JP2010237189A - ３次元形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の表面および裏面の各形状を、互いの相対的な位置関係を正確に把握しつつ高精度に測定する。
【解決手段】回転軸Ｒ_２回りに回転せしめられる被検レンズ９に対し、顕微干渉計１の相対姿勢を変えながら行う形状測定を、被検レンズ９が裏面側から支持された状態で行う表面部の測定と、被検レンズ９が表面側から支持された状態で行う裏面部の測定とに分けて行う。表面部の測定により求められたコバ部側面９７の第１の形状情報と、裏面部の測定により求められたコバ部側面９７の第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面と被検体裏面との相対位置関係を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、非球面レンズ等の被検体の形状を測定する３次元形状測定方法および装置に関し、特に、被検体表面および裏面の各形状の他に、表裏面同士の中心軸の位置ずれや被検体側面の真円度など、被検体に関する種々の形状情報を得るのに好適な３次元形状測定方法および装置に関する。

従来、非球面レンズ等の被検体の表面または裏面（以下「被検面」と称することがある）に球面波を照射して被検面からの戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞に基づき、被検面の形状を特定する手法が知られているが、このような手法により被検面の全域に対応した干渉縞を得ることは難しい。

そこで、被検面に対する干渉計の相対位置を測定光軸方向に順次移動させることにより、被検面の径方向の部分領域毎に対応した干渉縞が順次生じるようにし、その各干渉縞を解析して被検面の径方向の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検面全域の形状を特定する手法が知られている（下記特許文献１参照）。

また、干渉計または被検面を測定光軸と垂直な面内において順次移動させ、移動毎に被検面の各部分領域に対応した干渉縞を縞解析可能な程度に拡大して撮像し、その各干渉縞を解析して被検面の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検面の全域の形状を特定する手法も知られている（下記特許文献２参照）。

一方、光触針タイプの測定プローブを用いた三次元形状測定により、被検面全域の形状を特定する手法も知られている（下記特許文献３参照）。

また、本願出願人は、顕微干渉光学系と１次元イメージセンサ（ラインセンサ）とを組み合わせることにより、非球面レンズ等の形状を高精度かつ短時間で測定し得るようにした測定装置を考案し、これを特許庁に対し開示している（下記特許文献４参照）。

特開昭６２−１２６３０５号公報 ＵＳＰ６,９５６,６５７ 特開平５−８７５４０号公報 特願２００８−２６６６２号明細書

近年、優れた光学性能を発揮させるため非球面レンズの形状が複雑化しており、また、製造コストや生産性での優位性により、汎用性の高い非球面レンズの多くがモールド成形されている（以下、モールド成型された非球面レンズを「モールド非球面レンズ」と称する）。

このようなモールド非球面レンズは、成形用の金型同士の相対的な位置ずれにより、成形された非球面レンズを構成する２つのレンズ面それぞれの中心軸同士の相対的な位置ずれ（以下「面ずれ」と称することがある）や、２つのレンズ面それぞれの中心軸同士の相対的な傾きずれ（以下「面倒れ」と称することがある）が発生することがある。このような面ずれや面倒れは、金型の機構上、完全に無くすことは極めて困難であるが、成形された非球面レンズの収差増大の要因となるので、減少させる方向で金型の修正を図ることが望ましく、そのために面倒れや面ずれがどの程度生じているのかを把握しておくことは重要となる。

特に、開口数（ＮＡ）の大きい非球面レンズにおいては、かつては問題とされなかった数μｍオーダーでの面ずれや数十秒オーダーでの面倒れの発生が問題視されるようになっており、これらの面ずれや面倒れを高精度に測定し得る手法が望まれている。

なお、このような面ずれや面倒れは、モールド非球面レンズに限らず、研磨工程を経て高精度な面形状が創出される非球面レンズ（以下「研磨非球面レンズ」と称する）においても当然に問題となる。

極めて高い形状精度が求められる高価な研磨非球面レンズの場合、研磨過程において何回も形状測定を行い、その測定結果を研磨工程にフィードバックすることにより、形状精度を次第に高めていくことが行われているが、面形状だけではなく、面ずれや面倒れも併せて測定することが容易に可能となれば、それらの測定結果をフィードバックすることにより、高性能な研磨非球面レンズを、より短期間で製造することが可能となる。

このような面ずれや面倒れは、非球面レンズの２つのレンズ面の各形状を高精度に測定し、かつこれらの相対的な位置関係を正確に把握することができれば、高精度に求めることが可能となると考えられる。

しかしながら、上述したような従来の形状測定手法では、２つのレンズ面の各形状を高精度に測定することはできるものの、これらの相対的な位置関係を正確に把握することが難しいという問題がある。これは、一方のレンズ面を測定した後、サンプルステージ上に載置されている非球面レンズを、他方のレンズ面が測定系側を向くように裏返しにする必要があり、これにより、２つのレンズ面の相対的な位置関係が不明になることによる。

このため、面ずれや面倒れの測定には、レンズ面の形状測定とは異なる手法、例えば、非球面レンズの透過波面測定により波面収差を求め、その波面収差から面ずれや面倒れを算定する手法等が提案されているが、レンズ面の形状測定とは別に他の測定を行うことは煩雑であり、測定に多大な時間を要することになる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、被検体の表面および裏面の各形状を、互いの相対的な位置関係を正確に把握しつつ高精度に測定することが可能な３次元形状測定方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の３次元形状測定方法および装置は、以下のように構成されている。

なお、以下に説明する本発明に係る第１の３次元形状測定方法（以下「第１方法」と称する）と第２の３次元形状測定方法（以下「第２方法」と称する）は、いずれも、被検体の表面および裏面の各形状を互いの相対的な位置関係を正確に把握しつつ高精度に測定し得るようにする、という共通の課題を解決するためのものである。第１方法と第２方法との実質的な相違点は、被検体の表面形状と裏面形状との空間的な相対位置関係を求めるために、第１方法では、被検体の側面形状を被検体表面側および裏面側より重複して測定して得られた２つの測定データを用いるのに対し、第２方法では、被検体に固定された保持治具の外周面形状を被検体表面側および裏面側より重複して測定して得られた２つの測定データを用いる点にある。被検体の側面形状と保持治具の外周面形状は、いずれも、被検体の表面形状および裏面形状との相対位置関係が確定されているものであるという点で、互いに同じ技術概念に属するものである。したがって、第１方法と第２方法は、互いに同一または対応する技術的特徴を有するものである。このことは、以下に説明する本発明に係る第１の３次元形状測定装置と第２の３次元形状測定装置についても、同様である。

本発明に係る第１の３次元形状測定方法は、第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、円柱面状に形成された被検体側面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定方法であって、
前記被検体を前記被検体裏面側から支持する被検体裏面支持ステップと、
前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を所定の回転軸と一致させた状態で、前記第１曲面部が球面である場合には、前記被検体裏面側から支持された状態での前記第１曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体表面回転ステップと、
回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記被検体側面を走査し、該被検体表面の形状情報と該被検体側面の第１の形状情報と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を取得する被検体表面・側面形状情報取得ステップと、
前記被検体を前記被検体表面側から支持する被検体表面支持ステップと、
前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第２曲面部が球面である場合には、前記被検体表面側から支持された状態での前記第２曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体裏面回転ステップと、
回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記被検体側面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該被検体側面の第２の形状情報と該被検体裏面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・側面形状情報を取得する被検体裏面・側面形状情報取得ステップと、
前記被検体表面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた前記被検体側面の第１の形状情報と、前記被検体裏面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた前記被検体側面の第２の形状情報とを互いに照合することにより、前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報を求める被検体全体形状情報取得ステップと、を測定手順として含んでなることを特徴とする。

また、本発明に係る第２の３次元形状測定方法は、第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定方法であって、
前記被検体を該被検体の径方向外方から囲むリング状の保持治具に、該保持治具と該被検体との相対位置が変わらないように該被検体を固定する保持治具固定ステップと、
前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体裏面側から支持する被検体裏面支持ステップと、
前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を所定の回転軸と一致させた状態で、該第１曲面部が球面である場合には、該被検体裏面側から支持された状態での該第１曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体表面回転ステップと、
回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体表面の形状情報と該外周面の第１の形状情報と該被検体表面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体表面・保持治具外周面形状情報取得ステップと、
前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体表面側から支持する被検体表面支持ステップと、
前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第２曲面部が球面である場合には、該被検体表面側から支持された状態での該第２曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体裏面回転ステップと、
回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと該被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記保持治具の前記外周面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該外周面の第２の形状情報と該被検体裏面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体裏面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得ステップと、
前記第１の形状情報と前記第２の形状情報とを互いに照合することにより前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を求め、該相対位置情報を含んでなる被検体表裏面形状情報を取得する被検体表裏面形状情報取得ステップと、を測定手順として含んでなることを特徴とする。

また、本発明に係る第１の３次元形状測定装置は、第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、円柱面状に形成された被検体側面とを有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定装置であって、
前記被検体を、前記被検体裏面側または前記被検体表面側から支持する被検体支持手段と、
前記被検体支持手段により支持された前記被検体を、所定の回転軸回りに回転せしめる被検体回転手段と、
前記被検体支持手段により前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第１曲面部が球面である場合には、前記被検体裏面側から支持された状態での前記第１曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体表面回転指令手段と、
前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記被検体側面を走査し、該被検体表面の形状情報と該被検体側面の第１の形状情報と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を取得する被検体表面・側面形状情報取得手段と、
前記被検体支持手段により前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第２曲面部が球面である場合には、前記被検体表面側から支持された状態での前記第２曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体裏面回転指令手段と、
前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記被検体側面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該被検体側面の第２の形状情報と該被検体裏面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・側面形状情報を取得する被検体裏面・側面形状情報取得手段と、
前記被検体表面・側面形状情報取得手段により得られた前記被検体側面の第１の形状情報と、前記被検体裏面・側面形状情報取得手段により得られた前記被検体側面の第２の形状情報とを互いに照合することにより、前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報を求める被検体全体形状情報取得手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の第１の３次元形状測定装置において、前記測定プローブは、低可干渉性の測定光を測定光軸に沿って前記被検体に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系からなり、
前記干渉光により形成される干渉縞を撮像する撮像手段と、
前記被検体に対する前記顕微干渉光学系の相対位置を変更する相対位置変更手段と、
前記被検体回転手段により回転せしめられる前記被検体の前記回転軸回りの回転位置を検出する回転位置検出手段と、を備えてなるとすることができる。
また、前記被検体表面・側面形状情報取得手段は、
前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体表面との交点位置が該被検体表面の径方向に移動し、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置における前記被検体表面の接平面と垂直に交わるように、および前記被検体側面上に前記測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が前記被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と前記被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段と、
前記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記顕微干渉光学系から前記被検体に前記測定光を照射せしめ、該測定光の前記被検体表面または前記被検体側面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と前記被検体表面または前記被検体側面との各交差部分の領域に対応した各表面・側面回転位置別干渉縞を、前記被検体の複数の表面・側面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像せしめ、前記各表面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得する被検体表面・側面干渉縞取得手段と、
前記各表面・側面回転位置別干渉縞と、該各表面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データに基づき、前記被検体表面・側面形状情報を求める被検体表面・側面形状解析手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記被検体裏面・側面形状情報取得手段は、
前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体裏面との交点位置が該被検体裏面の径方向に移動し、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置における前記被検体裏面の接平面と垂直に交わるように、および前記被検体側面上に前記測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が前記被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と前記被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段と、
前記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記顕微干渉光学系から前記被検体に前記測定光を照射せしめ、該測定光の前記被検体裏面または前記被検体側面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と前記被検体裏面または前記被検体側面との各交差部分の領域に対応した各裏面・側面回転位置別干渉縞を、前記被検体の複数の裏面・側面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像せしめ、前記各裏面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得する被検体裏面・側面干渉縞取得手段と、
前記各裏面・側面回転位置別干渉縞と、該各裏面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データに基づき、前記被検体裏面・側面形状情報を求める被検体裏面・側面形状解析手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記被検体全体形状情報に基づき、前記第１軸線と前記第２軸線との相対的な位置ずれおよび相対的な傾きずれを求める軸ずれ解析手段を備えてなる、とすることが好ましい。

