JP2004077144A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【目的】測定時間を短縮し、第２の目的は、被測定物の取り付け姿勢が変化しても測定結果が影響されないようにすることができる表面形状測定装置を提供すること。
【構成】３つ以上の位置マーク球と自由曲面とを有する被測定物に対し、自由曲面の形状と位置マーク球に対する相対位置を測定する表面形状測定装置において、３次元に移動可能な移動部材を有し、その移動部材に固定してプローブを有し、そのプローブを被測定物表面にトレースさせて形状を測定し、そのプローブとは別に非接触球中心位置測定手段を移動部材に固定して設け、非接触球中心位置測定手段で、先程の位置マーク球の中心位置を測定する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由曲面で構成された光学素子、例えばレンズやミラー面や光学素
子を成形するための金型を精密に測定することができる表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４及び図１５に、特開平２００１−１３３２３９に開示されている従来の
発明を示す。
レンズ金型１の金型軸部１ｂに密着状態で金型ベース１ａの表面に載置した同
一形状の３個の位置決め球１１の形状を、測定用プローブ３によるＸＹ座標方向への走査により測定する。この各位置決め球１１の頂点座標を算出した後に、各頂点座標で形成される平面と各２つの頂点座標の垂直２等分線に基づいてレンズ金型１の中心とを算出する。金型転写面１ｃの形状の測定データを求めた後に、先程の平面を基準としたときの金型転写面１ｃの傾きと、レンズ金型１の中心１８に対する金型転写面１ｃの中心の偏心とを算出する。
図１５のフローチャートを説明する。
【０００３】
先ず、３個の位置決め球を設置し（Ｓ１）、位置決め球の表面を測定用プローブ３を用いて測定する（Ｓ２）。次に、その測定したＸＹ位置に対する球面のＺ座標を計算し（Ｓ３）、その差を計算（Ｓ４）、そのＲＭＳ（Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ）値を算出（Ｓ６）、そのＲＭＳ値が小さくなるように座標変換し（Ｓ６）、ＲＭＳ値が十分小さくなるまで（Ｓ４）に戻って繰り返し（Ｓ７）、十分小さくなると、３個の球を全部測定するまでＳ２に戻って繰り返す（Ｓ８）。次に、各球の頂点座標を計算し（Ｓ９）、３頂点を含む平面と金型の中心位置を算出する（Ｓ　　１０）。
【０００４】
次に、測定プローブ３を用いて金型転写面の表面を測定する（Ｓ１１）。次に、その測定した点のＸＹ位置に対する設計形状のＺ座標を計算し（Ｓ１２）、その差を計算（Ｓ１３）、そのＲＭＳ（Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ）値を算出（Ｓ１４）、そのＲＭＳ値が小さくなるように座標変換し（Ｓ１５）、ＲＭＳ値が十分小さくなるまで（Ｓ１３）に戻って繰り返し（Ｓ１６）、ＲＭＳ値が十分小さくなったら金型転写面の形状を計算し（Ｓ１７）、金型転写面の傾きと偏心を計算する（Ｓ１８，Ｓ１９）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例では次の欠点があった。
（１）測定に時間が掛かる。
従来装置では、測定用プローブを用いて３個の位置決め球の表面を走査し、測
定した座標から球の中心位置を計算するものであった。この方法だと測定プローブを用いて３個の球も測定しなければならず、測定に時間が掛かる。つまり、測定したい金型表面の測定時間に加え、３つ分の球表面の測定時間が掛かってしまう。
特に、このようなプローブ走査による球中心位置の測定は時間が掛かる。しか
も、三次元的な球の位置を測定する必要があるので、１断面ではなく、複数断面の情報が必要である。従って、長いプローブ走査距離が必要な上、往復運動を繰り返して全面走査する場合にはその加減速に要する無駄な時間も無視できない。
（２）被測定物の取り付け姿勢によって測定結果が影響を受ける。
従来装置では、金型の位置を３つの位置決め球の頂点を測定することにより、
測定できるとしているが、球頂点の位置は被測定物、即ち金型と３つの球が一体となったものの、取り付け姿勢が変わると影響を受ける。
図１６を用いてこの理由を説明する。
【０００６】
その量は位置決め球の半径をＲ、傾斜角度をθとすると、Ｒｓｉｎ（θ）である。例えば、Ｒを１０ｍｍ、θを３０度とすると５ｍｍにもなってしまう。従って、従来例では、３つの球が装置のＸＹ平面上にほぼ平行に置かれていることが前提条件であり、実施する上では大きな障害である。
（３）環境温度変化の影響が大きい被測定物の線熱膨張係数がいつも小さいとは限らない。金型の場合には尚更である。環境温度を一定に制御して熱変形を抑えるにしても、その影響をゼロにすることはできない。従来例だと、測定時間が掛かるために環境温度変化の影響を受け、測定誤差が増大する。
（４）３つの位置マーク球の寿命が短いため、測定精度が悪化する。
３つの位置マーク球の位置を測定するのに、従来例では接触式プローブでその
表面をなぞっているため、僅かながら摩耗することが考えられる。
一方で、被測定物の形状を測定するごとに位置マーク球を測定しなければなら
ないため、位置マーク球の測定回数は多くなり勝ちである。このため、摩耗が無視できず、従来の方法では位置マーク球の測定誤差が次第に大きくなる。測定するたびに位置マーク球も新しいものに変えることも考えられるが、不経済であるばかりではなく、接着固定して用いる場合、交換することすら難しい。
（５）位置マーク球測定時に起きるエラーに対処できない従来例において、人為的なミス等により位置マーク球が取り付けられていない場合を考える。測定プローブ３は球がある筈の所に接触しようとするが、そこには球が無いばかりか、被測定物やジグ等の別の物があることも考えられる。そんな場合はプローブや被測定物を痛める可能性がある。
従来例において、位置マーク球、即ち球面がそこにちゃんと設置されているか
どうかはプローブを用いて測定してみるしかない。従って、プローブを被測定物に接近させ、実際に表面をトレースしなければならないので、前述した問題があると、プローブが何かに衝突する危険は避けられない。
【０００７】
従って、本発明の第１の目的は、測定時間を短縮することである。
【０００８】
第２の目的は、被測定物の取り付け姿勢が変化しても測定結果が影響されないようにすることである。
【０００９】
第３の目的は、環境温度が変化しても測定精度への影響を軽減することである。
【００１０】
