CN101173854A - 三维形状测定装置 - Google Patents

Abstract

提供一种三维形状测定装置，通过上下共用形成XYZ坐标的XYZ参照镜(2、3、4)和Z气动滑动导轨部(11)，从而使上下的测定坐标系完全相同。并且，使用衍射光栅(8)将触针(5)的变位检测单元变薄，通过使用滑轮(18)和恒载弹簧(17)使探头的支承部分进一步变薄，使构造简单，实现小型化，制造容易。

Description

三维形状测定装置

技术领域

本发明主要涉及利用纳米级超高精度测定非球面透镜等测定物的形状等的装置。

背景技术

非球面透镜根据光学设计要求的设计值，必须制作成误差范围在0.1微米以下的高精度透镜，但仅在非球面透镜的加工作业中不存在能加工出达到这种精度的加工机器。因此，发明者过去发明了0.01微米级别的超高精度的三维测定机。此测定机，作为开发、制造非球面透镜的必需品被广为利用。其内容在专利文献1～4等中记载。利用此测定机，通过将测定结果反馈给非球面透镜的加工作业，可以在0.1微米以下的精度下制作非球面透镜的模具或非球面透镜。

但是，近来的数码相机等使用的非球面透镜，对于超薄化、高画质化、广角化和高变焦倍率化等，要求越来越严格，不仅要求形状精度高，还要求品质优良。特别是，现有的测定机不能测定非球面透镜的表背面光轴的倾斜及偏心的问题显现出来。另外，在只能从非球面透镜表背面中的一侧进行测定的测定机中，也要求向纳米级别的更高精度化，且为了使操作者在工厂的现场能简单地使用，还要求测定机的小型化和廉价化。

作为现有的非球面透镜的三维形状测定机，如所述那样，从表背面之中的一面以0.01微米级别的超高精度测定非球面透镜或其模具的形状。参照专利文献1～4简单说明。

图10是表示专利文献1所记载的超高精度三维测定机的整体结构的图。在图10中，上石平台106搭载有用于测定XYZ坐标的振荡频率稳定化激光器138、测量长度单元、Z滑块111和探头110，该上石平台106在XY载物台(stage)120、121的作用下，在XY方向移动。在下石平台123上固定有X参照镜103、Y参照镜104、和在下石平台123固定的门型架台107上固定的Z参照镜108，在测定物101的测定点的轴上，分别由测定机构114、115、112、113测定从振荡频率稳定化激光器138到这些高平面镜(X参照镜103、Y参照镜104、上Z参照镜108)的距离的变化，从而即使XY载物台120、121的移动直线度是1微米的级别，也可以得到参照镜103、104、108的平面度为10纳米级别的坐标轴精度。

图11表示的是专利文献2所记载的三维测定装置的探头和Z轴的构成图。包含探头210的Z方向上的可动部，由卷绕的一对薄板状弹簧部件217吊起自身重量。与螺旋弹簧相比，由于长度较短、弹簧力变化相对于长度变化少，因而叫作恒载弹簧。包含探头210的Z可动部在线圈213的作用下被上下驱动。根据这样的结构，能够以较轻的力使探头210追随于测定面的凹凸顺畅地上下移动。并且，线圈213因为在包含探头210的Z可动部的重心附近施加驱动力，所以将由驱动力对Z气动滑块211的移动直线度的不良影响限制在最小限度。

图12表示的是专利文献3记载的三维测定探头。在与测定物301相接的触针(stylus)305上固定的小滑动部306，在含有小空气轴承307的可动部的作用下可以沿Z方向移动，由板簧350支承，粘贴有反光镜309，半导体激光器334的光被反光镜309反射，通过线性马达344对探头整体进行驱动，以使小滑动部306相对于小空气轴承307的变位一定。Z坐标测定用的振荡频率稳定化激光被同一透镜314集光到同一反光镜309，根据反射光测定Z坐标。

图13表示的是专利文献4记载的形状测定装置。虽然与专利文献1是相同的想法，但探头405不在XY方向上移动，而是构成为测定物401与XYZ参照镜403、404、402成为一体，在XY移动装置421的作用下在XY方向上移动。

图14表示的是专利文献5记载的三维形状测定装置。是可以从上侧和下侧这两侧测定透镜501的形状的装置。

图15是专利文献6的说明图，记载了如下的透镜面形状的测定方法，即，将测定探头在透镜面上进行聚焦伺服后，找出中心即搜索顶点，将其作为测定面601的测定原点。

专利文献7记载了一种形状测定方法及装置，其使用带有三个球体的透镜固定夹具，分别在表、背测定非球面透镜和三个球体，从而可以测定非球面透镜的倾斜及偏心。

专利文献8和9记载了使透镜以光轴方向为中心旋转、从两侧测定形状的方法。

图16A及图16B表示的是专利文献10中记载的接触式探头的自重支承方法。

【专利文献1】日本特许第3046635号公报(第六页、图1)

【专利文献2】日本特许第2973637号公报(第五页、图6)

【专利文献3】日本特许第3000819号公报(第三页、图1)

【专利文献4】日本特开平10-170243号公报(第11页、图3)

【专利文献5】日本特许第3486546号公报(第13页、图3)

【专利文献6】日本特公平07-69158号公报(第五页、图1)

【专利文献7】日本特开2002-71344号公报

【专利文献8】日本特许第3604996号公报

【专利文献9】日本特开2005-069775号公报

【专利文献10】日本特开2003-42742号公报(第19页、图6)

(1)说明独立形式的技术方案所述的本发明要解决的问题

在所述现有的专利文献1～4的结构中，由于不把测定物背面翻过来就无法测定表背面，所以存在的问题是为了使表背面的测定坐标系相同，若不使用例如专利文献7中记载的那样的夹具，就无法测定倾斜及偏心。另外，由于除了测定面的测定以外，又必须测定夹具，所以使测定时间变得非常长，存在误差发生的原因增大的问题。

专利文献5的结构是，从测定物501的上面测量上表面，同时从测定物501的下面测量下表面。为了达成亚微米以下的测定精度，因为XYZ载物台的移动直线度和垂直度很难达到亚微米以下，所以与专利文献1一样，使用X参照镜204u、X参照镜204d、Y参照镜(图示未表示)、Z参照镜206u、Z参照镜206d，将这些参照镜的平面度作为XYZ坐标轴的基准。但是，因为在上下配置各异的参照镜，所以成为上下不同的XYZ坐标系。

但是，若在不同的坐标系中测定测定物501的上下面，则不能测定测定物501的上下面的倾斜及偏心。因此，通过从上下测定与测定物501一体固定的三个球，根据三个球的测定数据进行计算，从而补正测定物501的上下面的坐标系的偏差。

并且，专利文献5使用六面高价的参照镜，不仅变得极其复杂、巨型化和高价化，而且除了测定面以外还必须另外测定三个球面，所以相当花费时间。由于再加上球的球面度或测定误差，存在倾斜及偏心的测定结果产生误差的问题。

在专利文献5的图14中，使用两面X参照镜204u和204d、两面Z参照镜206u和206d、和两面Y参照镜(没有图示)，共计使用六面参照镜。

另外，为了测定长度，X轴使用207u、208u、207d、208d四个激光测长单元，Y轴也使用四个激光测长单元，Z轴使用209u、209d两个激光测长单元，共计使用10个激光测长单元。在激光测长单元中，只是一个轴就需要棱镜、角隅棱镜(corner cube)、波长板等多种精密光学部件，如果是配备十轴，就需要大量的精密光学部件，是相当大的花费却很难实用化的装置。

在专利文献5的构造中，无论如何都需要六面参照镜、10轴激光测长单元，不能减少。以下说明理由。

首先，对Z轴进行说明。Z轴利用作为激光测长单元的一例的上侧Z测定用干涉计209u，对从在上探头221u的背面配置的上侧反光镜208u到上侧Z参照镜206u的距离进行测定。下探头221d也同样，利用作为激光测长单元的另一例的下侧Z测定用干涉计209d，对从在下探头221d的背面配置的下侧反光镜208d到下侧Z参照镜206d的距离进行测定。各个干涉计209u、209d，对于从探头221u、221d背面的反光镜208u、208d到参照镜206u、206d的距离，通过激光干涉计209u、209d直接进行测定，所以无论省掉Z参照镜206u、206d哪一个，省掉的Z坐标都不能测定。

关于X轴，在专利文献5的结构中，上探头221u沿着上侧的引导件226u上下运动，下探头226d沿着下侧的引导件226d上下运动。各个引导件226u、226d使用滚动轴承的引导件，滚珠丝杠227u、227d由马达229u、229d驱动而上下运动。在这样的结构中，连达到0.1微米以下的直线度也是不可能的。因此，为了补正引导件226u、226d的移动直线度的不足，对于X坐标，只用上探头226u测定距离X1u和距离X2u的两处，补正Z轴引导件移动时的倾斜变化。此外，因为从引导件226u、226d到触针的距离也会偏离，为了排除热膨胀的影响等，尽可能在探头221u、221d的附近测量X坐标。

下探头221d因为在另外的下侧的引导件226d上上下移动，所以在下探头221d的附近的相同的两处，测定距离X1d和距离X2d。如果无论哪个反光镜、例如省去下侧的反光镜204d充当上探头221u的X坐标测定数据，则下探头221d的下侧引导件226d的直线度不足，倾斜度、热膨胀等误差增大，不能进行高精度测定。因此，上侧X参照镜204u和下侧X参照镜204d任一个都不能省略。

对于Y轴也同样，基于与X轴同样的原因，不能省略两个Y参照镜的其中一方。

其结果是，在专利文献5的方式中，成为上下不同的XYZ坐标。也就是说，上侧Z参照镜206u形成上侧XY坐标平面，下侧Z参照镜206d形成下侧XY坐标平面，难以使两者达到一致。上侧X参照镜204u形成上侧的YZ坐标平面，下侧X参照镜204d形成下侧YZ坐标平面，难以使两者达到一致。Y参照镜也同样。因此，在该例子中，通过用上下的探头221u、221d测定三个球，来补正上下坐标系的不一致。因此，除测定被测定物以外，还要测定三个球，除了测定除测定物以外还要进行额外3倍的测定。