また、前記被検体全体形状情報に基づき、前記被検体側面の所定断面における真円度を求める被検体側面解析手段を備えてなる、とすることが好ましい。この場合、該被検体側面解析手段は、前記被検体全体形状情報に基づき、前記被検体側面の円柱度を求めるものである、とすることができる。

また、本発明に係る第２の３次元形状測定装置は、第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定装置であって、
前記被検体を該被検体の径方向外方から囲むリング状に形成され、該被検体との相対位置が変わらないように該被検体に固定される保持治具と、
前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体裏面側または前記被検体表面側から支持する被検体支持手段と、
前記被検体支持手段により支持された前記被検体を、所定の回転軸回りに回転せしめる被検体回転手段と、
前記被検体支持手段により前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第１曲面部が球面である場合には、該被検体裏面側から保持された状態での該第１曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体表面回転指令手段と、
前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体表面の形状情報と該外周面の第１の形状情報と該被検体表面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体表面・保持治具外周面形状情報取得手段と、
前記被検体支持手段により前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第２曲面部が球面である場合には、該被検体表面側から保持された状態での該第２曲面部の頂点における第２垂線を該回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体裏面回転指令手段と、
前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該外周面の第２の形状情報と該被検体裏面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得手段と、
前記第１の形状情報と前記第２の形状情報とを互いに照合することにより前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を求め、該相対位置情報を含んでなる被検体表裏面形状情報を取得する被検体表裏面形状情報取得手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の第２の３次元形状測定装置において、前記測定プローブは、低可干渉性の測定光を測定光軸に沿って前記被検体に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系からなり、
前記干渉光により形成される干渉縞を撮像する撮像手段と、
前記被検体に対する前記顕微干渉光学系の相対位置を変更する相対位置変更手段と、
前記被検体回転手段により回転せしめられる前記被検体の前記回転軸回りの回転位置を検出する回転位置検出手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記被検体表面・保持治具外周面形状情報取得手段は、
前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体表面との交点位置が該被検体表面の径方向に移動し、かつ該移動毎に該測定光軸が該交点位置における該被検体表面の接平面と垂直に交わるように、および前記保持治具の前記外周面上に該測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が該外周面との交点位置における該外周面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と該被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段と、
前記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記被検体に前記顕微干渉光学系から前記測定光を照射し、該測定光の前記被検体表面または前記外周面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と該被検体表面または該外周面との各交差部分の領域に対応した各表面・外周面回転位置別干渉縞を、該被検体の複数の表面・外周面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像する被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得手段と、
前記各表面・外周面回転位置別干渉縞と、該各表面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データとに基づき、前記被検体表面・保持治具外周面形状情報を求める被検体表面・保持治具外周面形状解析手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得手段は、
前記被検体裏面回転手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体裏面との交点位置が該被検体裏面の径方向に移動し、かつ該移動毎に該測定光軸が該交点位置における該被検体裏面の接平面と垂直に交わるように、および前記保持治具の前記外周面上に該測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が該外周面との交点位置における該外周面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と該被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段と、
前記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記被検体に前記顕微干渉光学系から前記測定光を照射し、該測定光の前記被検体裏面または前記外周面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、該測定光軸と該被検体裏面または該外周面との各交差部分の領域に対応した各裏面・外周面回転位置別干渉縞を、該被検体の複数の裏面・外周面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像する被検体裏面・保持治具外周面干渉縞取得手段と、
前記各裏面・外周面回転位置別干渉縞と、該各裏面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データとに基づき、前記被検体裏面・保持治具外周面形状情報を求める被検体裏面・保持治具外周面形状解析手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記被検体表裏面形状情報に基づき、前記第１軸線と前記第２軸線との相対的な位置ずれ量および相対的な傾きずれ量を求める軸ずれ解析手段を備えてなる、ことが好ましい。

また、本発明の第１および第２の３次元形状測定装置において、前記撮像手段は、１次元イメージセンサを撮像素子として備えてなる、とすることが好ましい。

また、前記相対位置変更手段は、空間に対し前記顕微干渉光学系を傾動させる傾動手段を含んでなる、とすることができる。

なお、上記「リング状」とは、周上の一部にスリットを有するＣ字型の形状も含む意である。

本発明に係る３次元形状測定方法および装置は、上述の特徴を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の第１の３次元形状測定方法および装置においては、被検体裏面側から支持されて回転軸回りに回転される被検体に対し、測定プローブと被検体との相対位置を変化させながら測定が行われ、被検体表面の形状情報だけではなく、被検体側面の形状情報（第１の形状情報）と被検体表面および被検体側面の相対位置情報とが一緒に求められる。同様に、被検体裏面側から支持されて回転軸回りに回転される被検体に対し、測定プローブと被検体との相対位置を変化させながら測定が行われ、被検体裏面の形状情報だけではなく、再度、被検体側面の形状情報（第２の形状情報）と、被検体裏面および被検体側面の相対位置情報とが一緒に求められる。

そして、被検体側面の第１の形状情報と第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面と被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報が求められる。

被検体表面および被検体側面が測定される間、回転軸は常に、被検体表面の第１軸線または第１曲面部の頂点における垂線と一致している（被検体と回転軸の相対位置が変わらない）ので、この回転軸の位置を基準として、被検体表面および被検体側面の相対位置を正確に求めることができる。同様に、被検体裏面および被検体側面が測定される間、回転軸は常に、被検体表面の第２軸線または第２曲面部の頂点における垂線と一致しているので、この回転軸の位置を基準として、被検体表面および被検体側面の相対位置関係を正確に求めることができる。

そして、被検体側面の形状は、被検体表面と共に測定される時と被検体裏面と共に測定される時とで不変であるから、被検体側面の第１の形状情報と第２の形状情報とは、共通の座標系においては、本来互いに一致するはずのものである。したがって、第１の形状情報と第２の形状情報とを互いに照合することにより被検体表面および被検体裏面の相対位置関係を正確に求めることが可能となる。

このように、本発明に係る第１の３次元形状測定方法および装置によれば、被検体の表面および裏面の各形状を、互いの相対的な位置関係を正確に把握しつつ高精度に測定することが可能となる。

また、本発明の第２の３次元形状測定方法および装置においては、被検体裏面側から支持されて回転軸回りに回転される、保持治具が固定された被検体に対し、測定プローブと被検体との相対位置を変化させながら測定が行われ、被検体表面の形状情報だけではなく、保持治具の外周面の形状情報（第１の形状情報）と被検体表面および保持治具外周面の相対位置情報とが一緒に求められる。同様に、被検体裏面側から保持されて回転軸回りに回転される被検体に対し、測定プローブと被検体との相対位置を変化させながら測定が行われ、被検体裏面の形状情報だけではなく、再度、保持治具の外周面の形状情報（第２の形状情報）と、被検体裏面および保持治具外周面の相対位置情報とが一緒に求められる。

そして、保持治具外周面の第１の形状情報と第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体表裏面形状情報が求められる。

被検体表面および保持治具外周面が測定される間、回転軸は常に、被検体表面の第１軸線または第１曲面部の頂点における垂線と一致している（被検体と回転軸の相対位置が変わらない）ので、この回転軸の位置を基準として、被検体表面および保持治具外周面の相対位置を正確に求めることができる。同様に、被検体裏面および保持治具外周面が測定される間、回転軸は常に、被検体表面の第２軸線または第２曲面部の頂点における垂線と一致しているので、この回転軸の位置を基準として、被検体表面および保持治具外周面の相対位置関係を正確に求めることができる。

そして、保持治具外周面の形状は、被検体表面と共に測定される時と被検体裏面と共に測定される時とで不変であるから、保持治具外周面の第１の形状情報と第２の形状情報とは、共通の座標系においては、本来互いに一致するはずのものである。したがって、第１の形状情報と第２の形状情報とを互いに照合することにより被検体表面および被検体裏面の相対位置関係を正確に求めることが可能となる。

このように、本発明に係る第２の３次元形状測定方法および装置によれば、被検体の表面および裏面の各形状を、互いの相対的な位置関係を正確に把握しつつ高精度に測定することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の概略構成図である。 図１に示す顕微干渉計の光学系の概略構成図である。 図１に示す解析制御装置の構成を示すブロック図である。 図３に示す被検体表面回転指令部の構成を示すブロック図である。 図３に示す被検体裏面回転指令部の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の被検レンズの構成図（（Ａ）断面図、（Ｂ）正面図）である。 被検体側面の真円度を説明するための概略図である。 被検体側面の円柱度を説明するための概略図である。 調整用治具の概略図である。 第１実施形態の被検レンズを裏面側から支持した状態を示す図である。 第１実施形態の被検レンズの表面部の測定手順の概要を示す図である。 第１実施形態の被検レンズを表面側から支持した状態を示す図である。 第１実施形態の被検レンズの裏面部の測定手順の概要を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定装置の概略構成図である。 図１４に示す顕微干渉計の光学系の概略構成図である。 図１４に示す解析制御装置の構成を示すブロック図である。 図１６に示す被検体表面回転指令部の構成を示すブロック図である。 図１６に示す被検体裏面回転指令部の構成を示すブロック図である。 第２実施形態の被検レンズの構成図（（Ａ）断面図、（Ｂ）正面図）である。 保持治具の概略図である。 保持治具を被検レンズに固定した状態の概略図である。 第２実施形態の被検レンズを裏面側から保持した状態を示す図である。 第２実施形態の被検レンズの表面部の測定手順の概要を示す図である。 第２実施形態の被検レンズを表面側から保持した状態を示す図である。 第２実施形態の被検レンズの裏面部の測定手順の概要を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、上述の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明に使用する各々の図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではなく、各部材の大きさや部材間の距離等を適宜変更して示してある。

〈第１実施形態〉
まず、図６〜図８に基づいて、第１実施形態における被検体としての被検レンズ９の構成および測定対象となる項目について説明する。

図６に示すように被検レンズ９は、レンズ部９１と該レンズ部９１の外周部に形成された鍔状のコバ部９２とを備えてなる。レンズ部９１は、設計上、第１軸線Ａ_１を中心とする回転面状に形成された第１曲面部９３（非球面で構成される）と、第２軸線Ａ_２を中心とする回転面状に形成された第２曲面部９４（球面で構成される）とを有してなり、コバ部９３は、円環状に各々形成されたコバ部表面９５およびコバ部裏面９６と、円柱面状に形成されたコバ部側面９７とを有してなる。なお、第１軸線Ａ_１は、設計上、第１曲面部９３の外径中心軸となっており、第２軸線Ａ_２は、第２曲面部９４の外径中心軸となっている。

第１実施形態の被検レンズ９においては、第１曲面部９３とコバ部表面９５とにより被検体表面が構成され、第２曲面部９４とコバ部裏面９６とにより被検体裏面が構成され、さらに、コバ部側面９７により被検体側面が構成されている。なお、第１実施形態では、このように被検体表面および被検体裏面を定義しているが、図６（Ａ）に示す被検レンズ９の上側の面を被検体裏面とし（この場合、番号９３が指し示す曲面部を第２曲面部、番号９５が指し示す部分をコバ部裏面、符号Ａ_１が指し示す軸線を第２軸線と称し）、下側の面を被検体表面とする（この場合、番号９４が指し示す面を第１曲面部、番号９６が指し示す部分をコバ部表面、符号Ａ_２が指し示す軸線を第１軸線と称する）ことも可能である。

