローブ６０で三点以上測定し、基準球３６の中心点の座標１を演算部の一例として機能するスタイラス位置演算部２２３で算出する。次に、側面プローブ１０１に交換、側面プローブにより同じ基準球３６の側面を三点以上測定して基準球３６の中心点の座標２を前記スタイラス位置演算部２２３で算出する。その後、座標２を座標１に前記スタイラス位置演算部２２３で置き換える。すなわち、三点以上の測定点での測定により得られるＸＹＺの座標データ列を前記スタイラス位置演算部２２３に取り込み、前記スタイラス位置演算部２２３で、三点以上の測定点での測定データから基準球３６の中心点（中心位置）を求めて、基準球３６の中心点の位置座標をスタイラス位置演算部２２３で算出する。次に、プローブ交換前後の測定値から得られた基準球３６の中心点の位置座標の差のデータを、プローブ交換後のＸＹＺの座標データ列、又はプローブ交換前のＸＹＺの座標データ列に、前記スタイラス位置演算部２２３で加算し、プローブ交換によるスタイラス位置のずれを前記スタイラス位置演算部２２３で補正する。

なお、測定の精度が１ミクロンで十分な用途もあり、その際は真球度０．５ミクロンよりも良い基準球３６を使用すればよい。

以上によって、側面プローブ１０１による測定座標系と上面プローブ６０による測定座標系とを基準球３６の真球度と測定誤差の範囲内で一致させることができる。例えば基準球３６の真球度３０ナノメートル、測定誤差３０ナノメートルとすると、６０ナノメートル、つまり、０．１ミクロン以下の精度で上面プローブ６０による測定データと側面プローブ１０１による測定データを前記スタイラス位置演算部２２３で合成することができ、例えばレンズ側面に対するレンズ面の傾きや偏心を０．１ミクロンの精度で測定することができる。

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は、軽くて小さいスタイラスに貼り付けた薄いミラーの傾きと変位の両方を精度良くレーザで非接触で測定する事が可能となるので、被測定物の上面と側面を例えば１ｍＮ以下の低測定力で応答性良く速く、例えば０．１ミクロン以下の測定精度で、信頼性良く測定可能となるという効果を有し、さらなる高精度化により製品性能が格段に向上するにもかかわらず、測定できないため高精度化できなかった、あるいは歩留まりが上がらなかった、例えば、非球面レンズの形状と側面に対する偏心精度やズームレンズの鏡筒、ズーム溝形状、ハードディスク駆動モータの軸径とオイル流体軸受けの内径や軸受け側面溝形状精度、一般的な電気製品の部品用金型の内径と外径形状、歯車の歯の形状等を測定可能となる等の用途にも適用できる。

本発明の実施形態１における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部とプローブの説明図 本発明の実施形態１におけるフォーカス及び傾き検出部の部品の説明図 本発明の実施形態１におけるフォーカス及び傾き検出部の回折格子の説明図 本発明の実施形態１におけるフォーカス及び傾き検出部の説明図 本発明の実施形態１におけるフォーカス及び傾き検出部の傾斜角度検出部の説明図 本発明の実施形態１における三次元形状測定装置のＺ軸可動部の構成図 本発明の実施形態１における三次元形状測定装置の全体構成図 本発明の実施形態２における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部とプローブの説明図 本発明の実施形態２におけるフォーカス及び傾き検出部の説明図 本発明の実施形態２におけるフォーカス及び傾き検出部の部品の説明図 本発明の実施形態２におけるフォーカス及び傾き検出部の回折格子の説明図 本発明の実施形態２におけるフォーカス及び傾き検出部の傾斜角度検出部の説明図 本発明の実施形態３における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部の説明図 本発明の実施形態４における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部とプローブの説明図 本発明の実施形態５における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部とプローブの説明図 本発明の実施形態５における三次元形状測定装置の構成図 本発明の実施形態６における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部とプローブの説明図 本発明の実施形態６における三次元形状測定装置の説明図 従来の三次元形状測定装置の構成図 従来の三次元測定プローブの構成図 従来のタッチトリガープローブの構成図 従来の倣いプローブの構成図 従来のプローブの構成図 従来のプローブの構成図 従来の原子間力顕微鏡の説明図 従来の原子間力顕微鏡の説明図 従来の光変位センサの測定原理図 従来の三次元測定プローブの構成図