专利文献7记载了，将透镜和三个球固定于一个夹具，从表面侧测量透镜和三个球，把夹具翻过来从背侧测量透镜和三个球，根据计算可以测定透镜的倾斜及偏心。这具有可以这样直接使用在现有的专利文献1～4中记载的超高精度三维测定机的优点，但是除测定物以外还需要测量三个球这额外增加的3倍的测定。

专利文献8是用两个探头从上下或左右测定透镜的两面，从而测定透镜的倾斜及偏心。在其上下具备各不相同的Z参照镜和X参照镜这一点上，存在与专利文献5相同的问题，但不同的点是，测定坐标系不是直角坐标系，是使透镜以光轴方向为中心旋转，根据旋转角度和半径进行测定的极坐标系。在此文献中，不仅使用旋转角度测定，在旋转台的振动测定中使用两组激光测长单元。

极坐标的测定，因为要使两个探头的位置对合在旋转中心，且要使非球面透镜的光轴与极坐标测定的旋转中心相一致，所以与直角坐标测定相比，必要的调整项目多，误差发生的因素也多。并且，还存在不能测定四方或细长的透镜这样的、在直角坐标系中没有的问题。

专利文献9也是利用两个探头通过极坐标测定从左右测定透镜的两面，从而测定透镜的倾斜及偏心。但是因为是极坐标测定，所以存在所述问题，加上因为没有用于超过载物台精度限界的参照镜等机构，所以认为在纳米级别的精度上无法测定非球面透镜的两面。

所述本发明的课题就是解决所述这些问题。

(2)说明从属形式的技术方案记载的本发明所要解决的问题。

专利文献1～4的方式虽然是在纳米级别的精度上适合用于测定非球面透镜的很好的结构，但为了从非球面透镜的两面进行测定，在专利文献1的结构中，必须在测定物和石平台之间装入包含探头的Z轴部。在专利文献4的结构中，必须在测定物和Z参照镜之间装入探头。

但是，因为探头在Z方向上很长，所以探头很难插入到测定物与石平台之间。若硬要将探头装入到测定物与石平台之间，则测定物与参照镜或石平台之间的距离就会变长，就不能忽视振动或热膨胀等导致精度恶化的原因。

将探头在纵向上由大而长变为小而短，成为从属形式技术方案记载的本发明所要解决的问题。另外，将探头缩小在从一面测定的测定机中，也是为了提高测定响应性、实现测定机的小型化、低成本化的重要课题。

(3)说明从属形式的技术方案记载的本发明所要解决的问题。

在专利文献1～4的结构中，为了支承探头的自重，从上面用弹簧吊起。在用专利文献2的恒载弹簧支承的结构中，利用两个卷绕的由薄板制成的弹簧从上面拉拽。但是，在这种现有装置的结构中，若要从下侧将测定的探头插入到测定物与石平台之间，则存在由于该弹簧部长，从而Z轴部变长的问题，和因为弹簧部在探头上侧，导致与测定物互相干涉的问题。

另一方面，在专利文献10中，用杠杆616或滑轮618支承探头602的自重。但是这样一来，探头602的可动部的质量变成了2倍。

探头的驱动是在可动部添加线圈，使线圈通过在固定部的磁回路的空隙部，流通电流利用产生的电磁力来驱动的方法较好。是为了使聚焦误差信号为零，通过进行聚焦伺服，使测定力一定，可以快速扫描测定面的方法。没有输送间隙(backlash)，也不会对移动直线度带来不良影响。但是线圈不能产生很大的力。

即，专利文献10的方法，为了达到平衡，由于探头的可动部的质量变为2倍，从而存在不能基于线圈进行较快扫描的问题。因此，在专利文献10中，用马达和滚珠丝杠驱动探头。但是，在滚珠丝杠输送中，虽然输出较大的力，但存在响应性差，因为丝杠的间隙或丝杠旋转时向横向的力而造成直线度恶化等的问题。

另外，用专利文献2中的恒载弹簧支承的结构，因为两个由卷绕的薄板形成的弹簧的特性不一致，所以有时产生Z方向以外的力，这个力使Z轴的移动直线度恶化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种解决所述各种问题中的使探头变轻，改善响应性，并且可以小型轻量化并且低成本的三维形状测定装置。

另外，作为从属形式的技术方案记载的本发明的目的是，除了所述目的以外，解决所述各种问题中剩余的问题，提供一种可以在共同的坐标系中超高精度地同时测定测定物的表背，可以超高精度地算出测定物的表背面的倾斜和偏心的三维形状测定装置。

为了达成所述的目的，本发明如下构成。

(1)根据独立形式的技术方案记载的本发明的第一方式，提供一种三维形状测定装置，其具有：

第一单元，其在互相正交的XYZ坐标系中，对以XY方向为平面的Z参照镜、以YZ方向为平面的X参照镜、以XZ方向为平面的Y参照镜、和保持测定物的测定物保持部件至少这四个部件的位置关系进行固定；

第二单元，其至少具有：内置第一触针的第一测定探头、内置与所述第一触针隔着所述测定物相互相对配置的第二触针的第二测定探头、一体地固定在所述第一触针上的Zf镜部、一体地固定在所述第二触针上的Zb镜部、和能够在Z方向上分别分别独立地移动所述两个测定探头的测定探头移动装置；

XY方向移动装置，其使所述第一单元、或所述第二单元相对移动；

在所述第二单元上配置的XYZ坐标测定用激光发生装置；

X坐标测定装置，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述X参照镜上，根据由所述X参照镜反射的反射光，测定所述第一单元的X坐标；

Y坐标测定装置，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Y参照镜上，根据由所述Y参照镜反射的反射光，测定所述第一单元的Y坐标；

Z₁坐标测定装置，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Z参照镜上，根据由所述Z参照镜反射的反射光，测定所述XY方向移动装置的移动中在Z方向上的变位即所述第一单元的Z₁坐标；

Z₂坐标测定装置，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Zf反光镜部，根据由所述Zf反光镜部反射的反射光，测定所述第一触针相对于所述第二单元在Z方向上的变位即Z₂坐标；

Z₃坐标测定装置，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Zb反光镜部，根据由所述Zb反光镜部反射的反射光，测定所述第二触针相对于所述第二单元的在Z方向上的变位即Z₃坐标；

前后面Z坐标运算装置，其求出与所述第一触针相对的所述测定物的前面的Z坐标即Zf＝Z₂+Z₁，和与所述第二触针相对的所述测定物的后面的Z坐标即Zb＝Z₃+Z₁。

根据本结构，能够以纳米级别在同一XYZ三维坐标系中，用两个探头从作为测定物的例如非球面透镜的表背(前后)两面同时测定，可以构成能够实用化的不仅可以测定非球面透镜的各面的形状，也可以测定两面间的倾斜及偏心的三维形状测定装置。

根据本发明的第二方式，提供如第一方式所述的三维形状测定装置，对使所述两个测定探头向Z方向移动的所述测定探头移动装置的、支承所述两个测定探头的沿Z方向的两个可动部进行引导的导轨部由同一加工平面构成。

根据本发明的第三方式，提供如第一或第二方式所述的三维形状测定装置，

还具有：

球，其可以保持于所述测定物保持部件并且可由所述两个测定探头测定前后两面；

校正机构，其将所述测定数据坐标变换到XYZ方向上，以使基于所述测定探头得到的所述球的测定数据与设计值的差最小；

位置偏移检测机构，其将基于所述校正机构的校正结果中各自在XY方向的坐标变换量的差作为XY方向的位置偏移量，通过在所述校正结果中各自的Z方向的坐标变换量的差上加上所述球的直径，检测出Z方向的位置偏移。

根据本发明的第四方式，提供如第三方式所述的三维形状测定装置，

具有运算部，其在基于所述两个测定探头中任意一个测定探头得到的测定数据的XYZ坐标上加上所述位置偏移量，将由所述两个测定探头得到的测定数据，作成为在同一XYZ坐标系中的测定数据，

并且所述校正机构还具有：

倾斜算出机构，其为了使由所述第一测定探头得到的所述测定物前面的测定数据和由所述第二探头得到的所述测定物后面的测定数据与各自设计值的偏差达到最小，进行XYZ方向的平行移动和以XYZ轴为中心的旋转方向ABC轴的最大计六轴的坐标变换，另一方面，将由所述校正机构得到的前面和后面的校正结果的旋转方向A、B、C轴的值的差作为前面和后面的倾斜算出；

偏心算出机构，将前面或后面的任一个面定义为基准面，将不是基准面的面定义为第二面，由所述校正结果得到所述基准面的中心，对于加上了以所述基准面的中心为原点的坐标系中的所述测定点的位置偏移量后的所述第二面的测定数据，按照所述基准面的校正结果进行坐标变换，以此时的所述第二面的中心的XY坐标作为所述第二面相对于所述基准面的偏心而算出。