第４の目的は、位置マーク球の摩耗を無くすことにより、位置マーク球の寿命を延ばすこと、そして球の測定誤差の増大を防ぐことである。
【００１１】
第５の目的は、位置マーク球を測定する時のエラーに対し、測定装置を安全に停止させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、３つ以上の位置マーク球と自由曲面とを有する被測定物に対し、自由曲面の形状と位置マーク球に対する相対位置を測定する表面形状測定装置において、３次元に移動可能な移動部材を有し、その移動部材に固定してプローブを有し、そのプローブを被測定物表面にトレースさせて形状を測定し、そのプローブとは別に非接触球中心位置測定手段を移動部材に固定して設け、非接触球中心位置測定手段で、先程の位置マーク球の中心位置を測定することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
＜実施の形態１＞
図１〜図６に本発明の実施形態１を示す。
【００１５】
先ず、図１の測定装置全体図及び図２の主要部分拡大図を用いて説明する。
【００１６】
被測定物１をジグ２に取り付ける。このジグ２には位置マーク球３が取り付けられている。このジグは、特開平１１−１４９０６号公報に記載されているように、位置マーク球を固定し、被測定物を着脱可能に保持するものである。
【００１７】
これを測定装置のベース４に取り付ける。測定装置本体については特許公開平１０−１９５０４号公報に記載されている構造に加え、本件で提案する球位置測定手段及びその制御装置を付加するものである。
【００１８】
ベース４にはＸＹＺの３軸方向に移動可能にＸスライダ５、Ｙスライダ６、Ｚスライダ７を設け、それぞれＸＹＺ制御装置８に接続する。Ｚスライダ７には位置を測定するレーザー測長器Ｘ１，Ｘ２，Ｚ１及び図示しないが紙面に垂直方向のＹ１，Ｔ２が設けてある。
【００１９】
又、Ｚスライダには先端に球９を有する接触式のプローブ１０が設けてある。このプローブは、例えば特開平１１−３０４４６３号公報に記載されているように、平行板ばね構造であり、板ばねの変位に従って信号を出力する。その信号をプローブ制御用アンプ１１を介し、先程のＸＹＺ制御装置８に接続する。又、Ｚスライダに第２図で詳細を説明する球位置測定手段１２を設け、位置測定用アンプ１３を介し手先程のＸＹＺ制御装置８に接続する。
【００２０】
ベース４に固定し、位置測定の基準を支えるコラム１４を設ける。コラム１４に固定してＸ方向の基準となる参照ミラー１５を設ける。この参照ミラー１５は先程のレーザー測長器Ｘ１，Ｘ２のターゲットとして用いるものである。
【００２１】
コラム１４に固定してＺ方向の基準となる参照ミラー１６を設ける。この参照ミラー１６は、先程のレーザー測長器Ｚ１のターゲットとして用いるものである。
【００２２】
図示しないが同様に、コラム１４に固定してＹ方向の基準となる参照ミラーを設ける。この参照ミラーは先程のレーザー測長器Ｙ１，Ｙ２のターゲットとして用いるものである。
【００２３】
これらレーザー測長器の出力信号、即ち、参照ミラーとの距離は図示しないデータ処理装置に接続され、被測定物面の位置情報として処理する。この部分のデータ処理については特開平１０−１９５０４号公報と同じである。
【００２４】
次に、図２を用いて球位置測定手段の主要部分を説明する。
【００２５】
半導体レーザー１７から出射した光は、ハーフミラー１８で反射し、レンズ１９を通ることによって集光し、プリズム２０で方向を曲げ、集束光ビーム２１を得る。このとき、集束光ビームの焦点位置が、先程の先端球９を有する接触式プローブ１０の真下になるように、先程のレンズ１９とプリズム２０の位置を予めめ調整しておく。この調整を非常に精密に行ことは困難であるが、このときの調整誤差は補正することができる。その方法については後で説明するフローチャートを用いて説明する。
【００２６】
図に示すように、この焦点位置と位置マーク球３の中心位置がほぼ重なったとき、先程の集束光ビーム２１は位置マーク球３の表面で反射し、もと来た光路を戻っていく。そして、ハーフミラー１８を透過し、第２のハーフミラー２２で２つに分割し、反射光が焦点を結ぶ位置に光点検出手段２３、所謂ポジションセンサーを設ける。
【００２７】
ポジションセンサーからの４つの信号を２つの引き算回路２６に通し、２つの差信号を得る。即ち、この信号は光点の位置を表す。しかし、このままだと、光源の半導体レーザーの出力変動等によって影響を受ける。今、レーザーの出力がα倍になったとすると、ポジションセンサーの４つの出力も一律にα倍となり、当然、差信号もα倍になる。そこで、ポジションセンサーからの４つの信号を加算回路２７で全部足し合わせ、割り算回路２８で先程の差信号を割る。α倍された差信号をαで割り算することになるので、半導体レーザーの出力変動等の影響を除去することができる。こうして得られた光点位置信号を図のようにφ１，　φ２とする。
【００２８】
又、加算回路２７の出力をエラー判定回路３４に接続する。加算回路２７の出力が低い場合、光線がポジションセンサー２３に適正に当たっていない可能性がある。従って、この信号が或る所定の値以下になるかどうかを判定すればエラー状態かどうかを判定することができる。エラー判定回路３４は加算回路２７の出力を、予め設定した信号レベルと比較し、もしも低ければエラー信号を出力する。このエラー信号を図のようにｅ１２とする。
【００２９】
次に、この信号φ１，φ２が位置マーク球３の中心位置のうち、光軸２１に垂直な２方向の位置を測定していることを、模式図３と図４を用いて説明する。
【００３０】
光源１７から出た光がレンズ１９の作用で集光し、Ｅ１で焦点を結ぶ。このとき、レンズの公式から、レンズ１９の焦点距離をｆ１とすると
１／ｆ１＝１／Ｌ１＋２／Ｌ２
この像Ｅ１を球面３で反射させる。球面は球の半径をＲとすると、Ｒ／２の焦点距離を持つ凹レンズと同じ作用をすると考えても良いので、点像はＬ４離れた位置Ｅ２に写像される。
【００３１】
２／Ｒ＝１／Ｌ３＋１／Ｌ４
ここで、前述したように焦点位置と位置マーク球の中心位置がほぼ一致する場合を考えているので、ほぼＬ３とＬ４は同じ距離である。
【００３２】
この点像は再びレンズ１９を通り、光点位置検出手段２３上で焦点Ｅ３を結ぶ。即ち、
１／ｆ１＝１／Ｌ５＋１／Ｌ６
このような光学系の配置において、球面３が光軸に対して垂直方向にδ動く場合を考える。そのときの様子を図４に示す。球面３にとって、点像Ｅ１がδ動くのと同じなのでＥ２は光軸に対してδ＊（Ｌ４／Ｌ３＋１）だけ動く。
【００３３】
更に、レンズ１９によってＥ３に写像されるので、Ｅ３の動きδ１は
δ１＝δ＊（Ｌ４／Ｌ３＋１）＊Ｌ６／Ｌ５