また、上述の被検レンズ９は、設計上、上述の第１軸線Ａ_１および第２軸線Ａ_２が、図中の第３軸線Ａ_３（コバ部９３の外径中心軸およびコバ部側面９７の回転中心軸となっている）と互いに一致するように構成されているが、製造誤差により、これらが互いに一致しない場合がある。図では分かり易くするため、軸ずれの誤差を大きく表現しているが、通常は、光の波長オーダー以下の微小な誤差量となる。

第１実施形態においては、このような製造誤差により生じる面倒れや面ずれ等の、測定対象となる種々の項目を以下のように定義する。なお、ここで示す定義は、以下の説明を明確にするために便宜的に導入するものであり、他の定義の仕方も考えられる。

面倒れ：第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２との相対的な傾き角（第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２とのなす角；第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２とが互いに交わらない場合は、それぞれの方向ベクトルのなす角）を、被検レンズ９の面倒れ（上記傾き角の大きさを面倒れ量、第２軸線Ａ_２に対する第１軸線Ａ_１の傾き方向を面倒れ方向）と定義する。

面ずれ：第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２との相対的な位置ずれを、被検レンズ９の面ずれ（第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２との最短の共通垂線の長さを面ずれ量、該共通垂線の延びる方向を面ずれ方向）と定義する。

面偏心：第１軸線Ａ_１と第３軸線Ａ_３との相対的な位置ずれを、第１曲面部９３の面偏心（第１軸線Ａ_１と第３軸線Ａ_３との最短の共通垂線の長さを第１曲面部９３の面偏心量、該共通垂線の延びる方向を第１曲面部９３の面偏心方向）と定義する。同様に、第２軸線Ａ_２と第３軸線Ａ_３との相対的な位置ずれを、第２曲面部９４の面偏心（第２軸線Ａ_２と第３軸線Ａ_３との最短の共通垂線の長さを第２曲面部９４の面偏心量、該共通垂線の延びる方向を第２曲面部９４の面偏心方向）と定義する。

被検体側面の真円度：第３軸線Ａ_３に垂直でかつコバ部側面９７と交わる任意の平面を設定し、この平面によりコバ部側面９７を全周に亘って切断したとき、この切断位置におけるコバ部側面９７の測定形状Ｓ_１（上記平面とコバ部側面９７との交線の形状。図７参照）を、同心の２つの仮想円Ｃ_１，Ｃ_２で挟んだとき、該２つの仮想円Ｃ_１，Ｃ_２の間隔が最小となる場合の、該２つの仮想円Ｃ_１，Ｃ_２の半径の差ｄ_１を、被検体側面の所定断面（上記平面による断面）での真円度と定義する。

被検体側面の円柱度：コバ部側面９７の全域の測定形状Ｓ_２（図８参照）を、第３軸線Ａ_３を共通の中心軸とする２つの仮想円筒面Ｃ_３，Ｃ_４で挟んだとき、該２つの仮想円筒面Ｃ_３，Ｃ_４の間隔が最小となる場合の、該２つの仮想円筒面Ｃ_３，Ｃ_４の半径の差ｄ_２を、被検体側面の円柱度と定義する。

次に、図１〜図５に基づいて、第１実施形態の３次元形状測定装置について説明する。

図１に示すように第１実施形態の３次元形状測定装置は、顕微干渉計１、該顕微干渉計１の姿勢や位置を調整する測定系アライメント部３、被検レンズ９の姿勢や位置を調整する被検体アライメント部５、および解析制御装置７を備えてなる。

上記顕微干渉計１は、図２に示すように、測定光照射系１０および撮像系２０を備えており、該測定光照射系１０は、低可干渉性の光束を測定光として出力する、ＬＥＤやＳＬＤ等からなる光源部１１と、該光源部１１から出力された測定光をコリメートするコリメータレンズ１２と、該コリメータレンズ１２からの測定光を図中下方に向けて反射する光束分岐光学素子１３と、該光束分岐光学素子１３からの測定光を、測定光軸Ｌに沿って被検レンズ９に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る、測定プローブとしての顕微干渉光学系１４と、を備えてなる。

この顕微干渉光学系１４は、ミロー型の対物系を構成するものであり、光束分岐光学素子１３からの測定光を平行光から収束光に変換する収束レンズ１５と、該収束レンズ１５の図中下側に配された透明平板１６と、該透明平板１６の図中上側の面に配された反射素子１７と、収束レンズ１５からの測定光の光路上に配された半透過反射素子１８とが、鏡胴１９内に配設されてなる。半透過反射素子１８は、収束レンズ１５からの測定光の一部を反射するとともに、その余を透過して被検レンズ９に向けて出力するように構成されている。この半透過反射素子１８で反射された光は反射素子１７に集光し、該反射素子１７において反射されて再び半透過反射素子１８に入射する。この入射光の一部が半透過反射素子１８において反射されて参照光とされ、被検レンズ９に照射された測定光の集光領域からの戻り光と合波されることにより、干渉光が得られるようになっている。

また、この顕微干渉光学系１４は、ピエゾ素子２９を備えたフリンジスキャンアダプタ２８に支持され、測定時における被検レンズ９との微小な距離調整がなされるともに、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｌ方向に微動せしめられるように構成されている。

一方、上記撮像系２０は、顕微干渉光学系１４から光束分岐光学素子１３を透過して図中上方に進行する干渉光を分岐する光束分岐光学素子２１と、主に被検レンズ９が回転しているときに撮像を行う第１の撮像系２０Ａと、主に被検レンズ９が停止しているときに撮像を行う第２の撮像系２０Ｂと、を備えている。

第１の撮像系２０Ａは、光束分岐光学素子２１を透過して図中上方に進行する干渉光を集光する結像レンズ２２と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ２３を有してなる第１撮像カメラ２４とを備えてなり、第１結像レンズ２２により１次元イメージセンサ２３上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。これに対し、第２の撮像系２０Ｂは、光束分岐光学素子２１により図中右方に反射された干渉光を集光する結像レンズ２５と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ２６を有してなる第２撮像カメラ２７とを備えてなり、第２結像レンズ２５により２次元イメージセンサ２６上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

また、図１に示すように上記測定系アライメント部３は、上記顕微干渉計１に固定されたブラケット３１と、該ブラケット３１を介して顕微干渉計１を、図中のＸ軸方向に延びる回転軸Ｒ_１を中心として傾動可能に支持する干渉計傾動ステージ３２（第１実施形態における傾動手段）と、該干渉計傾動ステージ３２等と共に顕微干渉計１を、図中のＺ軸方向に移動せしめる干渉計Ｚ移動ステージ３３と、該干渉計Ｚ移動ステージ３３等と共に顕微干渉計１を、図中のＹ軸回りに傾動せしめる干渉計Ｙ傾斜ステージ３４と、該干渉計Ｙ傾斜ステージ３４等と共に顕微干渉計１を、図中のＸ軸方向に移動せしめる干渉計Ｘ移動ステージ３５と、を備えてなる。

また、上記被検体アライメント部５は、図１に示すように、真空引き等により被検レンズ９を表面側または裏面側から支持するサンプルステージ５１（第１実施形態における被検体支持手段）と、該サンプルステージ５１を介して被検レンズ９を、図中のＸ軸回りおよびＹ軸回りに傾動せしめる被検体ＸＹ傾斜ステージ５２と、該被検体ＸＹ傾斜ステージ５２等と共に被検レンズ９を、図中のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動せしめる被検体ＸＹ移動ステージ５３と、該被検体ＸＹ移動ステージ５３等と共に被検レンズ９を、図中のＺ軸方向に延びる回転軸Ｒ_２の回りに回転せしめる被検体回転ステージ５４（第１実施形態における被検体回転手段）と、該被検体回転ステージ５４内に搭載され、該被検体回転ステージ５４の回転角度（被検体回転ステージ５４により回転せしめられる被検レンズ９の回転軸Ｒ_２回りの回転位置）を検出する回転エンコーダ５５と、上記被検体回転ステージ５５等と共に被検レンズ９を、図中のＹ軸方向に移動せしめる被検体Ｙ移動ステージ５６と、を備えてなる。

なお、第１実施形態では、上述の干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ３４、干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６により、相対位置変更手段が構成されており、回転エンコーダ５５により回転位置検出手段が構成されている。

また、上記解析制御装置７は、上記撮像系２０により取得された干渉縞の画像データに基づき被検レンズ９の形状データを求めたり、上記測定系アライメント部３および上記被検体アライメント部５における各ステージ等の駆動を制御したりするものであり、図３に示すように、当該解析制御装置７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される被検体表面回転指令部７１、被検体裏面回転指令部７２、被検体表面・側面形状情報取得部７３、被検体裏面・側面形状情報取得部７４、被検体全体形状情報取得部７５、軸ずれ解析部７６および被検体側面解析部７７を備えてなる。

上記被検体表面回転指令部７１は、サンプルステージ５１により裏面側から支持された被検レンズ９を、上記第１軸線Ａ_１を上記被検体回転ステージ５４の回転軸Ｒ_２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ５４により回転せしめるものである。

上記被検体裏面回転指令部７２は、サンプルステージ５１により表面側から支持された被検レンズ９を、表面側から支持された状態での上記第２曲面部９４の頂点Ｐにおける垂線Ｎ（図１２参照）を上記被検体回転ステージ５４の回転軸Ｒ_２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ５４により回転せしめるものである。

上記被検体表面・側面形状情報取得部７３は、被検体表面回転指令部７１により回転せしめられる被検レンズ９に対し、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との相対位置を変えながら、顕微干渉光学系１４により被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）および被検体側面（コバ部側面９７）を走査し、該被検体表面の形状情報と該被検体側面の第１の形状情報と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を取得するものである。

上記被検体裏面・側面形状情報取得部７４は、被検体裏面回転指令部７２により回転せしめられる被検レンズ９に対し、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との相対位置を変えながら、顕微干渉光学系１４により被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）および被検体側面（コバ部側面９７）を走査し、該被検体裏面の形状情報と該被検体側面の第２の形状情報と該被検体裏面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・側面形状情報を取得するものである。

上記被検体全体形状情報取得部７５は、被検体表面・側面形状情報取得部７３により得られた上記被検体側面の第１の形状情報と、被検体裏面・側面形状情報取得部７４により得られた上記被検体側面の第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面と被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報を求めるものである。

上記軸ずれ解析部７６は、上記被検体全体形状情報に基づき、上記第１軸線Ａ_１と上記第２軸線Ａ_２との相対的な位置ずれ（面ずれ）および相対的な傾きずれ（面倒れ）を求めるものである。
上記被検体側面解析部７７は、上記被検体全体形状情報に基づき、上記被検体側面の所定断面における真円度と、該被検体側面の円柱度とを求めるものである。

また、図４に示すように、上記被検体表面・側面形状情報取得部７３は、上記解析制御装置７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８、被検体表面・側面干渉縞取得部７９、被検体表面・側面形状解析部８０および表面・側面測定距離調整部８１を備えてなる。

上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８は、上記被検体表面回転指令部７１により回転せしめられる被検レンズ９に対し、該被検レンズ９の被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）の設計データに基づき、上記測定光軸Ｌの被検体表面との交点位置が該被検体表面の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌが上記交点位置における被検体表面の接平面と垂直に交わるように、および被検体側面上に上記測定光軸Ｌが移動し、かつ該測定光軸Ｌが被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、上記相対位置変更手段（干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ３４、干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６）により、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との相対姿勢を順次変更するものである。

上記被検体表面・側面干渉縞取得部７９は、上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調部７８により上記相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１４から被検レンズ９に測定光を照射せしめ、該測定光の被検体表面または被検体側面からの戻り光と参照光との干渉により形成される、測定光軸Ｌと被検体表面または被検体側面との各交差部分の領域に対応した各表面・側面回転位置別干渉縞を、被検レンズ９の複数の表面・側面回転位置毎に上記第１撮像カメラ２４の１次元イメージセンサ２３により撮像せしめ、上記各表面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得するものである。