(2)根据从属形式的技术方案记载的本发明的第五方式，提供如第一～第四方式的任一方式所述的三维形状测定装置，

所述测定探头具有：

激光光源；

透镜，其使从所述激光光源发出的激光聚集在与所述触针一体连结的反光镜上；

衍射光栅，其配置在通过该透镜聚光在所述反光镜的反射面上后、由所述反射面反射的激光的激光光路中，并且为同心圆状，形成在同心圆的中心从所述激光光路偏离的位置；

第一光检测器群，其接收由该衍射光栅生成的正一次衍射光；和

第二光检测器群，其接收由所述衍射光栅生成的负一次衍射光，

另一方面，在所述三维形状测定装置上还具有将所述第一光检测器群和所述第二光检测器群的输出作为聚焦误差信号的聚焦误差信号检测部，

在所述测定探头移动装置中，以来自所述聚焦误差信号检测部的聚焦误差信号为基础，使所述第一测定探头或第二测定探头在所述Z方向上移动，进行聚焦伺服。

根据这样的结构，可以减小缩短探头。

(3)根据从属形式的技术方案记载的本发明的第六方式，提供如第一方式所述的三维形状测定装置，

还具有：

金属丝，其支承所述测定探头和可动部的重量，所述可动部利用所述测定探头移动装置，使所述探头在所述Z方向上可动；

滑轮，其防止与所述金属丝的长度方向正交的横方向的位置偏移，同时引导所述金属丝；

恒载弹簧，其由卷成涡旋状的薄板构成，通过所述滑轮与所述金属丝连结，并且在所述可动部的可动范围的整个区域产生与所述探头和所述可动部的重量相等的张力。

根据这样的结构，在从测定物的下侧测定时，可以预防支承探头的弹簧与测定物干涉的情况。

根据本发明的第七方式，提供一种三维形状测定装置，

其具备测定探头，所述测定探头具有：

激光光源；

透镜，其使从所述激光光源发出的激光聚集在与触针一体连结的反光镜上；

衍射光栅，其配置在通过该透镜聚光在所述反光镜的反光镜反射面上后、由所述反射面反射的激光的激光光路中，并且为同心圆状，形成在同心圆的中心从所述激光光路偏离的位置；

第一光检测器群，其接收由该衍射光栅生成的正一次衍射光；和

第二光检测器群，其接收由所述衍射光栅生成的负一次衍射光，

并且所述三维形状测定装置还具有将所述第一光检测器群和所述第二光检测器群的输出作为聚焦误差信号的聚焦误差信号检测部，

以来自所述聚焦误差信号检测部的聚焦误差信号为基础，使所述测定探头在Z方向上移动，进行聚焦伺服。

根据这样的结构，可以减小缩短探头。

以上所述，根据本发明，因为参照镜是三面，坐标测定装置是五轴，都是现有例子的个数的一半，所以探头变轻、响应性变好，同时可以实现小型轻量化，可以使三维形状测定装置的成本减半。

另外，根据本发明的一个方式，通过使基于两个探头的测定坐标系的参照镜共用化，使XYZ测定坐标系完全一致，从而可以用相同的坐标系得到测定物(例如非球面透镜)的前后面(表背两面)的测定数据，不必像现有例那样除测定物以外还必须测定三个球，测定时间也减半，测定误差发生的要因也减少，所以具有提高测定精度的非常大的效果。换言之，在现有的测定装置中，在从测定物的表背用两个探头进行测定的时候，因为表背的坐标系没有超高精度的一致，因此不能正确测定表面和背面的倾斜和偏心，并且构造复杂，大型化，与从单侧面测定的装置相比，制作极其困难，但是根据本发明的所述方式，通过所述构造，测定物的表背的坐标系超高精度一致，特别是通过在同一坐标系同时以超高精度测定非球面透镜的表背面，可以正确地、以纳米级别的超高精度测定非球面透镜的表面和背面的倾斜和偏心，并且构造简单，可以达到小型化，即使与从单面测定的装置相比，也能起到制作容易的优良效果。

另外，根据本发明的第五及第七方式，因为可以减小缩短探头，所以在制作从测定物上下测定的测定机时，可以缩短参照镜与测定物的距离，所以可以减小由热膨胀或振动产生的误差。即使在从测定物的一侧开始测定的测定机中，也可以取得探头轻质化，响应性良好及测定机小型轻量化和低成本的效果。

并且，根据本发明的第六及第八方式，在从测定物的下侧向上测定的时候，可以防止支承探头的弹簧与测定物干涉的现象，在因为由两个卷成的薄板构成的恒载弹簧的特性不一致，而产生了相对于牵引方向的横向的力时，即使与金属丝的连结位置向横向偏离，也因为金属丝通过滑轮后的位置不会在横向上发生偏离，所以牵引Z轴部的力总是只完全朝向一个方向，不会对Z轴的移动直线度带来不良影响。

因为现有技术不能测定测定物的表背面间的倾斜及偏心，不能实现优良的品质，但如以上那样，通过本发明的三维形状测定装置，可以测定在数码相机、数码摄像机、带摄像头手机、DVD或下一代大容量光盘、激光打印机、放映机、广角监视器等各个领域里广泛使用的透镜、特别是非球面透镜的倾斜及偏心，可以实现对于这样的光学部件的开发制造的品质及成品率的提高。

另外，即使在从一侧测定测定物的面形状的装置中，也可以达成测定机的小型化、低成本化、高精度化。

附图说明

本发明的这些目的和其特征，从以下对附图进行的与优选实施方式相关的说明中可以明确。在图中：

图1是在本发明的第一及第二实施方式中的三维形状测定装置的主视图；

图2是在本发明的第一实施方式中的三维形状测定装置的右剖面侧视图；

图3A是在本发明的第一实施方式中的三维形状测定装置的立体图(上侧一对恒载弹簧之中的一个弹簧的图示省略)；

图3B是图3A的局部放大立体图；

图3C是用于说明将测定物载置保持在本发明的第一实施方式中的三维形状测定装置的测定物保持部件的测定物保持板部上的状态的剖面图；

图3D是用于说明将基准球保持在本发明的第一实施方式中的三维形状测定装置的测定物保持部件的测定物保持板部上的状态的剖面图；

图4A是在本发明的第三实施方式中的三维形状测定装置中测定基准球的说明图；

图4B是在本发明的第三实施方式中的三维形状测定装置中的基准球的初期测定数据的说明图；

图4C是在本发明的第三实施方式中的三维形状测定装置中的基准球的补正后的测定数据的说明图；

图5A是在本发明的第四实施方式中的三维形状测定装置中的透镜的测定数据的说明图；

图5B是在本发明的第四实施方式中的三维形状测定装置中的在透镜的前表面基准的坐标变换的说明图；

图5C是在本发明的第四实施方式中的三维形状测定装置中的在透镜的后表面基准的坐标变换的说明图；

图5D是在本发明的第四实施方式中的三维形状测定装置的演算处理部的框图；

图6是表示在本发明的第五实施方式中的探头结构的局部剖面说明图；

图7是在本发明的第五实施方式中的衍射光栅的说明图；

图8A是在本发明的第五实施方式的三维形状测定装置的一体化元件中，反光镜部位于零次光的焦点位置时的说明图；

图8B是在本发明的第五实施方式的三维形状测定装置的一体化元件中，反光镜部位于比零次光的焦点位置远的位置时的说明图；

图8C是在本发明的第五实施方式的三维形状测定装置的一体化元件中，反光镜部位于比零次光的焦点位置近的位置上时的说明图；

图9是在本发明的第六实施方式中的三维形状测定装置的主视图；

图10是现有的超高精度三维测定机的结构图；

图11是现有的三维测定装置的探头和Z轴的结构图；

图12是现有的三维测定探头的说明图；

图13是现有的超高精度三维测定机的结构图；

图14是现有的三维形状测定装置的结构图；

图15是现有的透镜面形状的测定方法的说明图；

图16A是现有的接触式探头的说明图；

图16B是现有的另一种接触式探头的说明图。

具体实施方式

在继续本发明的记述之前，在附图中对于相同部件，标记同样的参照符号。

以下根据附图，详细说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

图1是表示在本发明的第一实施方式中的三维形状测定装置的结构的主视图，图2是从图1的中心切断后从右侧观察的右剖面侧视图，图3A及图3B是立体图及其局部放大图。

所述三维形状测定装置构成为具备：下石平台23；侧面石平台24，其立起设置固定在下石平台23的上表面的背面侧；第一单元A，其具有测定物保持部件98、Z参照镜(Z方向参照镜，以下简称「Z参照镜」)2、X参照镜(X方向参照镜，以下简称「X参照镜」)3和Y参照镜(Y方向参照镜，以下简称「Y参照镜」)4；第二单元B，其至少具有Zf反光镜部9f、Zb反光镜部9b、测定探头10和测定探头移动装置93；XY方向移动装置99，其使第一单元A在XY方向上移动；作为XYZ坐标测定用激光发生装置的一例的He-Ne稳定化激光器38；X坐标测定装置27；Y坐标测定装置36；Z₁坐标测定装置35；Z₂坐标测定装置28；Z₃坐标测定装置37；作为前后面Z坐标运算装置的一例的运算部94；控制部96。另外，所述Zf反光镜部9f被一体固定于第一触针5f。另外，所述Zb反光镜部9b被一体固定于第二触针5b。并且，测定探头移动装置93是驱动所述两个测定探头10f、10b的装置，可以使所述两个测定探头10f、10b各自独立地沿Z方向移动。

XY方向移动装置99配置在下石平台23上，可以使基台97在XY方向上移动。

Z参照镜2被配置成固定在基台97上，并且反射面向下，并且与Z方向(高度方向)正交(换而言之，在互相正交的XYZ坐标系中，以XY方向为平面(反射面))，基台97配置在测定物1正下方的XY方向移动装置99上。

X参照镜3被配置在固定壁3a上，该固定壁3a固定在基台97上且从测定物1正面侧观察位于左侧(图1的测定物1的左侧)，X参照镜3被配置在该固定壁3a的上部的与测定物1相反一侧的面上并且与X方向正交(换而言之，以YZ方向为平面(反射面))。

Y参照镜4配置在固定壁4a的上部，该固定壁4a固定在基台97上位于测定物1的背面侧，所述Y参照镜4被配置在该固定壁4a的上部的与测定物1相反一侧的面上并且与Y方向正交(换而言之，以XZ方向为平面(反射面))。

为了固定将测定物1保持在测定物保持板部98d的贯通孔98e内的倒L字状的测定物保持部件98与Z参照镜2与X参照镜3与Y参照镜4的位置关系，这些部件98、2、3、4被一体固定在基台97上。将这些测定物保持部件98及Z参照镜2及X参照镜3及Y参照镜4以及还包括它们的固定部分即固定壁3a及固定壁4a及基台97称为「第一单元A」。在该第一实施方式中，第一单元A在XY方向移动装置99的作用下在XY方向上运动。在该第一单元A中，Z参照镜2、以YZ方向为平面的X参照镜3、以XZ方向为平面的Y参照镜4，与保持测定物1的测定物保持部件98，这至少所述四个部件的位置关系被固定。

另外，在测定物保持部件98的测定物保持板部98d的贯通孔98e内，如图3C中详细所示，从上方嵌入有测定物支承板1e，该测定物支承板1e在中央贯通孔1f中载置保持测定物1。