例えば、Ｌ３＝Ｌ４、Ｌ６＝Ｌ５とすると２δである。つまり、位置マーク球３の光軸に対して垂直な動きが２倍になって検出できることになる。その信号がφ１及びφ２である。
【００３４】
一方、第２のハーフミラー２２を透過した光は、シリンドリカルレンズ２４を通り、４分割フォトダイオード２５に入射する。この部分は所謂非点収差を利用したオートフォーカスである。４分割フォトダイオードの４つの信号のうち、対向する２組の信号をそれぞれ加算回路２９で加え合わせ、引き算回路３０でそれらの差を取る。このようにすると、この信号は４分割フォトダイオード上の光の形が縦長か横長かで変化する。
【００３５】
しかし、このままだと、光源の半導体レーザーの出力変動等によって影響を受ける。今、レーザーの出力がα倍になったとすると、４分割フォトダイオードの４つの出力も一律にα倍となり、当然、和や差の信号もα倍になる。そこで、４分割フォトダイオードからの４つの信号を加算回路３１で全部足し合わせ、割り算回路３２で先程の差信号を割る。α倍された差信号をαで割り算することになるので、半導体レーザーの出力変動等の影響を除去することができる。こうして得られた光点位置信号を図のようにφ３とする。
【００３６】
又、加算回路３１の出力をエラー判定回路３４に接続する。加算回路３１の出力が低い場合、光線が４分割フォトダイオード２５に適正に当たっていない可能性がある。従って、この信号が或る所定の値以下になるかどうかを判定すればエラー状態かどうかを判定することができる。エラー判定回路３４は加算回路３１の出力を、予め設定した信号レベルと比較し、もしも低ければエラー信号を発生する。このエラー信号をｅ３とする。
【００３７】
次に、この信号φ３が位置マーク球３の中心位置のうち、光軸２１に沿った方向の位置を測定していることを説明する。模式図は図３と殆ど同じであるので省略する。最後のレンズ１９の作用について着目すると、Ｅ３においてピント位置がぴったり合ったとき、Ｅ３は点像になる。
【００３８】
しかし、シリンドリカルレンズ２４の作用により、一方向、即ちシリンドリカルレンズの曲率を持った方向のみ、焦点位置がずらされることから、ピント位置の変化に伴い、焦点の形が縦長楕円、円、横長楕円と変化する。この焦点像の形の変化は先に説明したように４分割フォトダイオードによって検出できる。例えば、縦長楕円の場合には上下方向の出力が大きく、反対に左右方向の出力が小さくなるので、その差である信号φ１は大きな値となる。反対に横長楕円の場合には上下が小さく左右が大きくなるので、φ１は先程と逆符号になる筈である。
【００３９】
そして、信号φ１が丁度ゼロになるところが、縦横のバランスが取れたピントがあった位置ということになる。ピント方向は光軸の方向なので、信号φ１は位置マーク球の光軸方向変位を表している。
【００４０】
ここで、一旦まとめると、位置マーク球の光軸２１に対する変位は信号φ３で測定できる。光軸２１に垂直な２方向についてはφ１，φ２で測定できる。そして、エラー信号ｅ１２及びｅ３はエラーの状態を表している。
【００４１】
図１で説明したレーザー測長器はＺスライダの位置姿勢を測定して補正するが、その方法を図５で説明する。
【００４２】
ベースに固定し、直交配置した３つの参照ミラーに対し、レーザー測長器で測定した長さを図のようにＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２及びＺ１とする。Ｚ１はＺ参照ミラー１６と接触式プローブ１０までの距離を測定する。又、Ｘ１，Ｙ１干渉計の取り付け高さと、Ｘ２，Ｙ２干渉計の取り付け高さの差をＬ２とし、そこから接触式プローブ１０の取り付け高さまでの差をＬ３とし、そこから先端球９の中心位置までの差をＬ４とし、そこから光線２１の焦点位置までの距離をＬ５とする。これらＬ２〜Ｌ３の距離は測定装置の部品寸法で決まる長さである。Ｌ１はＺ１測定値からＬ２とＬ３を差し引くことで得られる。
【００４３】
この構成において、接触プローブの球中心位置の測定座標は次の式で計算できる。
プローブ球Ｘ座標＝−Ｘ１−（Ｘ２−Ｘ１）＊（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）／Ｌ２
プローブ球Ｙ座標＝−Ｙ１−（Ｙ２−Ｙ１）＊（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）／Ｌ２
プローブ球Ｚ座標＝−Ｚ１−Ｌ４…（式１）
同様に、光線２１の焦点位置の測定座標は次の式で計算できる。
【００４４】
焦点位置Ｘ座標＝−Ｘ１−（Ｘ２−Ｘ１）＊（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５）／Ｌ２
焦点位置Ｙ座標＝−Ｙ１−（Ｙ２−Ｙ１）＊（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５）／Ｌ２
焦点位置Ｚ座標＝−Ｚ１−Ｌ４−Ｌ５…（式２）
この座標位置は３面の参照ミラーを位置の基準に測定しているので、Ｚスライダの姿勢誤差に影響されない。
【００４５】
以上説明してきた構成において、図６で説明するフローチャートで動作を説明する。
【００４６】
３つの位置マーク球３を取り付けたジグ２に被測定物１を着脱可能に取り付ける（１００）。次に、球中心位置測定手段と自由曲面を測定する接触式プローブの位置合わせを行う必要があるかどうかを判断する（１０１）。これが必要となる場合は、例えば装置を製作した最初の時や、接触式プローブを交換してプローブの位置情報がなくなってしまった時である。
【００４７】
又、前述したように球中心位置測定手段の測定位置、即ち光線２１の焦点位置が接触式プローブ９の真下になるように大体の位置合わせを行うが、非常に精密にこれを調整するのは困難である。そういった意味でも先ず球中心位置測定手段と自由曲面を測定する接触式プローブの位置合わせを行う必要がある。しかし、ひとたび位置合わせを行ってしまえば、位置合わせの必要はなくなる。
【００４８】
位置合わせをする場合は、先ず、位置マーク球３の表面を接触式プローブでトレースしたときの点群を測定する（１０２）。その表面上の点群から最小２乗法等を用いて球中心位置を計算する（１０３）。計算の結果得られた位置をＰａとする。
【００４９】
ここで、この点Ｐａは従来例のように球の頂点ではないことを注意しておく。頂点位置と異なり、球の中心位置はどの方向から測定しても同じ点になる筈である。言い換えると、本発明では従来例と異なり、位置マーク球の位置をどの方向から測定しても同じ結果を与える。
【００５０】