上記表面・側面測定距離調整部８１は、上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調部７８により上記相対姿勢が変更される変更される毎に、上記第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６が取り込んだ干渉光（姿勢変更時干渉光）の光強度に基づき、測定光の集光点が被検体表面または被検体側面上に位置するように、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との測定距離を微調整するものである。

上記被検体表面・側面形状解析部８０は、上記各表面・側面回転位置別干渉縞と、該各表面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、上記回転エンコーダ５５による上記回転位置の検出データと、上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８による上記相対姿勢の調整データと、上記表面・側面測定距離調整部８１による上記測定距離の調整データとに基づき、上記被検体表面・側面形状情報を求めるものである。

また、図５に示すように、上記被検体裏面・側面形状情報取得部７４は、上記解析制御装置７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２、被検体裏面・側面干渉縞取得部８３、被検体裏面・側面形状解析部８４および裏面・側面測定距離調整部８５を備えてなる。

上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２は、上記被検体裏面回転指令部７２により回転せしめられる被検レンズ９に対し、該被検レンズ９の被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部表面９５）の設計データに基づき、上記測定光軸Ｌの被検体裏面との交点位置が該被検体裏面の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌが上記交点位置における被検体裏面の接平面と垂直に交わるように、および被検体側面上に上記測定光軸Ｌが移動し、かつ該測定光軸Ｌが被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、上記相対位置変更手段（干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ３４、干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６）により、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との相対姿勢を順次変更するものである。

上記被検体裏面・側面干渉縞取得部８３は、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調部８２により上記相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１４から被検レンズ９に測定光を照射せしめ、該測定光の被検体裏面または被検体側面からの戻り光と参照光との干渉により形成される、測定光軸Ｌと被検体裏面または被検体側面との各交差部分の領域に対応した各裏面・側面回転位置別干渉縞を、被検レンズ９の複数の裏面・側面回転位置毎に上記第１撮像カメラ２４の１次元イメージセンサ２３により撮像せしめ、上記各裏面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得するものである。

上記裏面・側面測定距離調整部８５は、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調部８２により上記相対姿勢が変更される変更される毎に、上記第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６が取り込んだ干渉光（姿勢変更時干渉光）の光強度に基づき、測定光の集光点が被検体裏面または被検体側面上に位置するように、顕微干渉光学系１４と被検レンズ９との測定距離を微調整するものである。

上記被検体裏面・側面形状解析部８４は、上記各裏面・側面回転位置別干渉縞と、該各裏面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、上記回転エンコーダ５５による上記回転位置の検出データと、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２による上記相対姿勢の調整データと、上記裏面・側面測定距離調整部８５による上記測定距離の調整データとに基づき、上記被検体裏面・側面形状情報を求めるものである。

以下、本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定方法について説明する。第１実施形態の３次元形状測定方法は、上述の第１実施形態の３次元形状測定装置を用いて行うものである。

〈アライメント部の初期調整〉
まず、測定に先立って行われる、上述の測定系アライメント部３と被検体アライメント部５との初期調整について説明する。この初期調整は、サンプルステージ５１上に被検レンズ９を載置する前に、顕微干渉計１の測定光軸Ｌと被検体回転ステージ５４の回転軸Ｒ_２とを高精度に一致させるために行うものであり、以下の手順で行われる。

（Ｕ１）まず、被検体回転ステージ５４は停止した状態で、図１に示す参照被検体回転ステージ５４の回転円盤面５４ａ（高精度に平滑であるとする）上に顕微干渉計１からの測定光が集光照射されるように、干渉計Ｚ移動ステージ３３、干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６を用いて、顕微干渉計１と被検体回転ステージ５４との相対位置を調整する。なお、この相対位置の調整は、オペレータが、顕微干渉計１と回転円盤面５４ａとの相対位置を確認しながら手動操作により行うが、顕微干渉計１と回転円盤面５４ａとの相対位置を装置が認識し得るように構成して自動的に行うようにしてもよい。

（Ｕ２）次に、相対位置が調整された顕微干渉計１から、回転円盤面５４ａ上に測定光を照射し、その戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞を、図２に示す第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて撮像し、この撮像された干渉縞がヌル縞状態となるように、図１に示す干渉計傾動ステージ３２および干渉計Ｙ傾斜ステージ３４を用いて、顕微干渉計１の傾きを調整する。これにより、測定光軸Ｌと回転軸Ｒ_２とが互いに平行となる。

（Ｕ３）続いて、サンプルステージ５１上に、表裏面が高精度に平滑化された平行平板（図示略）を載置し、この平行平板表面（顕微干渉計１側の面）に、顕微干渉計１からの測定光が集光照射されるように、干渉計Ｚ移動ステージ３３、干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６を用いて、顕微干渉計１とサンプルステージ５１との相対位置を調整する。

（Ｕ４）次に、相対位置が調整された顕微干渉計１から、平行平板表面に測定光を照射し、その戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞を、第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて撮像し、この撮像された干渉縞がヌル縞状態となるように、図１に示す被検体ＸＹ傾斜ステージ５２を用いて、サンプルステージ５１上の平行平板の傾きを調整する。これにより、平行平板表面と回転軸Ｒ_２および測定光軸Ｌとが互いに垂直な状態となる。

（Ｕ５）次いで、平行平板表面上に、図９に示すような調整用治具４を載置固定する。この調整用治具４は、互いに傾きが異なる３つの反射平面４１〜４３を有してなり、該３つの反射平面４１〜４３に測定光を照射したときに観察される、該３つの反射平面４１〜４３にそれぞれ対応した３つの干渉縞画像から、該３つの反射平面４１〜４３の交点Ｍの位置を高精度に求められるように構成されている（特願２００７−３１５２８２号明細書参照）。

（Ｕ６）次に、上記被検体回転ステージ５４を用いて、調整用治具４を回転軸Ｒ_２回りに回転させるとともに、顕微干渉計１から、回転する調整用治具４に対して測定光を照射し、上記３つの反射平面４１〜４３からの各戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される、該３つの反射平面４１〜４３に対応した３つの干渉縞画像を、第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて、調整用治具４の複数の回転位置毎に撮像する。

（Ｕ７）次いで、複数の回転位置毎に撮像された各３つの干渉縞画像から、上記交点Ｍの回転軌跡を求め、この回転軌跡の中心として上記回転軸Ｒ_２の位置を特定する。そして、位置が特定された回転軸Ｒ_２に、測定光軸Ｌが一致するように、図１に示す干渉計Ｘ移動ステージ３５および被検体Ｙ移動ステージ５６を用いて、顕微干渉計１と被検体回転ステージ５４との相対位置を調整する。これにより、測定系アライメント部３と被検体アライメント部５との初期調整が完了する。

〈被検体表面・側面形状測定〉
次に、被検レンズ９の表面部（第１曲面部９３とコバ部表面９５とコバ部側面９７とを含む領域）の測定を、以下の手順で行う。

（Ｖ１）まず、サンプルステージ５１を用いて被検レンズ９を、第１曲面部９３が顕微干渉計１と対向するように、裏面側から支持せしめる（被検体裏面支持ステップ、図１０参照）。なお、被検レンズ９をサンプルステージ５１上に載置支持せしめた段階では、第１曲面部９３の第１軸線Ａ_１は、上記回転軸Ｒ_２（およびこれと一致している測定光軸Ｌ）の近傍に位置するものの、回転軸Ｒ_２と正確に一致しているとは限らない。そこで、第１軸線Ａ_１を回転軸Ｒ_２と正確に一致させる調整を、例えば、以下の手順で行う。

〈ａ〉フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、顕微干渉光学系１４を測定光軸Ｌ方向に順次移動させ、移動毎に、第１曲面部９３に対し測定光を照射して、第１曲面部９３から反射された戻り光と参照光との干渉光を、上記第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて取り込む。なお、顕微干渉光学系１４の移動量は、上記表面・側面測定距離調整部８１により自動制御される。

〈ｂ〉上述の、移動毎に取り込まれた干渉光の各光強度を上述の表面・側面測定距離調整部８１において測定し、干渉光の光強度が最大となる最適位置（測定光が第１曲面部９３上で集光する位置）に、顕微干渉光学系１４を配置する。

〈ｃ〉上述の最適位置に配置された顕微干渉光学系１４から第１曲面部９３に対し測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて撮像する。

〈ｄ〉撮像された干渉縞画像から、第１曲面部９３の一部領域（干渉縞画像と対応した領域）の形状情報を求める。

〈ｅ〉求められた形状情報を、被検レンズ９の第１曲面部９３の設計データと照合し、その照合結果から、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２（測定光軸Ｌ）との相対的な傾きずれを求め、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２とが互いに平行となるように、被検体ＸＹ傾斜ステージ５２を用いて、サンプルステージ５１上の被検レンズ９の傾きを調整する。

〈ｆ〉この傾きの調整後、再び、被検レンズ９の第１曲面部９３に、顕微干渉光学系１４から測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて撮像する。

〈ｇ〉撮像された干渉縞画像（第１軸線Ａ_１と第１曲面部９３との交点位置を中心とする同心のリング状の干渉縞画像）から、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２（測定光軸Ｌ）との相対的な位置ずれを求め、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２とが互いに一致するように、被被検体ＸＹ移動ステージ５３を用いて、サンプルステージ５１上の被検レンズ９の位置を調整する。これにより、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２とが互いに一致する。

なお、この、第１軸線Ａ_１と回転軸Ｒ_２とが互いに一致した状態の被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢は、被検体表面部を測定する際の基準姿勢として、上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８において記憶され、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢を変更する際に利用される。

（Ｖ２）上記（Ｖ１）の手順に続き、第１曲面部９３の上記第１軸線Ａ_１を上記被検体回転ステージ５４の回転軸Ｒ_２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ５４を用いて、被検レンズ９を上記回転軸Ｒ_２回りに回転せしめる（被検体表面回転ステップ）。なお、被検体回転ステージ５４は、上記被検体表面回転指令部７１により駆動制御される。このときの回転速度は任意に設定することが可能であるが、第１実施形態では、例えば、０．１秒で１回転するように設定する。

（Ｖ３）次いで、回転せしめられる被検レンズ９に対し、図１に示す干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６を用いて、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対位置を変えながら、該顕微干渉光学系１４により被検レンズ９の第１曲面部９３、コバ部表面９５およびコバ部側面９７を順次走査し、被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）の形状情報と被検体側面（コバ部側面９７）の形状情報（第１の形状情報）と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を、所定の座標系（以下「第１の座標系」と称する）において取得する（被検体表面・側面形状情報取得ステップ）。なお、この被検体表面・側面形状情報取得ステップは、具体的には、以下の手順で行われる。

［ａ］回転せしめられる被検レンズ９に対し、顕微干渉光学系１４の測定光軸Ｌの被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）との交点位置が該第１曲面部９３およびコバ部表面９５の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌがその交点位置における第１曲面部９３およびコバ部表面９５の接平面と垂直に交わるように、次いで、被検体側面（コバ部側面９７）上に測定光軸Ｌが移動し、かつ該測定光軸Ｌがその交点位置におけるコバ部側面９７の接平面と垂直に交わるように、干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６によって、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢を順次変化させる（図１１参照）。なお、第１実施形態では、第１曲面部９３、コバ部表面９５およびコバ部側面９７の全領域を測定する。また、干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６は、被検レンズ９の表面部の設計データに基づき、上記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８により駆動される。さらに、相対姿勢を変化させる毎に、上述の手順（Ｖ１）の〈ａ〉，〈ｂ〉と同様に、上記表面・側面測定距離調整部８１により、顕微干渉光学系１４の測定距離の調整が行われ、その測定距離の調整データは、顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８による相対姿勢の調整データと共に、上記被検体表面・側面形状解析部８０に順次入力される。