XY方向移动装置99由Y载物台22及X载物台21构成，Y载物台22配置在下石平台23上，可以沿Y方向移动，X载物台21配置在Y载物台22上，可以沿X方向移动，并且载置固定了基台97。

控制部96与如下部分连接，即：XY方向移动装置99即X载物台21的未图示的驱动装置和Y载物台22的未图示的驱动装置；He-Ne稳定化激光器38；X坐标测定装置27；Y坐标测定装置36；Z₁坐标测定装置35；Z₂坐标测定装置28；Z₃坐标测定装置37；作为前后面Z坐标运算装置的一例的运算部94；具有聚焦伺服机构95的测定探头移动装置93；以及一体化元件34(半导体激光器31和聚焦受光部34A、聚焦受光部34B、聚焦受光部34C、聚焦受光部34D、聚焦受光部34E、聚焦受光部34F)等，进行各个的动作控制。

这三面参照镜即参照镜2、参照镜3、参照镜4，被抛光成各自具有极好的平面度，这些平面形成XY坐标轴，由基台97等与测定物1一体固定，因此形成了用于测定测定物1的测定面形状的纳米级别的超高精度的XY坐标轴。

在该第一实施方式中，从测定物1的前后方向(图2的左右方向)扫描来测定测定物1形状的测定探头10，安装在作为Z气动滑动引导部的一例的大空气轴承11的上侧和下侧的位置，各自独立可以上下移动。上下的大空气轴承11构成为，对分别支承上下的测定探头10f、10b的上下的近似四方筒状的可动部(引导部)11f、11b进行支承，相对于具备四个滑动引导面的四棱柱的共用的导轨部11g，可动部(引导部)11f、11b可以沿Z方向滑动。在区别上下的测定探头10进行说明时，将上侧的测定探头称为10f，将下侧的测定探头称为10b，像这样加上front(上面侧即表面侧)和back(下面侧即背面侧)的头文字“f”和“b”加以说明。但是，在以下的说明中，特别是在即使不区别上下的测定探头10也可以的情况下，省略f和b。另外，在权利要求书里，所谓“内置第一触针的第一测定探头”，是指“内置触针5f的测定探头10f”以及“内置触针5b的测定探头10b”的任一方，所谓“内置第二触针并且隔着所述测定物相互相对地配置所述第一触针和所述第二触针的第二测定探头”，是指“内置触针5f的测定探头10f”及“内置触针5b的测定探头10b”的任意另一方。

在各测定探头10中，如图6所示，内置有：触针5；小滑动轴部6，所述小滑动轴部6配置在测定探头外壳10a的一端并且与所述触针5连结固定；小空气轴承7，所述小空气轴承7被测定探头外壳10a支承并且引导该小滑动轴部6相对于测定探头外壳10a可以沿Z方向移动；弹簧力产生装置50，所述弹簧力产生装置50由板簧等构成，被测定探头外壳10a支承，并且在所述小空气轴承7处在小滑动轴部6的位置要前后移动时，产生将小滑动轴部6压回到平衡点的弹簧力；反光镜部9，所述反光镜部9配置在所述小滑动轴部6上的与所述触针5相反的一侧；一体化元件34，所述一体化元件34配置在测定探头外壳10a的另一端并且与半导体激光器及聚焦受光部形成一体；分色镜15，所述分色镜15配置在测定探头外壳10a的弯曲部并且对从一体化元件34发出的半导体激光进行全反射，另一方面使He-Ne稳定化激光Fz全透过，所述He-Ne稳定化激光Fz是从配置在第二单元B的侧面石平台24上的作为振荡频率稳定化激光器的一例的He-Ne稳定化激光器38(参照图2)发出的；和透镜14，所述透镜14被测定探头外壳10a支承，并且使透过了所述分色镜15的所述He-Ne稳定化激光Fz及被所述分色镜15全反射的半导体激光以大致聚合在焦点的方式收敛在反光镜部9。另外，在所述的各个装置或部件中，在区别上下的时候，分别附加f和b。也就是说，在区别上下的时候，称为：上侧的触针5f、下侧的触针5b、上侧的小滑动轴部6f、下侧的小滑动轴部6b、上侧的小空气轴承7f、下侧的小空气轴承7b、上侧的反光镜部9f、下侧的反光镜部9b、上侧的一体化元件34f、下侧的一体化元件34b、上侧四分色镜15f、下侧的分色镜15b、上侧的透镜14f、下侧的透镜14b。

另外，在图6中，32是使发散光转变为平行光的透镜；8是用于进行聚焦误差信号检测的衍射光栅；S是测定物1的测定面；48是用于向小空气轴承7供给空气的空气管。

一体化元件34，例如图8A～图8C所示，由作为激光光源的一例的半导体激光器31和多个受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F构成。在所述一体化元件34的多个受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F上连接有测定探头移动装置93的聚焦伺服机构95。

测定探头移动装置93大致由线性马达驱动装置43和线圈13(13f、13b)构成，所述线性马达驱动装置43作为构成聚焦伺服机构95的一部分的测定探头驱动装置的一例，所述线圈13(13f、13b)配置在磁回路12内，并且通过流通电流产生法拉第力，通过线性马达驱动装置43使支承测定探头10整体的大空气轴承11的可动部11(11f、11b)分别沿导轨部11g在Z方向上移动。

所述聚焦伺服机构95由聚焦误差信号检测部42和所述线性马达驱动装置43构成，所述聚焦误差信号检测部42，连接于多个受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F，将来自受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F的信号转变成聚焦误差信号，所述线性马达驱动装置43将来自聚焦误差信号检测部42的聚焦误差信号转变成电流。通过从所述线性马达驱动装置43向所述线圈13(13f、13b)流通电流而产生法拉第力，使支承测定探头10整体的大空气轴承11的可动部11(11f、11b)沿着导轨部11g在Z方向分别移动，从而进行聚焦伺服。另外，在区别上下的时候，分别附加f和b。也就是说，在区别上下的时候，称为：上侧的磁回路12f、下侧的磁回路12b、上侧的线圈13f、下侧的线圈13b。

在此作为一例子，在触针5以0.15mN左右的微小测定力与测定物1相接时，设定透镜14相对于测定探头10的外壳10a的位置，以使所述半导体激光大致在反光镜部9聚焦。被反光镜部9反射的反射光，返回到半导体激光器及聚焦受光部的一体化元件34的受光部、具体为多个受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F。若通过XY方向移动装置99使测定物1在XY方向上移动，则因为高度沿着测定物1的测定面变化，所以与测定面接触的触针5上下移动，因此反光镜部9也上下移动。此时，由于从反光镜部9反射而返回到多个受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F的所述半导体激光的光分布发生变化，因而由聚焦误差信号检测部42将来自受光部34A、34B、34C、34D、34E、34F的信号变换成聚焦误差信号，进一步由线性马达驱动装置43将聚焦误差信号转变成电流，向线圈13流通电流。线圈13因为通过磁回路12中，所以产生与电流成比例的法拉第力。结果是支承测定探头10整体的可动部11f、11b沿着大空气轴承11的导轨部11g在Z方向上移动。将此称为“聚焦伺服”。

测定探头10通过一对恒载弹簧17来平衡测定探头10自身的重量，该一对恒载弹簧17是将薄板的弹簧材卷成涡旋状后使其相对配置的结构，并且相对于伸缩而产生大致一定的弹簧力。

在触针5沿测定物1的测定面S在Z方向上移动时，由于在所述聚焦伺服机构95的作用下，支承测定探头10整体的可动部11f、11b沿着大空气轴承11的导轨部11g在Z方向上移动，因此在所述小空气轴承7处小滑动轴部6的位置要前后移动时，压回到平衡点的由弹簧力产生装置50产生的弹簧力大致一定，因此测定力也大致一定。

通过在所述大空气轴承11的可动部11f、11b配置所述两个测定探头10f、10b，以使相互的触针5f、5b沿Z方向相对，从而可以测定所述测定物1的表背(在图1等中的上下)的测定面S。

从He-Ne稳定化激光光源38发出的五支He-Ne稳定化激光Fz，如以下这样使用。另外，为了形成从He-Ne稳定化激光光源38发出的五支He-Ne稳定化激光Fz，也可以配置五个激光光源，或者，也可以配置一个或四个以下的激光光源，使来自激光光源的激光分支，形成合计五支He-Ne稳定化激光Fz。

从He-Ne稳定化激光光源38发出的第一支He-Ne稳定化激光Fz照射到X参照镜3的反射面(与测定物1相反一侧的面)，被X参照镜3的反射面反射的反射光经X干涉光学系25，被作为X坐标测定装置的一例的X坐标测定单元(X坐标用激光测长单元)27接收，基于接收的激光，通过X坐标测定单元27测定所述第一单元A的X坐标。在此，因为将X参照镜3看作是完全平面，所以测定X参照镜3的X坐标也就意味测定X干涉光学系25与X参照镜3的反射面之间的距离X(参考图1)的变位量。

同样，从He-Ne稳定化激光光源38发出的第二支He-Ne稳定化激光Fz照射到Y参照镜4上，被Y参照镜4反射的反射光被作为Y坐标测定装置的一例的Y坐标测定单元(Y坐标用激光测长单元)36接收，基于接收的激光，通过Y坐标测定单元36测定所述第一单元A的Y坐标。因为将Y参照镜4看作是完全平面，所以测定Y坐标也就意味测定反光镜与Y参照镜4的反射面之间的距离Y(参考图2)的变位量。

另一方面，从He-Ne稳定化激光光源38发出的第三支He-Ne稳定化激光Fz，照射到所述Zf反光镜部9f上，根据被所述Zf反光镜部9f反射的反射光，由Z₂坐标测定装置28测定所述第一触针5f相对于所述第二单元B的在Z方向上的变位即Z₂坐标。更具体地说，第三支He-Ne稳定化激光Fz，被反光镜16f反射，照射到反光镜部9f，被反光镜部9f反射的反射光再次被反光镜16f反射，被作为Z₂坐标测定装置的一例的Z₂坐标测定单元(Z₂坐标用激光测长单元)28接收，基于接收的激光通过Z₂坐标测定单元28测定反光镜部9f的Z₂坐标。测定Z₂坐标也就意味测定从反射反光镜16f的反射面到反光镜部9f的反射面的距离Z₂(参照图2)的变位量。