次に、球中心測定手段によって位置マーク球の位置を測定する。接触式プローブで測定した位置マーク球の位置Ｐａと光線２１の焦点位置がほぼ合うように、ＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを動かす（１０４）。この位置において、図２で説明したエラー信号ｅ１２或はｅ３の何れか一方でも出力されていないかを判定する（１１６）。もし、エラーが出力されていれば、位置マーク球が想定した位置にいないか、半導体レーザーが故障した等、何らかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面等の表示装置に対してエラー表示し（１１７）、停止する。一方、エラーでなければ、信号φ１，φ２，φ３は正しい測定値と考えることができる。
【００５１】
そして、φ１，φ２及びφ３はそれぞれ光線２１の垂直方向と光軸方向の偏差を表しているので、それらが全てゼロになるようにＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを微調整する（１０５）。φ１，φ２，φ３が変化する移動方向と、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダの移動方向は異なるが、傾斜しているだけなので、自由度は同じ３である。しかも、直交しており、互いに干渉しにくい独立な３方向と言える。従って、必ず調節することができる。調整残差が十分小さくなった時のＸＹＺスライダの位置、姿勢から図５と（式２）を用いて説明した方法で球の中心位置を求める。
【００５２】
又、このとき、調整し切れなかった信号φ１，φ２，φ３は十分小さくなっている筈であるが、その調整残差をＸＹＺ位置に換算し、ＸＹＺスライダの位置Ｐｂを補正しておけば、なお精密である（１０６）。
【００５３】
位置の差Ｄ＝Ｐａ−Ｐｂを計算し、これを位置補正量とする。これは自由曲面を測定する接触式プローブの位置と、位置マーク球を測定する球中心位置測定プローブの位置補正量を表している（１０７）。
【００５４】
次に、全ての位置マーク球を球中心位置測定手段で測定する。１つ１つの測定は先程説明した手順と同じである。第ｎ番目の位置マーク球を測定する場合について説明する。
【００５５】
先ず、第ｎ位置マーク球中心位置に光線２１の焦点位置を移動させる（１０８）。おおよその位置はジグの設計図面、ジグを測定装置に取り付ける図面等から分かるので、その位置にＸＹＺスライダを移動させることができる。この位置において、図２で説明したエラー信号ｅ１２或はｅ３の何れか一方でも出力されていないか判定する（１１８）。もし、エラーが出力されていれば、位置マーク球が想定した位置にいない等、何らかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面等の表示装置に対してエラー表示し（１１９）、停止する。
【００５６】
一方、エラーでなければ、信号φ１，φ２，φ３は正しい測定値と考えることができる。次に、信号φ１，φ２，φ３がゼロになるようにＸＹＺスライダの位置を微調整する（１０９）。このときの第ｎ番の球中心位置を計算し、Ｐｎとする（１１０）。このとき、先程求めた位置補正量Ｄを加える。すると、この位置Ｐｎは、あたかも接触式プローブで測定したときの位置に変換されている。しかも、接触式プローブで測定する場合に比べ、表面をトレースする必要がないため測定時間が可成り短い。全部の位置マーク球を測定するまで（１０８）からの動作を繰り返し、終わったら次に進む（１１１）。
【００５７】
３つの球中心位置から１つの直交座標系を決定する（１１２）。この方法は幾つかあるが、例えば３つの点（測定した球中心位置）で定義される平面に直交する方向にＺ軸を取り、そのなかの２点を結ぶ線をＸ軸とし、残りのＹ軸はＸ，Ｚ軸に垂直な軸として定義できる。こうして定義した直交座標系は３つの球に固定されているので、被測定物座標系と呼ぶ。この被測定物座標系から見て、測定すべき自由曲面を含む被測定物１はいつも同じ位置にある。なぜなら、冒頭で述べたように、３球位置マーク３に固定したジグ２に被測定物１が固定されているからである。
【００５８】
次に、自由曲面を接触式プローブでトレースし、自由曲面上の点群を測定する（１１３）。この点群を全て被測定物座標系に座標変換する（１１４）。こうして得られた点群は３球を位置基準としているので、被測定物を測定装置のどこに設置しても、どんな姿勢に設置しても、同じ点群が得られる。次に、最小２乗法を用いて設計形状との差、即ち誤差形状を計算する（１１５）。
【００５９】
以上説明してきた方法によれば、測定時間を短縮することができる。なぜならば３球の測定時間が短くなるからである。前述したように、プローブを用い、球の表面をトレースして位置を測定する場合、三次元的な位置情報が必要なので、断面ではなく、複数断面のトレースが必要となるため、長いトレース長さが必要である。しかも、往復運動を繰り返してトレースする場合にはその加減速に要する時間も無視できない。これに対して本実施形態による方法であれば、光軸２１の中心位置におおよそ位置マーク球が来るようにＸＹＺ軸を移動させ、その後、信号φ１，φ２，φ３に従って微調整するだけで球中心位置が決定できる。球の表面をトレースする必要がないので大幅な時間短縮が可能である。
【００６０】
又、本発明によれば、球の頂点位置ではなく、球の中心位置を測定しているので、被測定物の位置姿勢の影響を受けない。これは、どの方向から中心位置を測定しても同じ点を指し示すという、球の性質を利用しているからである。
【００６１】
更に、本発明によれば、球の測定時間が短縮されるため、全体の測定時間も短縮される。時間と共に変化する温度変形等の誤差を緩和することができるので、結果として測定精度を向上させることができる。
【００６２】
本実施の形態において、光源は半導体レーザー１７としたが、他の点光源でも同じことである。例えば、別に設けたレーザー発信器のレーザー光を光ファイバに入射させ、その出射端を、本実施の形態の半導体レーザー１７の代わりに設置しても同じことである。
【００６３】
本実施の形態において、斜めの光線２１を得るのにプリズム２０を用いているが、これを反射ミラーとしても作用は同じである。
【００６４】
本実施の形態において、自由曲面を測定するプローブは接触式のプローブとして説明してきたが、別に非接触式のプローブであっても同じことである。
【００６５】
本実施の形態においては、ハーフミラー２２で反射した側に光点位置測定手段を、透過した側に焦点位置検出手段（オートフォーカス）を配置したが、逆にしても同じことである。即ち、ハーフミラー２２で反射した側に焦点位置検出手段（オートフォーカス）を、透過した側に光点位置測定手段を配置する。
【００６６】