［ｂ］相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１４から被検レンズ９に測定光を照射し、該測定光の、第１曲面部９３、コバ部表面９５およびコバ部側面９７からの戻り光と参照光との干渉により形成される各表面・側面回転位置別干渉縞（測定光軸Ｌと被検体表面部との各交差部分の領域に対応した干渉縞）を、被検体表面・側面の複数の回転位置毎に、上記第１撮像カメラ２４の１次元イメージセンサ２３により撮像し、その画像データを取得する。なお、各表面・側面回転位置別干渉縞は、上記被検体表面・側面干渉縞取得部７９の指令に基づき撮像され、その各画像データは、上記被検体表面・側面形状解析部８０に順次入力される。撮像回数は任意に設定することが可能であるが、第１実施形態では、例えば、被検レンズ９が１回転する０．１秒の間に３６００回（被検レンズ９が０．１度回転する毎に１回）撮像するようにする。また、各表面・側面回転位置別干渉縞が撮像される毎に、その撮像された時点での被検レンズ９の回転角度が回転エンコーダ５５により検出され、その回転位置の検出データが被検体表面・側面形状解析部８０に順次入力される。

［ｃ］取得された表面・側面回転位置別干渉縞と、該各表面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における上記回転位置の検出データと、顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部７８による上記相対姿勢の調整データと、上記表面・側面測定距離調整部８１による上記測定距離の調整データとに基づき、被検体表面・側面形状解析部８０において、上述の被検体表面・側面形状情報が求められる。

〈被検体裏面・側面形状測定〉
次に、被検レンズ９の裏面部（第２曲面部９４とコバ部裏面９６とコバ部側面９７とを含む領域）の測定を、以下の手順で行う。

（Ｗ１）まず、顕微干渉計１と被検体回転ステージ５４との相対位置を、上述の、測定系アライメント部３と被検体アライメント部５との初期調整が完了したときの状態に戻す。

（Ｗ２）次に、サンプルステージ５１を用いて被検レンズ９を、第２曲面部９４が顕微干渉計１と対向するように、表面側から支持せしめる（被検体表面支持ステップ、図１２参照）。なお、第２曲面部９４は球面で構成されているので、被検レンズ９をサンプルステージ５１上に載置支持せしめた段階において、第２曲面部９４には、表面側から支持された状態での頂点Ｐが存在し、この頂点Ｐにおいて第２曲面部９４の接平面と垂直に交わる垂線Ｎ（測定光軸Ｌと平行）を設定することができる。被検レンズ９が設計データ通りに形成されていた場合、この垂線Ｎは、第２曲面部９４の第２軸線Ａ_２と一致するが、第２曲面部９４に面偏心等があると、これらは互いに一致しない。また、第２軸線Ａ_２の位置は、非球面で構成されている第１曲面部９３の第１軸線Ａ_１と異なり、被検レンズ９の全体の形状が測定された後でないと、特定することができない。さらに、被検レンズ９をサンプルステージ５１上に載置支持せしめた段階では、第２曲面部９４の上記垂線Ｎは、上記回転軸Ｒ_２（およびこれと一致している測定光軸Ｌ）の近傍に位置するものの、回転軸Ｒ_２と正確に一致しているとは限らない。そこで、垂線Ｎを回転軸Ｒ_２と正確に一致させる調整を、例えば、以下の手順で行う。

〔ａ〕フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、顕微干渉光学系１４を測定光軸Ｌ方向に順次移動させ、移動毎に、第２曲面部９４に対し測定光を照射して、第２曲面部９４から反射された戻り光と参照光との干渉光を、上記第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて取り込む。なお、顕微干渉光学系１４の移動量は、上記表面・側面測定距離調整部８１により自動制御される。

〔ｂ〕上述の、移動毎に取り込まれた干渉光の各光強度を上述の裏面・側面測定距離調整部８５において測定し、干渉光の光強度が最大となる最適位置（測定光が第２曲面部９４上で集光する位置）に、顕微干渉光学系１４を配置する。

〔ｃ〕上述の最適位置に配置された顕微干渉光学系１４から第２曲面部９４に対し測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ２７の２次元イメージセンサ２６を用いて撮像する。

〔ｄ〕撮像された干渉縞画像（垂線Ｎを中心とする同心のリング状の干渉縞画像）から、垂線Ｎと回転軸Ｒ_２（測定光軸Ｌ）との相対的な位置ずれを求め、垂線Ｎと回転軸Ｒ_２とが互いに一致するように、被被検体ＸＹ移動ステージ５３を用いて、サンプルステージ５１上の被検レンズ９の位置を調整する。これにより、垂線Ｎと回転軸Ｒ_２とが互いに一致する。

なお、この、垂線Ｎと回転軸Ｒ_２とが互いに一致した状態の被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢は、被検体裏面部を測定する際の基準姿勢として、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２において記憶され、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢を変更する際に利用される。

（Ｗ３）上記（Ｗ２）の手順に続き、第２曲面部９４の上記垂線Ｎを上記被検体回転ステージ５４の回転軸Ｒ_２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ５４を用いて、被検レンズ９を上記回転軸Ｒ_２回りに回転せしめる（被検体裏面回転ステップ）。なお、被検体回転ステージ５４は、上記被検体裏面回転指令部７２により駆動制御される。このときの回転速度は任意に設定することが可能であるが、第１実施形態では、例えば、０．１秒で１回転するように設定する。

（Ｗ４）次いで、回転せしめられる被検レンズ９に対し、図１に示す干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６を用いて、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対位置を変えながら、該顕微干渉光学系１４により被検レンズ９の第２曲面部９４、コバ部裏面９６およびコバ部側面９７を順次走査し、被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）の形状情報と被検体側面（コバ部側面９７）の形状情報（第２の形状情報）と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を、上記第１の座標系とは異なる他の座標系（以下「第２の座標系」と称する）において取得する（被検体裏面・側面形状情報取得ステップ）。なお、この被検体裏面・側面形状情報取得ステップは、具体的には、以下の手順で行われる。

｛ａ｝回転せしめられる被検レンズ９に対し、顕微干渉光学系１４の測定光軸Ｌの被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）との交点位置が該第２曲面部９４およびコバ部裏面９６の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌがその交点位置における第２曲面部９４およびコバ部裏面９６の接平面と垂直に交わるように、次いで、被検体側面（コバ部側面９７）上に測定光軸Ｌが移動し、かつ該測定光軸Ｌがその交点位置におけるコバ部側面９７の接平面と垂直に交わるように、干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６によって、被検レンズ９に対する顕微干渉光学系１４の相対姿勢を順次変化させる（図１３参照）。なお、第１実施形態では、第２曲面部９４、コバ部裏面９６およびコバ部側面９７の全領域を測定する。また、干渉計傾動ステージ３２、干渉計Ｚ移動ステージ３３および被検体Ｙ移動ステージ５６は、被検レンズ９の裏面部の設計データに基づき、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２により駆動される。さらに、相対姿勢を変化させる毎に、上述の手順（Ｗ２）の〔ａ〕，〔ｂ〕と同様に、上記裏面・側面測定距離調整部８５により、顕微干渉光学系１４の測定距離の調整が行われ、その測定距離の調整データは、顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２による相対姿勢の調整データと共に、上記被検体裏面・側面形状解析部８４に順次入力される。

｛ｂ｝相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１４から被検レンズ９に測定光を照射し、該測定光の、第２曲面部９４、コバ部裏面９６およびコバ部側面９７からの戻り光と参照光との干渉により形成される各裏面・側面回転位置別干渉縞（測定光軸Ｌと被検体裏面部との各交差部分の領域に対応した干渉縞）を、被検体裏面・側面の複数の回転位置毎に、上記第１撮像カメラ２４の１次元イメージセンサ２３により撮像し、その画像データを取得する。なお、各裏面・側面回転位置別干渉縞は、上記被検体裏面・側面干渉縞取得部８３の指令に基づき撮像され、その各画像データは、上記被検体裏面・側面形状解析部８４に順次入力される。撮像回数は任意に設定することが可能であるが、第１実施形態では、例えば、被検レンズ９が１回転する０．１秒の間に３６００回（被検レンズ９が０．１度回転する毎に１回）撮像するようにする。また、各裏面・側面回転位置別干渉縞が撮像される毎に、その撮像された時点での被検レンズ９の回転角度が回転エンコーダ５５により検出され、その回転位置の検出データが被検体裏面・側面形状解析部８４に順次入力される。

｛ｃ｝取得された裏面・側面回転位置別干渉縞と、該各裏面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における上記回転位置の検出データと、顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部８２による上記相対姿勢の調整データと、上記裏面・側面測定距離調整部８５による上記測定距離の調整データとに基づき、被検体裏面・側面形状解析部８４において、上述の被検体裏面・側面形状情報が求められる。

〈被検体全体形状解析〉
次に、上述の被検体表面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた被検体側面（コバ部側面９７）の第１の形状情報と、上述の被検体裏面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた被検体側面（コバ部側面９７）の第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）と被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報が、上記被検体全体情報取得部７５において求められる（被検体全体形状情報取得ステップ）。

すなわち、被検体側面の第１の形状情報と第２の形状情報とは、同じコバ部側面９７を測定したものなので、共通の座標系においては本来互いに一致するはずのものである。したがって、これらを共通の座標系において互いに一致させるように照合することにより、第１の形状情報が得られた上記第１の座標系と第２の形状情報が得られた上記第２の座標系との対応関係を明らかとすることが可能となる。

第１の形状情報によるコバ部側面９７と被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）との相対位置関係は、上記第１の座標系において特定されており、第２の形状情報によるコバ部側面９７と被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）との相対位置関係は、上記第２の座標系において特定されている。したがって、第１の座標系と第２の座標系との対応関係が明らかとなれば、被検体表面（第１曲面部９３およびコバ部表面９５）と被検体裏面（第２曲面部９４およびコバ部裏面９６）との相対位置関係も特定することが可能となり、これにより、上述の被検体全体形状情報を求めることができる。

また、この被検体全体形状情報に基づき、第１軸線Ａ_１と第２軸線Ａ_２との相対的な位置ずれ（面ずれ）および相対的な傾きずれ（面倒れ）と、第１軸線Ａ_１と第３軸線Ａ_３との相対的な位置ずれ（第１曲面部９３の面偏心）および第２軸線Ａ_１と第３軸線Ａ_３との相対的な位置ずれ（第２曲面部９４の面偏心）が、上記軸ずれ解析部７６により求められる。

さらに、上記被検体全体形状情報に基づき、上述の被検体側面の真円度および被検体側面の円柱度が、上記被検体側面解析部７７により求められる。

〈第２実施形態〉
次いで、図１９，図２０に基づいて、第２実施形態における被検体としての被検レンズ１０９の構成および測定対象となる項目について説明する。

図１９に示すように被検レンズ１０９は、設計上、第１軸線Ａ_１１を中心とする回転面状に形成された第１曲面部１９１（非球面で構成される）からなる被検体表面と、第２軸線Ａ_１２を中心とする回転面状に形成された第２曲面部１９２（球面で構成される）からなる被検体裏面と、円柱面状に形成されたコバ面１９３（被検レンズ１０９の端面部）とを有してなる。

なお、第２実施形態では、上述のように被検体表面および被検体裏面を定義しているが、図１９（Ａ）に示す被検レンズ１０９の上側の面を被検体裏面とし（この場合、番号１９１が指し示す曲面部を第２曲面部、符号Ａ_１１が指し示す軸線を第２軸線と称し）、下側の面を被検体表面とする（この場合、番号１９２が指し示す面を第１曲面部、符号Ａ_１２が指し示す軸線を第１軸線と称する）ことも可能である。