符号の説明

１ 被測定面
２ プローブ取付用部材
３ 揺動部材
４ 連結機構
５ スタイラス
６ マイクロエアスライド
７ エアー供給部
８ 回折格子
８ａ スリット
９ ミラー
１０ スタイラス
１１ Ｚステージ
１２ ヨーク
１３ コイル
１４ アクロマートレンズ
１５ ダイクロイックミラー
１７ 定荷重ばね
１８ ハーフミラー
１９ ピンホール
２０ 光検出器
２１ レンズ
２２ 第２のレンズ
２３ 第２のミラー
２４ レーザー
２５ ミラー
２６ 光位置検出器
２７ フォーカス及び傾き検出部
２８ 大磁石
２９ 絞り
３０ ミラー
３１、３８ 半導体レーザ
３２ コリメートレンズ
３３ 四分の一波長板
３４ 半導体レーザ及び光検出器の一体化素子
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ 光検出器
３５ エアースライダーガイド
３６ 基準球
３７、４０ 偏光プリズム
３９ ビームスプリッタ
４１ 載置台
４２ 支点部材
４４ リニアモータ
４５ 光プローブ
４６ ばね
４７ マイクロスプリング
４８ エアーチューブ
５０ 被測定物
５１ 可動側磁石
５２ 固定側磁石
６０ 上面プローブ
６１ 可撓性部材
６３ 固定枠
８６ ブラケット
８９ エアースライド
１００ 制御部
１０１ 側面プローブ
１０２ 上側面プローブ
１０３ 外装カバー
１０４ 開閉窓
１０５ 石定盤
１０６ 撓みセンサー
１２０ 電極線
１２１ スタイラス
１２２ スタイラス軸
１２３ ミラー
１３０ ＸＹステージ
１３１ ＸＹステージ駆動装置
１３５ Ｘ参照ミラー
１３６ Ｙ参照ミラー
１３７ Ｚ参照ミラー
１３７Ｒ ミラー
２１０ 発振周波数安定化レーザ
２１１Ｘ Ｘ座標測定用レーザ光
２１１Ｙ Ｙ座標測定用レーザ光
２１１Ｚ_１ Ｚ_１座標測定用レーザ光
２１１Ｚ_２ Ｚ_２座標測定用レーザ光
２１３ フォーカス検出光
２２０ 測定点情報決定部
２２１ 傾き測定光
２２１ｂ 反射光
２２２ 傾斜角度検出部
２２２１ 受光面
２２２２ 非測定時照射領域
２２２３ 基準照射領域
２２２４ 基準照射領域の円周
２２２ａ〜２２２ｄ 受光領域
２２３ スタイラス位置演算部
２２４Ｘ Ｘ座標用位置座標測定部
２２４Ｙ Ｙ座標用位置座標測定部
２２４Ｚ_１ Ｚ_１座標用位置座標測定部
２２４Ｚ_２ Ｚ_２座標用位置座標測定部
２２５ 加算部
２２６ フォーカス誤差信号検出部
２２７ Ｚ軸方向駆動制御装置
２２８ ＸＹ軸方向駆動制御装置
２３０ サーボ部、
２８０ 制御装置
２９３１ プローブ交換部
４０１ Ｚ軸可動部

Claims (8)

1. 測定力を検知して被測定物の被測定面の形状を測定可能なスタイラスと、
   該スタイラスに固定されたミラーと、
   該ミラーにレーザ光を集光させるレンズと、
   該レンズに第１光束径で入射しかつ第１方向に偏光したフォーカス検出光と、前記第１光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい第２光束径で該レンズに入射しかつ前記第１方向とは直交する第２方向に偏光した傾き測定光と、互いに異なる光路から来た前記フォーカス検出光と前記傾き測定光の光路を前記レンズに入射させるために合成させ、前記ミラーから反射した前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を互いに異なる光路に分離する第１の偏光プリズムと、
   前記ミラーから反射したフォーカス検出光を受光し、前記ミラーの反射面のフォーカス方向の変位を検出する光検出器と、
   前記ミラーの反射面から反射した前記傾き測定光を受光し、前記ミラーの反射面の傾きによって生ずる前記ミラーの反射面からの反射光の位置変化を検出し、前記ミラーの反射面の傾きを検知する傾斜角度検出部と、
   前記第１の偏光プリズムと、前記光検出器と、前記傾斜角度検出部と、前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を反射させ、これらの光とは異なる波長の測長用レーザ光を透過させるダイクロイックミラーとを少なくとも内蔵固定されたフォーカス傾き検出部と、
   前記スタイラスと前記レンズと前記フォーカス傾き検出部とを一体としてＺ軸方向に移動させるＺ軸可動部とを備えた三次元形状測定装置。
2. 前記レーザ光を発する１つのレーザと、前記１つのレーザから発する前記レーザ光を２つのレーザ光に分割する第２の偏光プリズムとを備え、
   前記第２の偏光プリズムにより分割した前記２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を前記フォーカス検出光となし、前記２つのレーザ光のうちの他方のレーザ光を、絞りにより前記フォーカス検出光の前記第１光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい前記第２光束径にして前記傾き測定光とした請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記測長用レーザ光を前記レンズによって前記ミラーに集光させ、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのＺ軸方向の座標を測定する位置座標測定部を備えた請求項１〜２のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
4. 前記フォーカス傾き検出部は、前記光検出器と前記傾斜角度検出部と前記レンズとを少なくとも内蔵固定されているとともに、
   前記Ｚ軸可動部は、前記スタイラスと、測長用レーザ光を集光させるための第２のレンズと、該第２のレンズによる前記測長用レーザ光の集光位置に置かれた第２のミラーとを一体として前記Ｚ軸方向に移動させる一方、
   前記測長用レーザ光の前記第２のミラーからの反射光から前記第２のミラーのＺ軸方向の座標を測定する位置座標測定部をさらに備えた請求項１〜２のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
5. 前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な可撓性部材で支持されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
6. 前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な二枚の可撓性部材で支持されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
7. 前記スタイラスが、前記スタイラス軸方向に変位可能に支持された第１のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向に対して傾き可能に支持された第２のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対しての傾きが可能な第３のプローブの少なくとも２つの取り付けと、プローブ交換を可能とした請求項１〜６のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
8. 前記プローブ交換の前と後で、それぞれのプローブにより前記被測定物の載置台に固定された真球度が０．５ミクロンよりも良い球の表面の三点以上の測定点の三次元座標を測定し、それぞれの測定データより、この球の位置のプローブ交換前と後の三次元座標を算出し、これらの三次元座標の差をプローブ交換前または後の三次元座標に加算することにより、プローブ交換による前記スタイラス位置のずれを補正する機能を有する演算部を更に備えた請求項７に記載の三次元形状測定装置。

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