又、本実施の形態において、ハーフミラー１８での光量損失を改善するためにこれを偏光ビームスプリッタに変更し、レンズ１９との間に４分の１波長板を置くことも考えられる。この場合、半導体レーザーから出射した光は偏光ビームスプリッタで１方向の直線偏光のみが反射され、４分の１波長板で円偏光に変換される。球面で反射した後再び４分の１波長板を通過したとき、先程とは９０度回転した直線偏光に変換されるので、今度は偏光ビームスプリッタを通過する。しかし、その場合でも基本的な作用はこれまで説明してきたことと同じである。
＜実施の形態２＞
図７に本発明の実施の形態２を示す。
【００６７】
前記実施の形態１に対して、プリズム２０を省略し、光線２１の焦点位置がプローブ球中心からずれている点が異なる。他の構成及び作用は実施の形態１と同じなので説明を省略する。
【００６８】
本実施の形態では実施の形態１に対して次の効果がある。
【００６９】
１）光線２１を曲げる必要がないので、少ない光学部品で構成可能である。
【００７０】
２）光線２１の距離を短くできる。言い換えると対物レンズ１９の開口率を上げることができるので、オートフォーカス部、すなわちＺ方向の検出感度を向上することができる。
【００７１】
３）接触式プローブの近傍に障害物であるプリズム２０等の部品を配置する必要がないので、被測定物と測定装置が衝突する可能性が低くなる。従って被測定物の設計制約を緩和することができる。
【００７２】
４）位置マーク球を含む被測定物は接触式プローブと、球中心位置測定手段である光線２１とが両方アプローチできるように設計しておく必要があるが、本実施の形態によれば、両方とも垂直方向だけを考慮すれば良いので、実施の形態１の場合に比べて死角が少ない。実施の形態１では斜め方向と垂直方向との２方向を考慮するからである。
【００７３】
従って、本実施の形態によれば、被測定物の設計制約を緩和することができる。例えば、同図において、左側に配置した２つの球を測定する場合が考え易い。この球は紙面に対して垂直方向にずれて配置してあるので、Ｚ方向から測定することは問題ない。しかし、実施の形態１のように斜めの光線で測定しようとすると球３ａがジグ２の陰となり測定が難しい。
【００７４】
このようなメリットがある反面、図５で説明したスライダの位置姿勢補正は十分に機能しない。図５で姿勢補正が可能なのはプローブの軸上だけだからである。軸上から外れると、スライダ姿勢誤差のうち、垂直Ｚ軸回りの姿勢誤差、所謂ヨーイング誤差の影響が大きくなってくる。従って、本実施の形態では実施の形態１の場合に対してヨーイング誤差が小さいＸＹＺスライダが必要となる。
【００７５】
＜実施の形態３＞
図８に本発明の実施の形態３を示す。
【００７６】
接触式プローブを貫通させる穴のあいた折り曲げミラー３３を設け、球中心位置測定手段の光線２１をプローブの後ろに配置した点が実施の形態１と異なる。作用及び効果は実施の形態１の場合と同じなので説明を省略する。
【００７７】
本実施の形態では実施の形態１，２に対して次の効果がある。
【００７８】
１）位置マーク球を含む被測定物は接触式プローブと、球中心位置測定手段である光線２１とが両方アプローチできるように設計しておく必要があるが、本実施の形態によれば両方とも垂直方向だけを考慮すれば良いので、実施の形態１の場合に比べて死角が少ない。実施の形態１では、斜め方向と垂直方向との２方向を考慮するからである。従って、本実施の形態によれば、被測定物の設計制約を緩和することができる。例えば、同図において、左側に配置した２つの球を測定する場合が考え易い。この球は紙面に対して垂直方向にずれて配置してあるので、Ｚ方向から測定することは問題ない。しかし、実施の形態１のように斜めの光線で測定しようとすると球３ａがジグ２の陰となり測定が難しい。
【００７９】
２）球中心測定位置と接触式プローブが同軸上に配置できるので、実施の形態２で説明したように高精度なＸＹＺスライダは必要ない。
【００８０】
＜実施の形態４＞
図９に本発明の実施の形態４を示す。
【００８１】
球中心位置測定手段を２組設けた点が実施の形態１と異なる。他の部分は実施の形態１と同じなので説明を省略する。
【００８２】
第１の球中心位置測定手段１２ａ及び第２の球中心位置測定手段１２ｂをＺスライダ７に固定して設け、それぞれの測定する光線を２１ａ，２１ｂとし、それぞれの信号を位置測定用アンプ１３ａ，１３ｂに接続し、ＸＹＺコントローラ８に接続する。
【００８３】
以上の構成において、図１０及び図１１で説明するフローチャートで動作を説明する。
【００８４】
３つの位置マーク球３を取り付けたジグ２に被測定物１を着脱可能に取り付ける（１００）。次に、球中心位置測定手段と自由曲面を測定する接触式プローブの位置合わせを行う必要があるかどうかを判断する（１０１）。前述したようにこれが必要となる場合は、例えば装置を製作した最初の時や、接触式プローブを交換してプローブの位置情報がなくなってしまった時である。しかし、ひとたび位置合わせを行ってしまえば、位置合わせの必要はない。
【００８５】
位置合わせをする場合は、先ず、２つの球中心位置測定手段で測定可能な位置マーク球３の表面を接触式プローブでトレースしたときの点群を測定する（１０２）。その表面上の点群から最小２乗法等を用い、球中心位置を計算する（１０３）。計算の結果得られた位置をＰａとする。
【００８６】
次に、第１の球中心測定手段によって位置マーク球の位置を測定する。接触式プローブで測定した位置マーク球の位置Ｐａと光線２１の焦点位置がほぼ合うようにＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを動かす（１０４ａ）。この位置において、図２で説明したエラー信号ｅ１２又はｅ３の何れか一方でも出力されていないかを判定する（１１６ａ）。もし、エラーが出力されていれば、位置マーク球が想定した位置にいないか、半導体レーザーが故障した等、何らかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面等の表示装置に対してエラー表示し（１１７ａ）、停止する。一方、エラーでなければ、信号φ１ａ，φ２ａ，φ３ａは正しい測定値と考えることができる。
【００８７】
そして、φ１ａ，φ２ａ及びφ３ａはそれぞれ光線２１の垂直方向と光軸方向の偏差を表しているので、それらが全てゼロになるようにＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを微調整する（１０５ａ）。φ１ａ，φ２ａ，φ３ａが変化する移動方向と、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダの移動方向は異なるが、傾斜しているだけなので、自由度は同じ３である。しかも、直交しており、互いに干渉しにくい独立な３方向と言える。従って、必ず調節することができる。調整残差が十分小さくなった時のＸＹＺスライダの位置、姿勢から図５と（式２）を用いて説明した方法で球の中心位置を求める。