また、上述の被検レンズ１０９は、設計上、上述の第１軸線Ａ_１１および第２軸線Ａ_１２が、図中の第３軸線Ａ_１３（コバ面１９３の回転中心軸となっている）と互いに一致するように構成されているが、製造誤差により、これらが互いに一致しない場合がある。図では分かり易くするため、軸ずれの誤差を大きく表現しているが、通常は、光の波長オーダー以下の微小な誤差量となる。

第２実施形態においては、このような製造誤差により生じる面倒れや面ずれ等の、測定対象となる種々の項目を以下のように定義する。なお、ここで示す定義は、以下の説明を明確にするために便宜的に導入するものであり、他の定義の仕方も考えられる。

面倒れ：第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２との相対的な傾き角（第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２とのなす角；第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２とが互いに交わらない場合は、それぞれの方向ベクトルのなす角）を、被検レンズ１０９の面倒れ（上記傾き角の大きさを面倒れ量、第２軸線Ａ_１２に対する第１軸線Ａ_１１の傾き方向を面倒れ方向）と定義する。

面ずれ：第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２との相対的な位置ずれを、被検レンズ１０９の面ずれ（第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２との最短の共通垂線の長さを面ずれ量、該共通垂線の延びる方向を面ずれ方向）と定義する。

面偏心：第１軸線Ａ_１１と第３軸線Ａ_１３との相対的な位置ずれを、第１曲面部１９１の面偏心（第１軸線Ａ_１１と第３軸線Ａ_１３との最短の共通垂線の長さを第１曲面部１９１の面偏心量、該共通垂線の延びる方向を第１曲面部１９１の面偏心方向）と定義する。同様に、第２軸線Ａ_１２と第３軸線Ａ_１３との相対的な位置ずれを、第２曲面部１９２の面偏心（第２軸線Ａ_１２と第３軸線Ａ_１３との最短の共通垂線の長さを第２曲面部１９２の面偏心量、該共通垂線の延びる方向を第２曲面部１９２の面偏心方向）と定義する。

次に、第２実施形態の３次元形状測定装置について説明する。

図１４に示すように第２実施形態の３次元形状測定装置は、顕微干渉計１０１、該顕微干渉計１０１の姿勢や位置を調整する測定系アライメント部１０３、被検レンズ１０９の姿勢や位置を調整する被検体アライメント部１０５、被検レンズ１０９を保持する保持治具１０６および解析制御装置１０７を備えてなる。

上記保持治具１０６は、図２０に示すように、その内周面１６１および外周面１６２が共に軸線Ｃ´を中心とする円柱面状に形成されたリング状の部材であり、その外周面１６２には、当該保持治具１０６の図中上側の面の外縁部から外周面１６２を縦断して図中下側の面の外縁部まで延びる直線状の位置検出用マーク１６３，１６４，１６５が、軸線Ｃ´に対して互いに回転非対称な３つの位置にそれぞれ形成されている。なお、これらの位置検出用マーク１６３，１６４，１６５は、上記顕微干渉計１０１により形状として検出し得るように、例えば、微小な溝または凸条により形成される。

また、この保持治具１０６は、内周面６１の径が被検レンズ１０９のコバ面１９３の径よりも若干大きくなるように形成されており、図２１に示すように、被検レンズ１０９をコバ面１９３の径方向外方から囲むように配置され、内周面１６１とコバ面１９３との隙間に塗布された接着剤により、被検レンズ１０９との相対位置が変わらないように固定される。なお、接着剤で固定する替わりに、保持治具１０６の内周面１６１に複数（例えば３個）の突起部を径方向に移動可能に設け、この突起部をバネやネジの力によって被検レンズ１０９に押圧することによって、被検レンズ１０９に対し保持治具１０６を固定するように構成することも可能であるが、このような態様とする場合には、押圧する力によって被検レンズ１０９に強い内部応力が発生しないように留意する必要がある。

上記顕微干渉計１０１は、図１５に示すように、測定光照射系１１０および撮像系１２０を備えており、該測定光照射系１１０は、低可干渉性の光束を測定光として出力する、ＬＥＤやＳＬＤ等からなる光源部１１１と、該光源部１１１から出力された測定光をコリメートするコリメータレンズ１１２と、該コリメータレンズ１１２からの測定光を図中下方に向けて反射する光束分岐光学素子１１３と、該光束分岐光学素子１１３からの測定光を、測定光軸Ｌ´に沿って被検レンズ１０９に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る、測定プローブとしての顕微干渉光学系１１４と、を備えてなる。

この顕微干渉光学系１１４は、ミロー型の対物系を構成するものであり、光束分岐光学素子１１３からの測定光を平行光から収束光に変換する収束レンズ１１５と、該収束レンズ１１５の図中下側に配された透明平板１１６と、該透明平板１１６の図中上側の面に配された反射素子１１７と、収束レンズ１１５からの測定光の光路上に配された半透過反射素子１１８とが、鏡胴１１９内に配設されてなる。半透過反射素子１１８は、収束レンズ１１５からの測定光の一部を反射するとともに、その余を透過して被検レンズ１０９に向けて出力するように構成されている。この半透過反射素子１１８で反射された光は反射素子１１７に集光し、該反射素子１１７において反射されて再び半透過反射素子１１８に入射する。この入射光の一部が半透過反射素子１１８において反射されて参照光とされ、被検レンズ１０９に照射された測定光の集光領域からの戻り光と合波されることにより、干渉光が得られるようになっている。

また、この顕微干渉光学系１１４は、ピエゾ素子１２９を備えたフリンジスキャンアダプタ１２８に保持され、測定時における被検レンズ１０９との微小な距離調整がなされるともに、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｌ方向に微動せしめられるように構成されている。

一方、上記撮像系１２０は、顕微干渉光学系１１４から光束分岐光学素子１１３を透過して図中上方に進行する干渉光を分岐する光束分岐光学素子１２１と、主に被検レンズ１０９が回転しているときに撮像を行う第１の撮像系１２０Ａと、主に被検レンズ１０９が停止しているときに撮像を行う第２の撮像系１２０Ｂと、を備えている。

第１の撮像系１２０Ａは、光束分岐光学素子１２１を透過して図中上方に進行する干渉光を集光する結像レンズ１２２と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ１２３を有してなる第１撮像カメラ１２４とを備えてなり、第１結像レンズ１２２により１次元イメージセンサ１２３上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。これに対し、第２の撮像系１２０Ｂは、光束分岐光学素子１２１により図中右方に反射された干渉光を集光する結像レンズ１２５と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ１２６を有してなる第２撮像カメラ１２７とを備えてなり、第２結像レンズ１２５により２次元イメージセンサ１２６上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

また、図１４に示すように上記測定系アライメント部１０３は、上記顕微干渉計１０１に固定されたブラケット１３１と、該ブラケット１３１を介して顕微干渉計１０１を、図中のＸ軸方向に延びる回転軸Ｒ_１１を中心として傾動可能に保持する干渉計傾動ステージ１３２（第２実施形態における傾動手段）と、該干渉計傾動ステージ１３２等と共に顕微干渉計１０１を、図中のＺ軸方向に移動せしめる干渉計Ｚ移動ステージ１３３と、該干渉計Ｚ移動ステージ１３３等と共に顕微干渉計１０１を、図中のＹ軸回りに傾動せしめる干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４と、該干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４等と共に顕微干渉計１０１を、図中のＸ軸方向に移動せしめる干渉計Ｘ移動ステージ１３５と、を備えてなる。

また、上記被検体アライメント部１０５は、図１４に示すように、真空引き等により被検レンズ１０９を表面側または裏面側から保持するサンプルステージ１５１（第２実施形態における被検体保持手段）と、該サンプルステージ１５１を介して被検レンズ１０９を、図中のＸ軸回りおよびＹ軸回りに傾動せしめる被検体ＸＹ傾斜ステージ１５２と、該被検体ＸＹ傾斜ステージ１５２等と共に被検レンズ１０９を、図中のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動せしめる被検体ＸＹ移動ステージ１５３と、該被検体ＸＹ移動ステージ１５３等と共に被検レンズ１０９を、図中のＺ軸方向に延びる回転軸Ｒ_１２の回りに回転せしめる被検体回転ステージ１５４（第２実施形態における被検体回転手段）と、該被検体回転ステージ１５４内に搭載され、該被検体回転ステージ１５４の回転角度（被検体回転ステージ１５４により回転せしめられる被検レンズ１０９の回転軸Ｒ_１２回りの回転位置）を検出する回転エンコーダ１５５と、上記被検体回転ステージ１５５等と共に被検レンズ１０９を、図中のＹ軸方向に移動せしめる被検体Ｙ移動ステージ１５６と、を備えてなる。

なお、第２実施形態では、上述の干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４、干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６により、相対位置変更手段が構成されており、回転エンコーダ１５５により回転位置検出手段が構成されている。

また、上記解析制御装置１０７は、上記撮像系１２０により取得された干渉縞の画像データに基づき被検レンズ１０９の形状データを求めたり、上記測定系アライメント部１０３および上記被検体アライメント部１０５における各ステージ等の駆動を制御したりするものであり、図１６に示すように、当該解析制御装置７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される被検体表面回転指令部１７１、被検体裏面回転指令部１７２、被検体表面・保持治具外周面形状情報取得部１７３、被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得部１７４、被検体表裏面形状情報取得部１７５および軸ずれ解析部１７６を備えてなる。

上記被検体表面回転指令部１７１は、サンプルステージ１５１により裏面側から保持された被検レンズ１０９を、上記第１軸線Ａ_１１を上記被検体回転ステージ１５４の回転軸Ｒ_１２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ１５４により回転せしめるものである。

上記被検体裏面回転指令部１７２は、サンプルステージ１５１により表面側から保持された被検レンズ１０９を、表面側から保持された状態での上記第２曲面部１９２の頂点Ｐ´における垂線Ｎ´（図２４参照）を上記被検体回転ステージ１５４の回転軸Ｒ_１２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ１５４により回転せしめるものである。

上記被検体表面・保持治具外周面形状情報取得部１７３は、被検体表面回転指令部１７１により回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との相対位置を変えながら、顕微干渉光学系１１４により被検体表面（第１曲面部１９１）および保持治具１０６の外周面１６２を走査し、該第１曲面部１９１の形状情報と該外周面１６２の第１の形状情報と該第１曲面部１９１および該外周面１６２の相対位置情報とを含んだ被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得するものである。

上記被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得部１７４は、被検体裏面回転指令部１７２により回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との相対位置を変えながら、顕微干渉光学系１１４により被検体裏面（第２曲面部１９２）および保持治具１０６の外周面１６２を走査し、該第２曲面部１９２の形状情報と該外周面１６２の第２の形状情報と該第２曲面部１９２および該外周面１６２の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・保持治具外周面形状情報を取得するものである。

上記被検体表裏面形状情報取得部１７５は、被検体表面・保持治具外周面形状情報取得部１７３により得られた上記外周面１６２の第１の形状情報と、被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得部１７４により得られた上記外周面１６２の第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面（第１曲面部１９１）と被検体裏面（第２曲面部１９２）との相対位置情報を含んだ被検体表裏面形状情報を求めるものである。

上記軸ずれ解析部１７６は、上記被検体表裏面形状情報に基づき、上記第１軸線Ａ_１１と上記第２軸線Ａ_１２との相対的な位置ずれ（面ずれ）および相対的な傾きずれ（面倒れ）を求めるものである。

また、図１７に示すように、上記被検体表面・保持治具外周面形状情報取得部１７３は、上記解析制御装置１０７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８、被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得部１７９、被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０および表面・外周面測定距離調整部１８１を備えてなる。

上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８は、上記被検体表面回転指令部１７１により回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、該被検レンズ１０９の被検体表面（第１曲面部１９１）の設計データに基づき、上記測定光軸Ｌ´の第１曲面部１９１との交点位置が該第１曲面部１９１の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌ´が上記交点位置における第１曲面部１９１の接平面と垂直に交わるように、および保持治具１０６の外周面１６２上に上記測定光軸Ｌ´が移動し、かつ該測定光軸Ｌ´が外周面１６２との交点位置における該外周面１６２の接平面と垂直に交わるように、上記相対位置変更手段（干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４、干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６）により、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との相対姿勢を順次変更するものである。