从He-Ne稳定化激光光源38发出的第四支He-Ne稳定化激光Fz照射到所述Zb反光镜部16b上，根据被所述Zb反光镜部16b反射的反射光，由Z₃坐标测定装置37测定所述第二触针5b相对于所述第二单元B的在Z方向上的变位即Z₃坐标。更具体地说，第四支He-Ne稳定化激光Fz，透过反射透过镜24j被反光镜16b反射，照射在反光镜部9b，照射在反光镜部9b的激光被反光镜部9b反射，该反射光再次被反光镜16b反射，并被反射透过镜24j反射，被作为Z₃坐标测定装置的一例的Z₃坐标测定单元(Z₃坐标用激光测长单元)37接收，基于接收的激光通过Z₃坐标测定单元37测定反光镜部9b的Z₃坐标。测定Z₃坐标也就意味测定从反射反光镜16b的反射面到反光镜部9b的反射面的距离Z₃(参照图2)的变位量。

在此，由于触针5f、5b前端的测定点和反光镜部9f、9b为一体的构造，所以即使在所述聚焦伺服机构95处存在聚焦伺服误差，也没有任何测定误差。

从He-Ne稳定化激光光源38发出的第五支He-Ne稳定化激光Fz，照射到所述Z参照镜2上，根据被所述Z参照镜2反射的反射光，由Z₁坐标测定装置35测定所述XY方向移动装置99的移动中在Z方向上的变位即所述第一单元A的Z₁坐标。更具体地说，所述第五支He-Ne稳定化激光Fz，被反光镜20反射后，被Z参照镜2的下表面即反射面反射，再次反射到反光镜20上，被作为Z₁坐标测定装置的一例的Z₁坐标测定单元(Z₁坐标用激光测长单元)35接收，基于接收的激光通过Z₁测定单元35测定所述第一单元A的Z₁坐标。测定Z₁的坐标，也就意味测定从固定在下石平台23上的反光镜20的反射面到Z参照镜2的反射面的距离Z₁(参照图1及图2)的变位量。

另外，使探头10相对于测定物1移动，同时进行后述的找出中心(中心出し)，在探头10位于测定物1的中心后，将X坐标、Y坐标、Z₂坐标、Z₃坐标、Z₁坐标归零，然后测定距离X、距离Y、距离Z₂、距离Z₃、距离Z₁各自的变位量。

如上所述，保持测定物1的测定物保持部件98和X参照镜3和Y参照镜4和Z参照镜2被固定在一体的位置关系上，形成XY坐标轴，并且构成第一单元A。此第一单元A，在X载物台21及Y载物台22的作用下在XY方向上一体移动，但使X载物台21及Y载物台22的移动直线度为纳米级别几乎不可能。其原因是，在X载物台21及Y载物台22分别使用的滚动轴承的圆度与引导件的直线度的相加计算基础上，并在Y载物台22的上面载置X载物台21，伴随移动荷重中心也发生变化，两部件有时相对稍微产生倾斜等。

因此，即使X载物台21及Y载物台22由于前后颠簸(pitching)或左右摇摆(yawing)而产生倾斜，也由于XY坐标轴不是由X载物台21及Y载物台22形成的，而是由三面参照镜2、3、4形成的，并且是在测定物1的测定点的轴上测定XYZ坐标的结构，所以可以使测定误差极小。

另一方面，Z坐标轴不是由这些参照镜2、3、4决定的，而是由大空气轴承11的导轨部11g的直线度决定的。小空气轴承7如所述那样几乎不会上下移动。

大空气轴承11，因为其导轨部11g的滑动引导面与反光镜同样，可以通过抛光制成高平面度，所以可以使移动直线度接近纳米级别的镜面平面度。另外，可以将大空气轴承11设计成相对于倾斜力具有较高的刚性的构造。但是，在移动中如果有偏荷重，大空气轴承11将产生在纳米级别上的倾斜。因此，在大空气轴承11的可动部11f、11b的大致重心处，分别用一对恒载弹簧17f、17b支承大空气轴承11的可动部11f、11b，通过用线圈13f、13b在Z方向上驱动大致重心，可以设计成尽可能消除移动中的倾斜的构造。

小空气轴承7和在其中滑动的小滑动轴部6是其他类似例子所没有的程度的微小的空气轴承。可动部11f、11b的质量只有0.2克。由此，即使是0.15mN(15mg)这样微小的测定力，也可以实现足够测定的加速度响应。

下面对于Z坐标的测定进行说明。

与保持测定物1的测定物保持部件98一体地固定在基台97上的Z参照镜2，在XY方向移动装置99的作用下，在XY方向上移动，但在Z参照镜2下面的反光镜20被固定在下石平台23上而不会移动。如上所述，从He-Ne稳定化激光Fz分支的第一支激光，经反光镜20反射后被Z参照镜2的反射面反射，返回到Z₁测定单元35，由Z₁测定单元35测定Z₁的坐标。因为将Z参照镜2看作是完全平面，所以测定Z₁的坐标，就是测定X载物台21及Y载物台22的移动直线度。

分支的第四支激光Fz是在测定上探头10f的Zf反光镜部9f在Z方向上的变位即Z₂坐标(相对于三维形状测定装置的固定部即下石平台23和侧面石平台24的变位即Z₂坐标)时利用。分支的第五支激光是在测定下探头10b的Zb反光镜部9b在Z方向上的变位即Z₃坐标(相对于三维形状测定装置的固定部即下石平台23和侧面石平台24的变位即Z₃坐标)时利用。与所述第一触针5f相对的所述测定物1的前面的Z坐标，例如测定物1的上面的Z坐标测定数据Zf由Z₂+Z₁求得，与所述第二触针5b相对的所述测定物1的后面的Z坐标，例如测定物1的下面的Z坐标测定数据Zb由Z₃+Z₁求得。该计算如以下所示，由作为前后面Z坐标运算装置的一例的运算部94进行。运算部94通过控制部96与X坐标测定装置27和Y坐标测定装置36和Z₁坐标测定装置35和Z₂坐标测定装置28和Z₃坐标测定装置37连接，将各个坐标测定数据输入到运算部94中。另一方面，在运算部94得到的数据，可以通过控制部96从输出装置90输出(例如，在显示器等中显示或用印刷装置印刷)。XY坐标在测定物1的上侧和下侧都是共用的。另外，在输出装置90中，可以输出(例如，在显示器等中显示或用印刷装置印刷)在其他实施方式中的各种运算结果等。

所述X坐标、Y坐标、Z₁坐标、Z₂坐标、Z₃坐标，共计五个坐标的测定数据(测定值)以一定时间间隔同时输入到控制部96中。根据向控制部96输入的值，作为测定物1的表面的Z坐标的Zf坐标的测定数据通过运算部94计算Z₂坐标的测定数据与Z₁坐标的测定数据之和；作为测定物1的背面的Z坐标的Zb坐标的测定数据通过运算部94计算Z₃坐标的测定数据与Z₁坐标的测定数据之和，通过运算部94得到测定数据列(X_i，Y_i，Zf_i、Zb_i)。在此，测定物1表面的测定数据列为(X_i，Y_i，Zf_i)，测定物1背面的测定数据列为(X_i，Y_i，Zb_i)。在此，在i是1，2，……时，表示的是以一定时间间隔输入的测定值。例如，在i＝1，2时，测定物1表面的测定数据列是(X₁，Y₁，Zf₁)，(X₂，Y₂，Zf₂)，测定物1背面的测定数据列是(X₁，Y₁，Zb₁)，(X₂，Y₂，Zb₂)。

将包括测定探头10和大空气轴承11等的部分称为「第二单元B」，在该第一实施方式中，第一单元A载置在X载物台21及Y载物台22上，在XY方向移动装置99的作用下在XY方向上移动，但相反，还可以构成为将第一单元A固定在侧面石平台24及下石平台23等固定部，另一方面将第二单元B载置在X载物台21及Y载物台22上，由XY方向移动装置99带动第二单元B在XY方向上移动。

测定物1的三维形状测定开始前，由于测定物1上下的触针5f、5b离开测定物1的测定面S，所以不进行所述聚焦伺服。在测定探头10上，虽未图示但安装有Z方向的位置检测器，来自该位置检测器的位置信号，变为由操作者拨动手动驱动用表盘而变化的指令值，在控制部96的控制下，由线性马达驱动装置43使测定探头10在Z方向上移动(换而言之，基于通过操作者拨动手动驱动用表盘而生成的输入信息，驱动线性马达驱动装置43，使测定探头10的端部移动到与测定物1的测定面S大约相接的位置)。将其称为「位置伺服」。

在没有对触针5施加测定力时，小滑动轴部6的自重仅由弹簧力产生装置50支承。此时，事先相对于测定探头外壳10a在Z方向上对透镜14进行位置调整，使得反光镜部9离开聚焦位置10微米左右，处于偏离的错开焦点的位置。为了灵敏度良好地检测出聚焦误差信号，如图6所示，使来自一体化元件34的半导体激光射入到透镜14开口的全部，但因为Z坐标测定用的He-Ne稳定化激光Fz以比透镜14的开口更细的光束直径射入，所以即使Z反光镜部9(Zf反光镜部9f或Zb反光镜部9b)位于焦点深度深、与焦点错开10微米左右的位置，也可以根据反射光充分地测定Z坐标。

测定物1的三维形状的测定，是将测定物1安装在测定物保持部件98的测定物保持板部98d的贯通孔98e，为了使触针5达到测定物1的大致中心处，移动X载物台21或Y载物台22，拨动所述手动驱动用表盘，使上下的触针5f、5b靠近测定物1的上下的测定面S，以使两者的间隙在5mm以内。