【００８８】
又、このとき、調整し切れなかった信号φ１ａ，φ２ａ，φ３ａは十分小さくなっている筈であるが、その調整残差をＸＹＺ位置に換算し、ＸＹＺスライダの位置Ｐｂ（ａ）を補正しておけば、なお精密である（１０６ａ）。
【００８９】
位置の差Ｄ（ａ）＝Ｐａ−Ｐｂ（ａ）を計算し、これを位置補正量とする。これは自由曲面を測定する接触式プローブの位置と、位置マーク球を測定する球中心位置測定プローブの位置補正量を表している（１０７ａ）。
【００９０】
次に、第２の球中心測定手段によって位置マーク球の位置を測定する。接触式プローブで測定した位置マーク球の位置Ｐａと光線２１の焦点位置がほぼ合うようにＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを動かす（１０４ｂ）。この位置において、図２で説明したエラー信号ｅ１２又はｅ３の何れか一方でも出力されていないかを判定する（１１６ｂ）。もし、エラーが出力されていれば、位置マーク球が想定した位置にいないか、半導体レーザーが故障した等、何らかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面等の表示装置に対してエラー表示し（１１７ｂ）、停止する。一方、エラーでなければ、信号φ１ｂ，φ２ｂ，φ３ｂは正しい測定値と考えることができる。
【００９１】
そして、φ１ｂ，φ２ｂ及びφ３ｂはそれぞれ光線２１の垂直方向と光軸方向の偏差を表しているので、それらが全てゼロになるようにＸＹＺ制御装置８を用い、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダを微調整する（１０５ｂ）。φ１ｂ，φ２ｂ，φ３ｂが変化する移動方向と、Ｘ，Ｙ，Ｚスライダの移動方向は異なるが、傾斜しているだけなので、自由度は同じ３である。しかも、直交しており、互いに干渉しにくい独立な３方向と言える。従って、必ず調節することができる。調整残差が十分小さくなった時のＸＹＺスライダの位置、姿勢から図５と（式２）を用いて説明した方法で球の中心位置を求める。
【００９２】
又、このとき、調整し切れなかった信号φ１ｂ，φ２ｂ，φ３ｂは十分小さくなっている筈であるが、その調整残差をＸＹＺ位置に換算し、ＸＹＺスライダの位置Ｐｂ（ｂ）を補正しておけば、なお精密である（１０６ｂ）。
【００９３】
位置の差Ｄ（ｂ）＝Ｐａ−Ｐｂ（ｂ）を計算し、これを位置補正量とする。これは自由曲面を測定する接触式プローブの位置と、位置マーク球を測定する球中心位置測定プローブの位置補正量を表している（１０７ｂ）。
【００９４】
次に、全ての位置マーク球を球中心位置測定手段で測定する。１つ１つの測定は先程説明した手順と同じである。第ｎ番目の位置マーク球を測定する場合について説明する。
【００９５】
先ず、第ｎ位置マーク球中心位置に光線２１の焦点位置を移動させる（１０８）。おおよその位置はジグの設計図面、ジグを測定装置に取り付ける図面等から分かるので、その位置にＸＹＺスライダを移動させることができる。
【００９６】
次に、２つの球中心位置測定手段のエラー状態記憶装置ａ，ｂをクリアーしておく（１２０）。
【００９７】
この位置において、次に第１の球中心位置測定手段で位置マーク球の位置を測定する。
【００９８】
図２で説明したエラー信号ｅ１２又はｅ３の何れか一方でも出力されていないか判定する（１１８ａ）。もし、エラーが出力されていれば、エラー状態記憶ａをセットする（１２１ａ）。
【００９９】
一方、エラーでなければ、信号φ１ａ，φ２ａ，φ３ａは正しい測定値と考えることができる。次に、信号φ１ａ，φ２ａ，φ３ａがゼロになるようにＸＹＺスライダの位置を微調整する（１０９ａ）。この時の第ｎ番の球中心位置を計算し、Ｐｎ（ａ）とする（１１０ａ）。このとき、先程求めた位置補正量Ｄ（ａ）を加える。すると、この位置Ｐｎ（ａ）は、あたかも接触式プローブで測定した時の位置に変換されている。
【０１００】
次に、第２の球中心位置測定手段で位置マーク球の位置を測定する。
【０１０１】
図２で説明したエラー信号ｅ１２又はｅ３の何れか一方でも出力されていないか判定する（１１８ｂ）。もし、エラーが出力されていれば、エラー状態記憶ｂをセットする（１２１ｂ）。一方、エラーでなければ、信号φ１ｂ，φ２ｂ，φ３ｂは正しい測定値と考えることができる。
【０１０２】
次に、信号φ１ｂ，φ２ｂ，φ３ｂがゼロになるようにＸＹＺスライダの位置を微調整する（１０９ｂ）。このときの第ｎ番の球中心位置を計算し、Ｐｎ（ｂ）とする（１１０ｂ）。このとき、先程求めた位置補正量Ｄ（ｂ）を加える。すると、この位置Ｐｎ（ｂ）は、あたかも接触式プローブで測定した時の位置に変換されている。
【０１０３】
次に、エラー状態記憶ａ，ｂの状態によって処理を分岐する。
【０１０４】
エラー状態記憶ａ，ｂ共ににエラーかどうかを判定し（１２２）、エラーの場合は球中心位置が測定できなかったことになるので、エラー表示し（１２３）、停止する。そうでないならば次の処理に進み、エラー状態記憶ａ，ｂ共に正常かどうかを判定し（１２４）、もしも両方正常ならば２つの測定値を平均する（１２５）。即ち、Ｐｎ（ａ）とＰｎ（ｂ）を平均し、ｎ番目の位置マーク球の球中心位置とする。
【０１０５】
そうでないならば、正常な方の測定値を採用する（１２６）。即ち、Ｐｎ（ａ）かＰｎ（ｂ）の正常な何れか一方をｎ番目の位置マーク球の球中心位置とする。
【０１０６】
全部の位置マーク球を測定するまで（１０８）からの動作を繰り返し、終わったら次に進む（１１１）。
【０１０７】
３つの球中心位置から１つの直交座標系を決定する（１１２）。この方法は幾つかあるが、例えば３つの点（測定した球中心位置）で定義される平面に直交する方向にＺ軸を取り、そのなかの２点を結ぶ線をＸ軸とし、残りのＹ軸はＸ，Ｚ軸に垂直な軸として定義できる。こうして定義した直交座標系は３つの球に固定されているので、被測定物座標系と呼ぶ。この被測定物座標系から見て、測定すべき自由曲面を含む被測定物１はいつも同じ位置にある。なぜなら、冒頭で述べたように３球位置マーク３に固定したジグ２に被測定物１が固定されているからである。
【０１０８】
次に、自由曲面を接触式プローブでトレースし、自由曲面上の点群を測定する（１１３）。この点群を全て被測定物座標系に座標変換する（１１４）。こうして得られた点群は３球を位置基準としているので、被測定物を測定装置のどこに設置しても、どんな姿勢に設置しても、同じ点群が得られる。次に、最小２乗法を用いて設計形状との差、即ち誤差形状を計算する（１１５）。