上記被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得部１７９は、上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８により上記相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１１４から被検レンズ１０９に測定光を照射せしめ、該測定光の第１曲面部１９１または保持治具１０６の外周面１６２からの戻り光と参照光との干渉により形成される、測定光軸Ｌ´と第１曲面部１９１または外周面１６２との各交差部分の領域に対応した各表面・外周面回転位置別干渉縞を、被検レンズ１０９の複数の表面・外周面回転位置毎に上記第１撮像カメラ１２４の１次元イメージセンサ１２３により撮像せしめ、上記各表面・外周面回転位置別干渉縞の画像データを取得するものである。

上記表面・外周面測定距離調整部１８１は、上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８により上記相対姿勢が変更される変更される毎に、上記第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６が取り込んだ干渉光（姿勢変更時干渉光）の光強度に基づき、測定光の集光点が第１曲面部１９１または保持治具１０６の外周面１６２上に位置するように、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との測定距離を微調整するものである。

上記被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０は、上記各表面・外周面回転位置別干渉縞と、該各表面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、上記回転エンコーダ１５５による上記回転位置の検出データと、上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８による上記相対姿勢の調整データと、上記表面・外周面測定距離調整部１８１による上記測定距離の調整データとに基づき、上記被検体表面・保持治具外周面形状情報を求めるものである。

また、図１８に示すように、上記被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得部１７４は、上記解析制御装置１０７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２、被検体裏面・保持治具外周面干渉縞取得部１８３、被検体裏面・保持治具外周面形状解析部１８４および裏面・外周面測定距離調整部１８５を備えてなる。

上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２は、上記被検体裏面回転指令部１７２により回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、該被検レンズ１０９の被検体裏面（第２曲面部１９２）の設計データに基づき、上記測定光軸Ｌの第２曲面部１９２との交点位置が該第２曲面部１９２の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌが上記交点位置における第２曲面部１９２の接平面と垂直に交わるように、および保持治具１０６の外周面１６２上に上記測定光軸Ｌが移動し、かつ該測定光軸Ｌが外周面１６２との交点位置における該外周面１６２の接平面と垂直に交わるように、上記相対位置変更手段（干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３、干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４、干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６）により、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との相対姿勢を順次変更するものである。

上記被検体裏面・保持治具外周面干渉縞取得部１８３は、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２により上記相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１１４から被検レンズ１０９に測定光を照射せしめ、該測定光の第２曲面部１９２または保持治具１０６の外周面１６２からの戻り光と参照光との干渉により形成される、測定光軸Ｌ´と第２曲面部１９２または外周面１６２との各交差部分の領域に対応した各裏面・保持治具外周面回転位置別干渉縞を、被検レンズ１０９の複数の裏面・外周面回転位置毎に上記第１撮像カメラ１２４の１次元イメージセンサ１２３により撮像せしめ、上記各裏面・外周面回転位置別干渉縞の画像データを取得するものである。

上記裏面・外周面測定距離調整部１８５は、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２により上記相対姿勢が変更される変更される毎に、上記第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６が取り込んだ干渉光（姿勢変更時干渉光）の光強度に基づき、測定光の集光点が第２曲面部１９２または保持治具１０６の外周面１６２上に位置するように、顕微干渉光学系１１４と被検レンズ１０９との測定距離を微調整するものである。

上記被検体裏面・保持治具外周面形状解析部１８４は、上記各裏面・外周面回転位置別干渉縞と、該各裏面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、上記回転エンコーダ１５５による上記回転位置の検出データと、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２による上記相対姿勢の調整データと、上記裏面・外周面測定距離調整部１８５による上記測定距離の調整データとに基づき、上記被検体裏面・外周面形状情報を求めるものである。

以下、本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定方法について説明する。第２実施形態の３次元形状測定方法は、上述の第２実施形態の３次元形状測定装置を用いて行うものである。

〈アライメント部の初期調整〉
まず、測定に先立って行われる、上述の測定系アライメント部１０３と被検体アライメント部１０５との初期調整について説明する。この初期調整は、サンプルステージ１５１上に被検レンズ１０９を載置する前に、顕微干渉計１０１の測定光軸Ｌ´と被検体回転ステージ１５４の回転軸Ｒ_１２とを高精度に一致させるために行うものであり、以下の手順で行われる。

（Ｊ１）まず、被検体回転ステージ１５４は停止した状態で、図１４に示す被検体回転ステージ１５４の回転円盤面１５４ａ（高精度に平滑であるとする）上に顕微干渉計１０１からの測定光が集光照射されるように、干渉計Ｚ移動ステージ１３３、干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６を用いて、顕微干渉計１０１と被検体回転ステージ１５４との相対位置を調整する。なお、この相対位置の調整は、オペレータが、顕微干渉計１０１と回転円盤面１５４ａとの相対位置を確認しながら手動操作により行うが、顕微干渉計１０１と回転円盤面１５４ａとの相対位置を装置が認識し得るように構成して自動的に行うようにしてもよい。

（Ｊ２）次に、相対位置が調整された顕微干渉計１０１から、回転円盤面１５４ａ上に測定光を照射し、その戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞を、図１５に示す第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて撮像し、この撮像された干渉縞がヌル縞状態となるように、図１４に示す干渉計傾動ステージ１３２および干渉計Ｙ傾斜ステージ１３４を用いて、顕微干渉計１０１の傾きを調整する。これにより、測定光軸Ｌ´と回転軸Ｒ_１２とが互いに平行となる。

（Ｊ３）続いて、サンプルステージ１５１上に、表裏面が高精度に平滑化された平行平板（図示略）を載置し、この平行平板表面（顕微干渉計１０１側の面）に、顕微干渉計１０１からの測定光が集光照射されるように、干渉計Ｚ移動ステージ１３３、干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６を用いて、顕微干渉計１０１とサンプルステージ１５１との相対位置を調整する。

（Ｊ４）次に、相対位置が調整された顕微干渉計１０１から、平行平板表面に測定光を照射し、その戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞を、第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて撮像し、この撮像された干渉縞がヌル縞状態となるように、図１４に示す被検体ＸＹ傾斜ステージ１５２を用いて、サンプルステージ１５１上の平行平板の傾きを調整する。これにより、平行平板表面と回転軸Ｒ_１２および測定光軸Ｌ´とが互いに垂直な状態となる。

（Ｊ５）次いで、平行平板表面上に、図９に示す調整用治具４を載置固定する。

（Ｊ６）次に、上記被検体回転ステージ１５４を用いて、調整用治具４を回転軸Ｒ_１２回りに回転させるとともに、顕微干渉計１０１から、回転する調整用治具４に対して測定光を照射し、上記３つの反射平面４１〜４３からの各戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される、該３つの反射平面４１〜４３に対応した３つの干渉縞画像を、第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて、調整用治具４の複数の回転位置毎に撮像する。

（Ｊ７）次いで、複数の回転位置毎に撮像された各３つの干渉縞画像から、上記調整用治具４の交点Ｍの回転軌跡を求め、この回転軌跡の中心として上記回転軸Ｒ_１２の位置を特定する。そして、位置が特定された回転軸Ｒ_１２に、測定光軸Ｌ´が一致するように、図１４に示す干渉計Ｘ移動ステージ１３５および被検体Ｙ移動ステージ１５６を用いて、顕微干渉計１０１と被検体回転ステージ１５４との相対位置を調整する。これにより、測定系アライメント部１０３と被検体アライメント部１０５との初期調整が完了する。

〈被検体表面・保持治具外周面形状測定〉
次に、被検レンズ１０９の表面部（第１曲面部１９１と保持治具１０６の外周面１６２とを含む領域）の測定を、以下の手順で行う。

（Ｋ１）まず、サンプルステージ１５１を用いて被検レンズ１０９を、第１曲面部１９１が顕微干渉計１０１と対向するように、保持治具６を介して裏面側から保持せしめる（被検体裏面保持ステップ、図２２参照）。なお、被検レンズ１０９をサンプルステージ５１上に載置保持した段階では、第１曲面部１９１の第１軸線Ａ_１１は、上記回転軸Ｒ_１２（およびこれと一致している測定光軸Ｌ´）の近傍に位置するものの、回転軸Ｒ_１２と正確に一致しているとは限らない。そこで、第１軸線Ａ_１１を回転軸Ｒ_１２と正確に一致させる調整を、例えば、以下の手順で行う。

〈ａ〉フリンジスキャンアダプタ１２８を用いて、顕微干渉光学系１１４を測定光軸Ｌ´方向に順次移動させ、移動毎に、第１曲面部１９１に対し測定光を照射して、第１曲面部１９１から反射された戻り光と参照光との干渉光を、上記第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて取り込む。なお、顕微干渉光学系１１４の移動量は、上記表面・外周面測定距離調整部１８１により自動制御される。

〈ｂ〉上述の、移動毎に取り込まれた干渉光の各光強度を上述の表面・外周面測定距離調整部１８１において測定し、干渉光の光強度が最大となる最適位置（測定光が第１曲面部１９１上で集光する位置）に、顕微干渉光学系１１４を配置する。

〈ｃ〉上述の最適位置に配置された顕微干渉光学系１１４から第１曲面部１９１に対し測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて撮像する。

〈ｄ〉撮像された干渉縞画像から、第１曲面部１９１の一部領域（干渉縞画像と対応した領域）の形状情報を求める。

〈ｅ〉求められた形状情報を、被検レンズ１０９の第１曲面部１９１の設計データと照合し、その照合結果から、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２（測定光軸Ｌ´）との相対的な傾きずれを求め、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２とが互いに平行となるように、被検体ＸＹ傾斜ステージ１５２を用いて、サンプルステージ１５１上の被検レンズ１０９の傾きを調整する。

〈ｆ〉この傾きの調整後、再び、被検レンズ１０９の第１曲面部１９１に、顕微干渉光学系１１４から測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて撮像する。

〈ｇ〉撮像された干渉縞画像（第１軸線Ａ_１１と第１曲面部１９１との交点位置を中心とする同心のリング状の干渉縞画像）から、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２（測定光軸Ｌ´）との相対的な位置ずれを求め、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致するように、被被検体ＸＹ移動ステージ１５３を用いて、サンプルステージ１５１上の被検レンズ１０９の位置を調整する。これにより、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致する。

なお、この、第１軸線Ａ_１１と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致した状態の被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢は、被検体表面部を測定する際の基準姿勢として、上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８において記憶され、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢を変更する際に利用される。

（Ｋ２）上記（Ｋ１）の手順に続き、第１曲面部１９１の上記第１軸線Ａ_１１を上記被検体回転ステージ１５４の回転軸Ｒ_１２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ１５４を用いて、被検レンズ１０９を上記回転軸Ｒ_１２回りに回転せしめる（被検体表面回転ステップ）。なお、被検体回転ステージ１５４は、上記被検体表面回転指令部１７１により駆動制御される。このときの回転速度は任意に設定することが可能であるが、第２実施形態では、例えば、０．１秒で１回転するように設定する。

（Ｋ３）次いで、回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、図１４に示す干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ１５６を用いて、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対位置を変えながら、該顕微干渉光学系１１４により被検レンズ１０９の第１曲面部１９１および保持治具１０６の外周面１６２を順次走査し、第１曲面部１９１の形状情報と保持治具１０６の外周面１６２の形状情報（第１の形状情報）と該第１曲面部１９１および該外周面１６２の相対位置情報とを含んだ被検体表面・保持治具外周面形状情報を、所定の座標系（以下「第３の座標系」と称する）において取得する（被検体表面・保持治具外周面形状情報取得ステップ）。なお、この被検体表面・保持治具外周面形状情報取得ステップは、具体的には、以下の手順で行われる。