然后，通过操作者按下测定探头移动装置93的聚焦按钮，解除基于所述手动驱动用表盘的手动驱动，切换成自动控制，从而触针5向测定物1的测定面S缓慢靠近。聚焦误差信号保持一定的电压，对其进行监视。如上所述，触针5缓慢地向测定物1的测定面S靠近，在触针5接触测定物1的测定面S后，由于在触针5的测定力的作用下反光镜部9向半导体激光的焦点方向运动，所以当由演算部根据聚焦误差信号的变化检测出反光镜部9向半导体激光的焦点方向运动时(换而言之，若反光镜部9到达焦点位置附近)，将位置伺服切换成聚焦伺服。这样，直到聚焦误差信号变为零为止，在控制部96的控制下，由线性马达驱动装置43使测定探头10移动。这是施加聚焦伺服的状态。

然后，通过运算部进行自动找出中心。。所谓该自动找出中心，是指在测定物1是球体、透镜、或透镜模具的情况下，移动X载物台21或Y载物台22，搜索测定物1的顶点，以搜索到的顶点做为测定原点。该原理在专利文献6中记载，记载中难以理解的部分，在这简单的说明。

为了简化说明，在图15中，将测定物1(图15中的601)的测定面S设为球面。将触针5f、5b的初始位置的坐标测定数据设为S。(0，0)，设欲求的测定物1的测定面S的顶点位置的坐标测定数据为S₁(Xa，Za)。

然后，由所述第一实施方式的三维形状测定装置测定在初始位置的坐标测定数据S。的前后的点(X₁，Z₁)和(-X₁，Z₂)。这样，所求的测定物1的测定面S的顶点位置的X坐标Xa，用公式

【数学式1】

Xa＝R·(Z₂-Z₁)÷((2X₁)²+(Z₂-Z₁)²)^1/2

通过运算部94可以求得。另外，如专利文献6中，也可以用更加近似的公式

【数学式2】

Xa＝R·(Z₂-Z₁)÷(2X₁)

通过运算部94求得。其中，“R”为测定物的半径。

自动找出中心是由测定物1的上下的任何一个测定数据进行的。作为该自动找出中心的结果，触针5位于测定物1的测定面S的中心。通过运算部94，将X坐标测定数据和Y坐标测定数据和Z₂坐标测定数据和Z₃坐标测定数据分别归零后，进行测定原点。另外，通过运算部94设置原点位置不变的机械原点，可以通过运算部94预先将以此机械原点为中心的坐标系中的测定原点的位置记录在与运算部94连接的未图示的记忆部中。

接着，向测定动作移行。由XY方向移动装置99使测定物1从测定原点沿着欲测定的路径在XY方向上移动，同时由运算部94获得X坐标测定数据和Y坐标测定数据和Z₂坐标测定数据和Z₃坐标测定数据。

在测定动作完成时，在XY方向移动装置99的作用下，测定物1返回到XY方向上的初始位置，当操作者按下聚焦按钮时，在运算部94作用下触针5离开测定物1的上下的测定面S。

以上，根据所述第一实施方式的三维形状测定装置，参照镜为Z参照镜2和X参照镜3和Y参照镜4，合计三面参照镜；激光测长单元为X坐标测定装置27和Y坐标测定装置36和Z₁坐标测定装置35和Z₂坐标测定装置28和Z₃坐标测定装置37，合计五轴；不论哪一个都是现有例的数量的一半，所以装置的成本减半，由于两个探头10f、10b共通使用测定坐标系的参照镜，所以可以使XYZ测定坐标系完全一致，可以由同一坐标系得到作为测定物1的一例的非球面透镜的前后测定面S的测定数据。因此，由于不必像现有例那样除测定物以外还需要测定三个球，测定时间也减半，测定误差产生的因素也减少，所以可以得到也提高测定精度的很大的效果。

(第二实施方式)

在第一实施方式中，对于大空气轴承11的构造本身进行了特别详细的说明，但是，在本发明的第二实施方式的三维形状测定装置中，向Z方向移动所述两个测定探头10f、10b的所述测定探头移动装置93的沿Z方向的引导部、即大空气轴承11的导轨部11g，在上下由同一加工平面构成。具体为，如图1所示，大空气轴承11的导轨部11g，为了防止与测定物1互相干涉而切掉其中央部的左侧的部分(参照11p)，导轨部11g的右边和与纸面平行的面上下相连成一。另外，大空气轴承11的导轨部11g由于是四棱柱所以有四个面，它们在上下由同一加工平面形成。

通过形成这样的结构，上下的在Z轴方向的倾斜也可以一致在0.05分以下。这在所述上下面的倾斜中，对于必要的测定精度为1分来说，是足够的精度。

(第三实施方式)

在第一及第二实施方式中，说明了可以使测定测定物1的表面和背面的坐标轴的方向完全一致。但是，以0.1微米以下的精度，使触针5f和5b对合在同一Z轴上，在不同的情况下实际上是极其困难的。

所以，在本发明的第三实施方式中的三维形状测定装置中，如图4A及图3D所示，将球体度良好的基准球91支承在测定物保持部件98的测定物保持板部98d的贯通孔98e，由触针5和5b从被支承的基准球91表面(上表面或前面)和背面(下表面或后面)对被支承的基准球91进行测定。作为基准球91，球体度为30nm的可以比较容易制作。另外，在测定物保持部件98的测定物保持板部98d的贯通孔98e内，代替在中央贯通孔1f处载置保持测定物1的测定物支承板1e，如图3D中详细所示，通过从上方嵌入将基准球91嵌合在中央贯通孔91f而卡合保持的两块支承板91a、支承板91b，从而将基准球91支承在测定物保持部件98上。

假设，如图4B所示，上下的触针5f和5b在X方向上位置错开尺寸d。两探头10f和10b在XY方向移动装置99的带动下，同时在XY方向上对基准球91的表面和背面进行扫描，由所述三维形状测定装置测定位置。作为基准球91的表面的测定数据列得到(X_i，Y_i，Zf_i)，并且作为基准球91的背面的测定数据列得到(X_i，Y_i，Zb_i)。在基准球91测定前，由触针5f的测定数据进行所述自动找出中心。测定原点都是(0，0，0)，但触针5b的测定数据在横向上偏离尺寸d，如图4B那样。该尺寸d是X方向的偏心(offset)值。

自动找出中心通过在测定前在中心附近的两点测定简易地求得测定原点，为了正确求得原点，接着，由校正机构89将测定数据坐标变换到XYZ方向，以使由所述测定探头10f、10b测定所述基准球91的测定数据和设计值的差达到最小值，具体地说，使基准球91的测定数据(测定值)的、离设计值的误差的均方根偏差(RMS：Root Mean Square)达到最小。将其称为“校正”。校正的详细说明在专利文献7中记载。校正机构89与X坐标测定装置27和Y坐标测定装置36和Z₁坐标测定装置35和Z₂坐标测定装置28和Z₃坐标测定装置37连接。

由校正机构89进行的校正，是指进行XYZ方向和以XYZ方向的各轴为中心的旋转方向的ABC轴共计6轴的坐标变换。但是，在测定物1是旋转对称的非球面的情况下，因为即使向绕Z方向的轴的C方向旋转形状也不改变，所以省去C方向，共计五轴。另外，在测定物1是球面的情况下，成为仅XYZ方向、或者ABZ方向的三轴。

将校正机构89的校正结果中的各个在XY方向的坐标变换量的差作为XY方向的位置偏移量，通过校正，正确地算出位置偏移量d。利用该正确地计算出的位置偏移量d，通过与校正机构89连接的位置偏移检测机构88，例如将下侧的测定数据X_i补正为X_i+d，同样也对Y方向的偏移进行补正(其位置偏移量d是Y方向的偏心值。)。然后，因为事先知道基准球91的直径，通过与位置偏移检测机构88连接的运算部94，通过在所述校正结果中的各个在Z方向的坐标变换量的差上加上所述基准球91的直径，检测出Z方向上的位置偏移。不进行这样的加法运算，也可以将基准球91的半径加到上侧的测定数据Zf上，从下侧的测定数据Zb中减去半径。总之，作为上侧的测定数据Zf和下侧的测定数据Zb间的相对的差，只要扩大所述基准球91的直径量就可以(该基准球91的直径量是Z方向的偏心值)。作为这样的运算结果，如图4C所示，可以求出在上下同一坐标系中的基准球91的测定数据。将由该上下的测定探头10f、10b保持同一原点的坐标系作为绝对坐标系。

另外，对于使坐标轴的原点一致的方法，测定上述基准球91的方法以外也考虑了其他方法。例如，使上下的测定探头10f、10b互相直接接触，操作者从横向上用显微镜边观察边调整上下的测定探头10f、10b的位置，也可以测量位置偏移量。取而代之，还可以换掉基准球91，测定已知厚度的板，测定上下的测定探头10f、10b间的距离。在厚度已知的板上，打上伴随变形的刻印记号，或开通小贯通孔，从所述板的上下，用上下的测定探头10f、10b测定其位置，也可以测定上下的测定探头10f、10b的XY位置的偏移。

(第四实施方式)

在图5A～图5C中，说明本发明的第四实施方式的三维形状测定装置。首先，在测定物1是透镜时，从透镜的表面和背面的倾斜与偏心的定义开始说明。

在透镜的光轴位于测定面S的大致中心处的两面旋转对称非球面透镜为测定物1的情况下，因为一个一个地确定透镜的前面(表面)和后面(背面)的光轴，所以所谓倾斜可以说是这些光轴间形成的角度，所谓偏心，如图5B及图5C所示，可以说是以前面或后面作为基准面时的、作为另外一个面的第二面的中心位置的坐标。

在一面球面—一面旋转对称非球面透镜为测定物1的情况下，因为无法确定一个球面侧的光轴，所以以非球面侧作为基准面，可以定义球面的倾斜、或偏心，其中任意一方。在两面球面透镜为测定物1的情况下，不能定义在面基准的倾斜和偏心。