【０１０９】
本実施の形態によれば、次のメリットがある。
【０１１０】
１）１つの球中心位置測定手段から見たとき、位置マーク球がジグ等によって陰になり測定できない場合でも、もう１つの球中心位置測定手段から見たときに位置マーク球が陰になっていなければ測定可能である。従って、死角が少なくなり、被測定物の設計制約を緩和することができる。
【０１１１】
２）位置マーク球を２つの球中心位置測定手段で測定可能な場合、２つの測定結果を平均できるので、偶然誤差を軽減できる。従って、測定精度を向上することができる。
【０１１２】
図９に示した本実施の形態によれば、２つの球測定手段は対向する配置で描かれている。即ち、上から見て１８０度離れて配置してあるが、９０度離して配置しても、何度離しても同じことである。
【０１１３】
＜実施の形態５＞
図１２及び図１３に本発明の実施の形態５を示す。
【０１１４】
実施の形態１に対し、非接触球中心位置測定手段の構成が異なる。
【０１１５】
図１２は本実施の形態における球位置測定手段の主要部分である。半導体レーザー１７から出射した光は、ハーフミラー１８で反射し、レンズ１９を通ることによって集光し、プリズム２０で方向を曲げ、集束光ビーム２１を得る。このとき、集束光ビームの焦点位置が、先程の先端球９を有する接触式プローブ１０の真下になるように、先程のレンズ１９とプリズム２０の位置を予め調整しておく。図に示すように、この焦点位置と位置マーク球３の中心位置がほぼ重なった時、先程の集束光ビーム２１は位置マーク球３の表面で反射し、元来た光路を戻っていく。そしてハーフミラー１８を透過し、シリンドリカルレンズ２４を通過しスポットを結ぶ。そのスポット像を観察するカメラ３５を設け、画像処理装置３６に接続する。
【０１１６】
画像処理装置３６に取り込まれたスポット像を図１３に示す。
【０１１７】
これまで説明してきたように、位置マーク球の球中心が集束光ビーム２１の光軸に対して垂直方向にずれると、このスポット像の位置がずれる。このスポット像の位置は画像処理装置３６を用い、スポット像の重心位置を計算すれば求められる。その重心位置を信号φ１，φ２とする。
【０１１８】
又、位置マーク球の球中心が集束光ビーム２１の光軸に沿った方向にずれると、前述したようにスポット像の形が縦長楕円や横長楕円といった具合に形が変わる。そこで、画像処理装置３６を用い、スポット像の縦横サイズＳＸ，ＳＹを測定し、比を計算することにより求めることができる。その計算値をφ３とする。
【０１１９】
更に、カメラに入射した全部の光量を画像処理装置３６で計算し、所定の値よりも光量が低い場合にはエラー信号ｅを出力する。これは実施の形態１で説明した２つのエラー信号ｅ１２とｅ３をＯＲ接続したことと同じ意味である。
【０１２０】
これらの信号φ１，φ２，φ３及びｅを用いて球中心位置を測定することができる。後の説明は実施の形態と同じなので省略する。
【０１２１】
本実施の形態によれば、光学系の構成部品が少ないのでより簡便に実現可能である。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次の効果がある。
（１）従来例のように位置マーク球表面をトレースする必要がないので、大幅な測定時間短縮が期待できる。
（２）球の頂点ではなく、球の中心を測定しているので、被測定物の位置や姿勢に関係なく同じ測定結果が得られる。なぜなら、球の中心はどの方向から測定しても同じ点だからである。
（３）測定時間が短縮できるので、測定時間内での環境温度変化も小さくなり、測定精度が向上する。
（４）非接触に位置マーク球中心を測定できるので、球の摩耗を心配することがなくなり、摩耗による誤差の増大が無いため、測定精度を向上することができる。
（５）非接触なので位置マーク球の寿命を延ばすことができる。
（６）非接触なので上に、摩耗による測定誤差の増大が無いため精度が向上する。
（７）非接触球中心位置測定手段の測定位置をプローブ軸の延長線上とすることにより、プローブ移動に伴う移動部材の位置、姿勢誤差の影響をプローブと同様に最小限にできる。
（８）非接触球中心位置測定手段を簡便な光学系で実現できる。
（９）位置マーク球が脱落した場合等の異常状態を自動検出、装置を停止することが可能となる。
（１０）位置マーク球の変わりに間違った別部品がついている等、従来では対応が難しかったエラーに対しても安全にエラーを自動検出、装置を停止することが可能となる。
（１１）従来のようにトレースする必要がないので、異常を素早く検出することでエラーの影響を最小限にくい止めることができる。
（１２）安全にエラーを検出し停止できるため、事故防止という点でも有効である。事故を未然に防ぐことで生産設備の稼働率を向上し、生産コストを下げることに繋がる。
（１３）球中心位置測定手段で用いる光の軸とプローブの軸とが同じ方向を向いているので、被測定物は１つの方向についてぶつからない設計をすれば良い。従って、設計制約を緩和できる。
（１４）球中心位置測定手段を２組設けることにより、位置マーク球がジグ等で陰になり測定できない場合でも、もう１つの球中心位置測定手段から見たときに位置マーク球が陰にならなければ測定可能である。従って、死角が少なくなり、被測定物の設計制約を緩和することができる。
（１５）又、位置マーク球を２つの球中心位置測定手段で測定可能な場合、２つの測定結果を平均できるので、偶然誤差を軽減できる。従って、測定精度を向上することができる。
（１６）より簡便な構造で非接触球中心位置測定手段を構成できる。
（１７）非接触球中心位置測定手段の測定位置と、プローブの位置ずれを精密に補正できるので、特に位置マーク球に対する自由曲面の相対位置について測定精度を向上することができる。
（１８）非接触球中心位置測定手段の測定位置とプローブの位置とのずれを精密に位置出しする必要がなくなるので、装置製作コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態１の主要部分を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１の光学系の第１の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１の光学系の第２の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１の座標位置測定の方法を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態１の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態３を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態４を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態４の動作を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態４の動作を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態５を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態１における画像処理を説明する図である。