在旋转非对称面透镜为测定物1的情况下，因为除了所述光轴还存在XY轴，所以在两面旋转非对称面透镜为测定物1的情况下，也可以定义该绕Z轴的旋转角的差的倾斜。

接着，对非球面透镜的倾斜及偏心测定法进行说明。

如图5A所示，由所述三维形状测定装置同时测定测定物1即非球面透镜的前面和后面，由运算部94得到非球面透镜的前面的测定数据列(X_i，Y_i，Zf_i)，和后面的测定数据列(X_i，Y_i，XZb_i)。这时的Z坐标的原点，采用在所述绝对坐标系上带有偏心的相对坐标系，以使此时的Z坐标的原点为各个面的中心位置。这时，存在非球面透镜的前面的测定坐标系和后面的测定坐标系这两个坐标系。这些坐标系，在XY方向上共用，仅在Z方向上原点相差大约测定物1的厚度量。

非球面透镜由设计式Z＝f(X，Y)表示。若由运算部94从测定数据列中减去设计值Z，将各点的误差，非球面透镜的前面设为Zfd_i，非球面透镜的后面设为Zbd_i，则由公式

【数学式3】

Zfd_i＝Zf_i-f(X_i，Y_i)

Zbd_i＝Zbd_i-f(X_i，Y_i)

由运算部94求得前面的误差和后面的误差。

用最小二乘法由校正机构89进行坐标变换，以使该各点的误差的平方后的总和最小。将其称为“校正”。若设此时的前面的校正量为(Xf、Yf、Zf、Af、Bf、Cf)、设后面的校正量为(Xb、Yb、Zb、Ab、Bb、Cb)，则所求的倾斜根据公式(Af-Ab、Bf-Bb、Cf-Cf)由运算部94求得。

如前所述，当为旋转对称透镜时的倾斜根据公式(Af-Ab、Bf-Bb)由运算部94求得。

此时的倾斜量由公式

【数学式4】

((Af-Ab)²+(Bf-Bb)²)^1/2

通过运算部94求得。

在一面是球面的情况，例如，后面是球面的情况下，后面的校正的可动轴可以选择(Xb、Yb、Zb)或(Ab、Bb、Zb)其中任何一个。在选择(Xb、Yb、Zb)时，无法定义倾斜，但如后所述，可以算出偏心。在选择(Ab、Bb、Zb)时的倾斜，可以与两面非球面相同地算出，但不能定义偏心。另外，三维空间的坐标系有X，Y，Z轴和绕各轴的旋转轴A，B，C。在用校正进行坐标变换时，不限于使全部的轴动作，如果设定可动轴，只对可动轴进行坐标变换即可。

接着说明求偏心的顺序。测定坐标系的中心，因为进行所述自动找出中心，所以位于前面或后面的概略中心处，这只是彻底找到测定物1的顶点或底点，如果测定物1倾斜，则偏离测定物1的中心。因此，所述坐标变换量的XY坐标可以说是测定物1的中心相对于测定坐标系的的偏移，即测定物1的测定面相对于测定坐标系的偏心。

前面和后面的XY方向的偏心，如图5A所示，在测定坐标系中，通过公式(Xf-Xb、Yf-Yb)由运算部94求得。但是，因为这个量随着透镜的姿势的变化而改变，不能一概定义为偏心。因此，如所述那样，所谓偏心，如图5B及图5C那样，定义为以前面或后面为基准面时的后面或前面的第二面的中心位置的坐标。如图5B及图5C那样，以不同的面做为基准面，偏心变化。在以某一个面为基准面时，其他的面叫做所述的「第二面」。

如前所述，基准面和第二面的测定数据，由在Z方向的偏心的不同的相对坐标表示，但因为该偏心值预先测定，所以通过由运算部94在第二面的测定数据的Z坐标上加上该偏心值O(位置偏移量)，由此两测定数据成为基于同一XYZ坐标系的测定数据。将其称为“偏心补正全测定数据”。另外，在该第四实施方式中，与校正机构89和位置偏移检测机构88连接于控制部96的所述实施方式不同，如图5D所示，控制部96与运算部94和校正机构89和倾斜算出机构86和偏心算出机构85连接，在该第四实施方式中的运算处理可以在控制部96的控制下实施。

首先，在所述校正机构89中，为了使根据所述测定探头10f测得的所述测定物1的前面的测定数据、和根据所述测定探头10b测得的所述测定物1的后面的测定数据，与各自的设计值的偏差为最小，进行XYZ方向的平行移动和以XYZ轴为中心的旋转方向ABC轴的最大共计六轴的坐标变换。接着，将基于所述校正机构89的前面和后面的校正结果的旋转方向A、B、C轴的值的差作为前面和后面的倾斜，由倾斜算出机构86算出。接着，在以前面或后面的任一个面为基准面、以不是基准面的面作为第二面时，由所述校正结果得到基准面的中心，以该基准面的中心作为原点形成一坐标系，对于加上了该坐标系中的所述测定点的位置偏移量的第二面的测定数据，根据所述基准面的校正结果进行坐标变换，将此时的第二面的中心的XY坐标作为所述第二面相对于所述基准面的偏心，由偏心算出机构85算出。

例如，在以后面作为基准面时的偏心补正全测定数据中的后面的中心坐标用(-Xb、-Yb、-Zb)表示，前面的中心坐标用(-Xf、-Yf、-Zf+O)表示。首先，通过校正机构89以后面校正量(Xb、Yb、Zb)对其进行坐标变换。于是，后面的中心坐标变为(0，0，0)，前面的中心坐标变为(Xb-Xf、Yb-Yf、Zb-Zf+O)。

接着，由倾斜算出机构86使该前面的中心坐标，旋转后面的校正量中的绕X轴和Y轴的旋转角(Ab、Bb)。为了简化，设

(Xb-Xf、Yb-Yf、Zb-Zf+O)＝(x，y，z)，(Ab、Bb)＝(A，B)，

则旋转后的第二面的坐标(u，v，w)，根据坐标变换的公式

【数学式5】

u＝xcosB+zsinB，

v＝xsinAsinB+ycosA-zsinAcosB，

w＝-xcosAsinB+ysinA+zcosAcosB，

由倾斜算出机构86可以求得倾斜。也就是说，可以将该前面和后面的校正结果的旋转方向A、B、C轴的值的差作为前面和后面的倾斜，由倾斜算出机构86算出。

第二面相对于所求的基准面的偏心为(u，v)，偏心量利用公式

【数学式6】

(u²+v²)^1/2

可以由偏心算出机构85求得。也就是说，在将前面或后面的任意一面作为基准面，将不是基准面的面作为第二面时，由所述校正结果得到基准面的中心，以该基准面的中心作为原点形成一坐标系，对于加上了该坐标系中的所述测定点的位置偏移量的第二面的测定数据，根据所述基准面的校正结果进行坐标变换，将此时的第二面的中心的XY坐标作为所述第二面相对于所述基准面的偏心，由偏心算出机构85算出。

(第五实施方式)

图6表示的是在本发明的第五实施方式中的三维形状测定装置的探头10的构成。在支承触针5的微型气动滑块即小滑动轴部6的上面粘贴反光镜部9，小滑动轴部6由弹簧力产生装置50与小空气轴承7连结。

振荡频率稳定化氦氖激光(He-Ne稳定化激光)Fz，波长为633nm，透过该波长全透过的分色镜15，在反光镜部9(9f、9b)反射，返回到原来的方向，在Z₂坐标测定单元(Z₂坐标用激光测长单元)28及Z₃坐标测定单元(Z₃坐标用激光测长单元)37中，分别通过基于干涉法的激光测长，测定反光镜部9(9f、9b)的Z坐标。

一体化元件34，换而言之，在半导体激光器发光·受光部，如图8A～8C所示，内置有半导体激光器31和六个光检测器34A、34B、34C、34D、34E、34F。衍射光栅8，配置在由透镜14聚光在所述反光镜部9的反射面上后、在所述反射面反射的激光的激光光路中，并且衍射光栅8呈同心圆状，为了使同心圆的中心形成在从所述激光光路偏离的位置上，如图7所示，衍射光栅8形成为排列有多个大致同心圆的一部分即圆弧状的槽8a的衍射光栅。从半导体激光器31发出的光，在衍射光栅8的作用下，其大约半数的光成为直接通过的零次光，剩下的其他的半数光成为衍射光。这些半导体激光的波长为780nm左右，在对该波长全反射的分色镜15反射，只有零次光由透镜14聚光射入反光镜部9中。因为衍射光成为会聚光和发散光，所以不能聚光射入到反光镜部9中。

在反光镜部9反射的零次光，再次在分色镜15反射，在衍射光栅8被分成零次光和衍射光。虽然零次光返回到半导体激光器31侧，但只要使用耐返回光的多模式半导体激光器，就能够消除由于返回光而对功率变动等带来的不良影响。

当反光镜部9位于从半导体激光器31射出的零次光的焦点位置时，在图6中，由于在反光镜部9反射的零次光在衍射光栅8的正一次衍射光，在半导体激光器31的下侧的位置，在光检测器34D～34F的跟前，即在左侧被聚光，负一次衍射光在半导体激光器31的上侧的位置，在光检测器34A～34C的右侧被聚光。即，如图8A所示，±一次衍射光，在半导体激光器31的上下的光检测器34A～34F的位置照射成相同大小的圆形。

在反光镜部9位于远离所述零次光的焦点位置的位置上时，在光检测器34A～34F的位置，正一次衍射光变大，负一次衍射光变小(参照图8B)。在反光镜部9位于接近于所述零次光的焦点位置的位置上时，在光检测器34A～34F的位置，正一次衍射光变小，负一次衍射光变大(参照图8C)。

因此，如图8A～图8C所示，在被分成34A、34B、34C、34D、34E、34F的光检测器中，可以将(光检测器34A的输出信号+光检测器34C的输出信号+光检测器34E的输出信号)-(光检测器34B的输出信号+光检测器34D的输出信号+光检测器34F的输出信号)作为聚焦误差信号。

本结构与图12的现有例相比，不但可以将光探头10的长度显著地缩短到一半以下，而且不必像现有结构那样需要个别地调整销孔的位置，可以大幅度降低成本。

(第六实施方式)