【図１４】従来の例を説明する図である。
【図１５】従来の例の動作を説明するフローチャートである。
【図１６】従来の例の頂点位置を測定することの問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１　　　　　被測定物
２　　　　　ジグ
３　　　　　位置マーク球
４　　　　　ベース
５　　　　　Ｘスライダ
６　　　　　Ｙスライダ
７　　　　Ｚスライダ
８　　　　　ＸＹＺ制御装置
９　　　　　先端球
１０　　　　接触式プローブ
１１　　　　プローブ制御用アンプ
１２　　　　球位置測定手段
１３　　　　位置測定用アンプ
１４　　　　コラム
１５　　　Ｘ方向参照ミラー
１６　　　Ｚ方向参照ミラー
１７　　　半導体レーザー
１８　　　ハーフミラー
１９　　　レンズ
２０　　　プリズム
２１　　　収束用ビーム
２２　　　第２のハーフミラー
２３　　　光点位置検出手段（ポジションセンサー）
２４　　　シリンドリカルレンズ
２５　　　４分割フォトダイオード
２６　　　引き算回路
２７　　　加算回路
２８　　　割り算回路
２９　　　加算回路
３０　　　引き算回路
３１　　　加算回路
３２　　　割り算回路
３３　　　折り曲げミラー
３４　　　エラー判定回路
３５　　　カメラ
３６　　　画像処理装置
３７　　　スポット形状

Claims (8)

1. ３つ以上の位置マーク球と自由曲面とを有する被測定物に対し、自由曲面の形状と位置マーク球に対する相対位置を測定する表面形状測定装置であって、
   ３次元に移動可能な移動部材を有し、その移動部材に固定してプローブを有し、そのプローブを被測定物表面にトレースさせて形状を測定し、そのプローブとは別に非接触球中心位置測定手段を移動部材に固定して設け、非接触球中心位置測定手段で、先程の位置マーク球の中心位置を測定することを特徴とする表面形状測定装置。
2. 非接触球中心位置測定手段の測定位置がプローブ軸の延長線上にあることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定装置。
3. 非接触球中心位置測定手段は、測定位置に集束する集束光を発生する光源と集束光学系を有し、集束光が被測定物である球面で反射してできる拡散光を再び集束させる集束光学系を有し、集束するその光を２方向に分割するハーフミラーを有し、光点位置測定手段を有し、一方をその光点位置測定手段に集束させて光軸に垂直な２方向の位置を測定し、焦点位置検出手段を有し、もう一方をその焦点位置検出手段に集束させて光軸に沿った１方向の位置を測定することによって球中心位置の３次元的な位置を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定装置。
4. 光点位置測定手段は、入射する光の光量測定手段を有し、所定の光量に達しない場合にはエラー信号を発生させる第１のエラー判定回路を有し、焦点位置検出手段は、入射する光の光量測定手段を有し、所定の光量に達しない場合にはエラー信号を発生させる第２のエラー判定回路を有し、第１或は第２のエラー判定回路の何れか一方でもエラー信号を発生した場合にエラー表示し、測定を中断することを特徴とする請求項３記載の表面形状測定装置。
5. プローブが貫通するように傾斜ミラーを有し、非接触球中心位置測定手段は、傾斜ミラーに反射し、測定位置に集束する集束光を発生する光源と集束光学系を有し、集束光が被測定物である球面で反射してできる拡散光を再び傾斜ミラーに反射させ、その光を集束させる集束光学系を有し、集束するその光を２方向に分割するハーフミラーを有し、光点位置測定手段を有し、一方をその光点位置測定手段に集束させて光軸に垂直な２方向の位置を測定し、焦点位置検出手段を有し、もう一方をその焦点位置検出手段に集束させて光軸に沿った１方向の位置を測定することによって球中心位置の３次元的な位置を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定装置。
6. ３つ以上の位置マーク球と自由曲面とを有する被測定物に対し、自由曲面の形状と、位置マーク球に対する相対位置を測定する表面形状測定装置であって、
   ３次元に移動可能な移動部材を有し、その移動部材に固定してプローブを有し、そのプローブを被測定物表面にトレースさせて形状を測定し、そのプローブとは別に２組の非接触球中心位置測定手段を移動部材に固定して設け、２組の非接触球中心位置測定手段で、先程の位置マーク球の中心位置を測定し、このとき、２組の非接触球中心位置測定手段のうち両方ともエラーの場合にはエラーを表示して測定を中断し、２組の非接触球中心位置測定手段のうち片方がエラーの場合には正常な方を採用し、２組の非接触球中心位置測定手段のうち両方とも正常な場合には両者の平均を採用することを特徴とする表面形状測定装置。
7. 非接触球中心位置測定手段は、測定位置に集束する集束光を発生する光源と集束光学系を有し、集束光が被測定物である球面で反射してできる拡散光を再び集束させる集束光学系を有し、シリンドリカルミラーを設け、その光を通過させてできたスポット像の形と位置を観測するカメラを設け、得られたスポット像の縦横比から球中心の光軸方向位置をスポット像の重心位置から球中心の光軸と垂直方向位置を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定装置。
8. 非接触球中心位置測定手段とプローブとでそれぞれ同じ球中心位置を測定し、その差を補正量として記憶する記憶手段を有し、その後、非接触球中心位置測定手段で位置マーク球の中心位置を測定した後、その補正値を加えることを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定装置。

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