图9表示的是在本发明的第六实施方式中的三维形状测定装置的下侧部分。探头10在大空气轴承11的可动部11b的作用下，可以沿着导轨部11g在Z方向上移动，探头10和可动部11b的重量由金属丝19向上牵引，在防止与金属丝19的长度方向正交的横向的位置偏移的同时，使所述金属丝19通过对其进行引导的滑轮18并从横向牵引该金属丝19，将金属丝19连结在一对恒载弹簧17上。

恒载弹簧17，作为一例，可以使用图11所示的在专利文献2中记载的恒载弹簧。恒载弹簧17通过卷起薄板而成，互相相对地配置有一对，与螺旋弹簧相比，即使不伸长全长，也可以在Z方向的可动范围的整体上，产生与所述探头10和所述可动部11b的重量相等的、大致一定的张力。

探头10构成为，由于线圈13通过磁回路12的间隙部，所以若对线圈13流通电流，则在电磁力的作用下，可动部11b沿大空气轴承11在Z方向相对于导轨部11g上下移动，但在通常使用时，该电磁力在探头10自重的十分之一以内。

其理由是，因为测定力是小滑动轴部6的重量的十分之一左右，所以小滑动轴部6的运动不会比重力加速度的十分之一更快。

因此，因为探头10的重量不能由线圈13产生的电磁力支承，所以需要用弹簧牵引探头10的自重。并且，使用的是在Z方向的可动范围的整个区域上弹簧的张力几乎不变的恒载弹簧17。

由于使用恒载弹簧17，不会如在图16A及图16B所示的专利文献10中使用平衡重时那样使探头10的质量增加，就能得到充分的基于线圈13的驱动响应性。

在图11所示的专利文献2中，因为将恒载弹簧直接连接在探头上，所以如果相对的两个卷曲弹簧的特性不完全一致，力还会施加在横向上，因此有时导致探头在Z方向上的移动直线度的恶化。

但是，在该第六实施方式中，因为通过滑轮18用金属丝19牵引探头10，所以施加在探头10上的张力方向总是一定的，所以不存在使探头10在Z方向上的移动直线度恶化的情况。

因此，根据第六实施方式，在从下向上测定测定物1时，可以防止支承探头10的一对弹簧17与测定物1发生干涉，在由于两个由卷曲的薄板形成的恒载弹簧17的特性不一致，而相对于牵引方向产生横向的力时，即使与金属丝19的连结位置向横向错开，也会因为金属丝19通过滑轮18后的金属丝19的位置不会向横向错开，所以由金属丝19牵引可动部11b的力总是完全只朝向一方向，不会对探头10在Z轴方向上的移动直线度带来不良影响。

另外，通过适当组合在所述各种实施方式中的任意的实施方式，可以起到各自具有的效果。

本发明的三维形状测定装置，可以在同一坐标系中同时以纳米级别的超高精度对测定物例如非球面透镜的表背面进行形状测定，其结果是，可以实现非球面透镜的表背面之间的倾斜和偏心的、现有的技术中没有的超高精度的测定、和比现有技术更简单且更短时间内的测定，其结果是，可以实现表背面间的倾斜及偏心少的优质非球面透镜的量产，可以期待对照相机、DVD、电影、带摄像头手机等光应用商品的性能提高、小型轻量化、提高生产成品率等方面有较大的帮助。

本发明，参照附图充分说明了与实施方式相关联的内容，但对于熟练该技术的人员，应该明白各种变形或修正。这样的变形或修正，只要不脱离由附加的权利要求所确定的本发明的范围，应当理解为也包含在本发明中。

Claims (7)

1.一种三维形状测定装置，其具有：

第一单元(A)，其在互相正交的XYZ坐标系中，对以XY方向为平面的Z参照镜(2)、以YZ方向为平面的X参照镜(3)、以XZ方向为平面的Y参照镜(4)、和保持测定物(1)的测定物保持部件(98)至少这四个部件的位置关系进行固定；

第二单元(B)，其至少具有：内置第一触针(5f)的第一测定探头(10f)、内置与所述第一触针隔着所述测定物相互相对配置的第二触针(5b)的第二测定探头(10b)、一体地固定在所述第一触针上的Zf镜部(9f)、一体地固定在所述第二触针上的Zb镜部(9b)、和能够在Z方向上分别分别独立地移动所述两个测定探头的测定探头移动装置(93)；

XY方向移动装置(99)，其使所述第一单元、或所述第二单元相对移动；

在所述第二单元上配置的XYZ坐标测定用激光发生装置(38)；

X坐标测定装置(27)，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述X参照镜上，根据由所述X参照镜反射的反射光，测定所述第一单元的X坐标；

Y坐标测定装置(36)，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Y参照镜上，根据由所述Y参照镜反射的反射光，测定所述第一单元的Y坐标；

Z₁坐标测定装置(35)，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Z参照镜上，根据由所述Z参照镜反射的反射光，测定所述XY方向移动装置的移动中在Z方向上的变位即所述第一单元的Z₁坐标；

Z₂坐标测定装置(28)，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Zf反光镜部，根据由所述Zf反光镜部反射的反射光，测定所述第一触针相对于所述第二单元在Z方向上的变位即Z₂坐标；

Z₃坐标测定装置(37)，将从所述激光发生装置发出的激光照射到所述Zb反光镜部，根据由所述Zb反光镜部反射的反射光，测定所述第二触针相对于所述第二单元的在Z方向上的变位即Z₃坐标；

前后面Z坐标运算装置(94)，其求出与所述第一触针相对的所述测定物的前面的Z坐标即Zf＝Z₂+Z₁，和与所述第二触针相对的所述测定物的后面的Z坐标即Zb＝Z₃+Z₁。

2.如权利要求1所述的三维形状测定装置，

对使所述两个测定探头向Z方向移动的所述测定探头移动装置的、支承所述两个测定探头的沿Z方向的两个可动部(11f、11b)进行引导的导轨部(11g)由同一加工平面构成。

3.如权利要求1或权利要求2所述的三维形状测定装置，

还具有：

球(91)，其可以保持于所述测定物保持部件并且可由所述两个测定探头测定前后两面；

校正机构(89)，其将所述测定数据坐标变换到XYZ方向上，以使基于所述测定探头得到的所述球的测定数据与设计值的差最小；

位置偏移检测机构(88)，其将基于所述校正机构的校正结果中各自在XY方向的坐标变换量的差作为XY方向的位置偏移量，通过在所述校正结果中各自的Z方向的坐标变换量的差上加上所述球的直径，检测出Z方向的位置偏移。

4.如权利要求3所述的三维形状测定装置，

具有运算部(94)，其在基于所述两个测定探头中任意一个测定探头得到的测定数据的XYZ坐标上加上所述位置偏移量，将由所述两个测定探头得到的测定数据，作成为在同一XYZ坐标系中的测定数据，

并且所述校正机构(89)还具有：

倾斜算出机构(86)，其为了使由所述第一测定探头得到的所述测定物前面的测定数据和由所述第二探头得到的所述测定物后面的测定数据与各自设计值的偏差达到最小，进行XYZ方向的平行移动和以XYZ轴为中心的旋转方向ABC轴的最大计六轴的坐标变换，另一方面，将由所述校正机构得到的前面和后面的校正结果的旋转方向A、B、C轴的值的差作为前面和后面的倾斜算出；和

偏心算出机构(85)，将前面或后面的任一个面定义为基准面，将不是基准面的面定义为第二面，由所述校正结果得到所述基准面的中心，对于加上了以所述基准面的中心为原点的坐标系中的所述测定点的位置偏移量后的所述第二面的测定数据，按照所述基准面的校正结果进行坐标变换，以此时的所述第二面的中心的XY坐标作为所述第二面相对于所述基准面的偏心而算出。

5.如权利要求1～4的任一项所述的三维形状测定装置，

所述测定探头具有：

激光光源(31)；

透镜(14)，其使从所述激光光源发出的激光聚集在与所述触针一体连结的反光镜(9)上；

衍射光栅(8)，其配置在通过该透镜聚光在所述反光镜的反射面上后、由所述反射面反射的激光的激光光路中，并且为同心圆状，形成在同心圆的中心从所述激光光路偏离的位置；

第一光检测器群(34D、34E、34F)，其接收由该衍射光栅生成的正一次衍射光；和

第二光检测器群(34A、34B、34C)，其接收由所述衍射光栅生成的负一次衍射光，

另一方面，在所述三维形状测定装置上还具有将所述第一光检测器群和所述第二光检测器群的输出作为聚焦误差信号的聚焦误差信号检测部(42)，

在所述测定探头移动装置中，以来自所述聚焦误差信号检测部的聚焦误差信号为基础，使所述第一测定探头或第二测定探头在所述Z方向上移动，进行聚焦伺服。

6.如权利要求1所述的三维形状测定装置，

还具有：

金属丝(19)，其支承所述测定探头和可动部(11b)的重量，所述可动部(11b)利用所述测定探头移动装置，使所述探头在所述Z方向上可动；

滑轮(18)，其防止与所述金属丝的长度方向正交的横方向的位置偏移，同时引导所述金属丝；

恒载弹簧(17)，其由卷成涡旋状的薄板构成，通过所述滑轮与所述金属丝连结，并且在所述可动部的可动范围的整个区域产生与所述探头和所述可动部的重量相等的张力。

7.一种三维形状测定装置，其构成为，

具备测定探头(10)，所述测定探头(10)具有：

激光光源(31)；

透镜(14)，其使从所述激光光源发出的激光聚集在与触针(5)一体连结的反光镜(9)上；

衍射光栅(8)，其配置在通过该透镜聚光在所述反光镜的反光镜反射面上后、由所述反射面反射的激光的激光光路中，并且为同心圆状，形成在同心圆的中心从所述激光光路偏离的位置；

第一光检测器群(34D、34E、34F)，其接收由该衍射光栅生成的正一次衍射光；和

第二光检测器群(34A、34B、34C)，其接收由所述衍射光栅生成的负一次衍射光，

并且所述三维形状测定装置还具有将所述第一光检测器群和所述第二光检测器群的输出作为聚焦误差信号的聚焦误差信号检测部(42)，

以来自所述聚焦误差信号检测部的聚焦误差信号为基础，使所述测定探头在Z方向上移动，进行聚焦伺服。

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