［ａ］回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、顕微干渉光学系１１４の測定光軸Ｌ´の第１曲面部１９１との交点位置が該第１曲面部１９１の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌ´がその交点位置における第１曲面部１９１の接平面と垂直に交わるように、次いで、保持治具１０６の外周面１６２上に測定光軸Ｌ´が移動し、かつ該測定光軸Ｌ´がその交点位置における外周面１６２の接平面と垂直に交わるように、干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ５６によって、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢を順次変化させる（図１１参照）。なお、第２実施形態では、第１曲面部１９１および外周面１６２の全領域を測定する。また、干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ１５６は、被検レンズ１０９の表面部の設計データに基づき、上記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８により駆動される。さらに、相対姿勢を変化させる毎に、上述の手順（Ｋ１）の〈ａ〉，〈ｂ〉と同様に、上記表面・外周面測定距離調整部１８１により、顕微干渉光学系１１４の測定距離の調整が行われ、その測定距離の調整データは、顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８による相対姿勢の調整データと共に、上記被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０に順次入力される。

［ｂ］相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１１４から被検レンズ１０９に測定光を照射し、該測定光の、第１曲面部１９１および外周面１６２からの戻り光と参照光との干渉により形成される各表面・外周面回転位置別干渉縞（測定光軸Ｌ´と第１曲面部１９１または外周面１６２との各交差部分の領域に対応した干渉縞）を、被検体表面・保持治具外周面の複数の回転位置毎に、上記第１撮像カメラ１２４の１次元イメージセンサ１２３により撮像し、その画像データを取得する。なお、各表面・外周面回転位置別干渉縞は、上記被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得部１７９の指令に基づき撮像され、その各画像データは、上記被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０に順次入力される。撮像回数は任意に設定することが可能であるが、第２実施形態では、例えば、被検レンズ１０９が１回転する０．１秒の間に３６００回（被検レンズ１０９が０．１度回転する毎に１回）撮像するようにする。また、各表面・外周面回転位置別干渉縞が撮像される毎に、その撮像された時点での被検レンズ１０９の回転角度が回転エンコーダ１５５により検出され、その回転位置の検出データが被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０に順次入力される。

［ｃ］取得された表面・外周面回転位置別干渉縞と、該各表面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における上記回転位置の検出データと、顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部１７８による上記相対姿勢の調整データと、上記表面・外周面測定距離調整部１８１による上記測定距離の調整データとに基づき、被検体表面・保持治具外周面形状解析部１８０において、上述の被検体表面・保持治具外周面形状情報が求められる。

〈被検体裏面・保持治具外周面形状測定〉
次に、被検レンズ１０９の裏面部（第２曲面部１９２と保持治具１０６の外周面１６２とを含む領域）の測定を、以下の手順で行う。

（Ｌ１）まず、顕微干渉計１０１と被検体回転ステージ１５４との相対位置を、上述の、測定系アライメント部１０３と被検体アライメント部１０５との初期調整が完了したときの状態に戻す。

（Ｌ２）次に、サンプルステージ１５１を用いて被検レンズ１０９を、第２曲面部１９２が顕微干渉計１０１と対向するように、保持治具１０６を介して表面側から保持せしめる（被検体表面保持ステップ、図２４参照）。なお、第２曲面部１９２は球面で構成されているので、被検レンズ１０９をサンプルステージ１５１上に載置保持した段階において、第２曲面部１９２には、表面側から保持された状態での頂点Ｐ´が存在し、この頂点Ｐ´において第２曲面部１９２の接平面と垂直に交わる垂線Ｎ´（測定光軸Ｌ´と平行）を設定することができる。被検レンズ１０９が設計データ通りに形成されていた場合、この垂線Ｎ´は、第２曲面部１９２の第２軸線Ａ_２と一致するが、第２曲面部１９２に面倒れ等があると、これらは互いに一致しない。また、第２軸線Ａ_２の位置は、非球面で構成されている第１曲面部１９１の第１軸線Ａ_１１とは異なり、被検レンズ１０９の全体の形状が測定された後でないと、特定することができない。さらに、被検レンズ１０９をサンプルステージ１５１上に載置保持した段階では、第２曲面部１９２の上記垂線Ｎ´は、上記回転軸Ｒ_１２（およびこれと一致している測定光軸Ｌ´）の近傍に位置するものの、回転軸Ｒ_１２と正確に一致しているとは限らない。そこで、垂線Ｎ´を回転軸Ｒ_１２と正確に一致させる調整を、例えば、以下の手順で行う。

〔ａ〕フリンジスキャンアダプタ１２８を用いて、顕微干渉光学系１１４を測定光軸Ｌ´方向に順次移動させ、移動毎に、第２曲面部１９２に対し測定光を照射して、第２曲面部１９２から反射された戻り光と参照光との干渉光を、上記第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて取り込む。なお、顕微干渉光学系１１４の移動量は、上記裏面・外周面測定距離調整部１８５により自動制御される。

〔ｂ〕上述の、移動毎に取り込まれた干渉光の各光強度を上述の裏面・外周面測定距離調整部１８５において測定し、干渉光の光強度が最大となる最適位置（測定光が第２曲面部１９２上で集光する位置）に、顕微干渉光学系１１４を配置する。

〔ｃ〕上述の最適位置に配置された顕微干渉光学系１１４から第２曲面部１９２に対し測定光を照射し、その戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される干渉縞画像を、第２撮像カメラ１２７の２次元イメージセンサ１２６を用いて撮像する。

〔ｄ〕撮像された干渉縞画像（垂線Ｎ´を中心とする同心のリング状の干渉縞画像）から、垂線Ｎ´と回転軸Ｒ_１２（測定光軸Ｌ´）との相対的な位置ずれを求め、垂線Ｎ´と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致するように、被被検体ＸＹ移動ステージ１５３を用いて、サンプルステージ１５１上の被検レンズ１０９の位置を調整する。これにより、垂線Ｎ´と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致する。

なお、この、垂線Ｎ´と回転軸Ｒ_１２とが互いに一致した状態の被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢は、被検体裏面部を測定する際の基準姿勢として、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２において記憶され、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢を変更する際に利用される。

（Ｌ３）上記（Ｌ２）の手順に続き、第２曲面部１９２の上記垂線Ｎ´を上記被検体回転ステージ１５４の回転軸Ｒ_１２と一致させた状態で、該被検体回転ステージ１５４を用いて、被検レンズ１０９を上記回転軸Ｒ_１２回りに回転せしめる（被検体裏面回転ステップ）。なお、被検体回転ステージ１５４は、上記被検体裏面回転指令部１７２により駆動制御される。このときの回転速度は任意に設定することが可能であるが、第２実施形態では、例えば、０．１秒で１回転するように設定する。

（Ｌ４）次いで、回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、図１４に示す干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ１５６を用いて、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対位置を変えながら、該顕微干渉光学系１１４により被検レンズ１０９の第２曲面部１９２および保持治具１０６の外周面１６２を順次走査し、第２曲面部１９２の形状情報と保持治具１０６の外周面１６２の形状情報（第２の形状情報）と該第２曲面部１９２と該外周面１６２の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・保持治具外周面形状情報を、上記第３の座標系とは異なる他の座標系（以下「第４の座標系」と称する）において取得する（被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得ステップ）。なお、この被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得ステップは、具体的には、以下の手順で行われる。

｛ａ｝回転せしめられる被検レンズ１０９に対し、顕微干渉光学系１１４の測定光軸Ｌ´の第２曲面部１９２との交点位置が該第２曲面部１９２の径方向に移動し、かつ該移動毎に測定光軸Ｌ´がその交点位置における第２曲面部１９２の接平面と垂直に交わるように、次いで、保持治具１０６の外周面１６２上に測定光軸Ｌ´が移動し、かつ該測定光軸Ｌ´がその交点位置における外周面１６２の接平面と垂直に交わるように、干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ１５６によって、被検レンズ１０９に対する顕微干渉光学系１１４の相対姿勢を順次変化させる（図２５参照）。なお、第２実施形態では、第２曲面部１９２および外周面１６２の全領域を測定する。また、干渉計傾動ステージ１３２、干渉計Ｚ移動ステージ１３３および被検体Ｙ移動ステージ１５６は、被検レンズ１０９の裏面部の設計データに基づき、上記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２により駆動される。さらに、相対姿勢を変化させる毎に、上述の手順（Ｌ２）の〔ａ〕，〔ｂ〕と同様に、上記裏面・外周面測定距離調整部１８５により、顕微干渉光学系１１４の測定距離の調整が行われ、その測定距離の調整データは、顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部１８２による相対姿勢の調整データと共に、上記被検体裏面・保持治具外周面形状解析部１８４に順次入力される。

｛ｂ｝相対姿勢が順次変更される顕微干渉光学系１１４から被検レンズ１０９に測定光を照射し、該測定光の、第２曲面部１９２および外周面１６２からの戻り光と参照光との干渉により形成される各裏面・外周面回転位置別干渉縞（測定光軸Ｌ´と第２曲面部１９２または外周面１６２との各交差部分の領域に対応した干渉縞）を、被検体裏面・保持具外周面の複数の回転位置毎に、上記第１撮像カメラ１２４の１次元イメージセンサ１２３により撮像し、その画像データを取得する。なお、各裏面・外周面回転位置別干渉縞は、上記被検体裏面・保持具外周面干渉縞取得部１８３の指令に基づき撮像され、その各画像データは、上記被検体裏面・保持具外周面形状解析部１８４に順次入力される。撮像回数は任意に設定することが可能であるが、第２実施形態では、例えば、被検レンズ１０９が１回転する０．１秒の間に３６００回（被検レンズ１０９が０．１度回転する毎に１回）撮像するようにする。また、各裏面・外周面回転位置別干渉縞が撮像される毎に、その撮像された時点での被検レンズ１０９の回転角度が回転エンコーダ１５５により検出され、その回転位置の検出データが被検体裏面・保持具外周面形状解析部１８４に順次入力される。

｛ｃ｝取得された裏面・外周面回転位置別干渉縞と、該各裏面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における上記回転位置の検出データと、顕微干渉光学系／被検体裏面・保持具外周面姿勢調整部１８２による上記相対姿勢の調整データと、上記裏面・外周面測定距離調整部１８５による上記測定距離の調整データとに基づき、被検体裏面・保持具外周面形状解析部１８４において、上述の被検体裏面・側面形状情報が求められる。

〈被検体表裏面形状解析〉
次に、上述の被検体表面・保持具外周面形状情報取得ステップにおいて得られた保持治具１０６の外周面１６２の第１の形状情報と、上述の被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得ステップにおいて得られた保持治具１０６の外周面１６２の第２の形状情報とを互いに照合することにより、被検体表面（第１曲面部１９１）と被検体裏面（第２曲面部１９２）との相対位置情報を含んだ被検体表裏面形状情報が、上記被検体表裏面情報取得部１７５において求められる（被検体表裏面形状情報取得ステップ）。なお、保持治具１０６の外周面１６２に形成されている上記位置検出用マーク１６３，１６４，１６５は、第１の形状情報と第２の形状情報とを互いに照合する際の位置合わせの指標として利用される。

保持治具１０６の外周面１６２に関する第１の形状情報と第２の形状情報とは、同じ保持治具１０６の外周面１６２を測定したものなので、共通の座標系においては、上記位置検出用マーク１６３，１６４，１６５の形成位置を含めて、本来互いに一致するはずのものである。したがって、これらを共通の座標系において互いに一致させるように照合することにより、第１の形状情報が得られた上記第３の座標系と第２の形状情報が得られた上記第４の座標系との対応関係を明らかとすることが可能となる。

第１の形状情報による外周面１６２と第１曲面部１９１との相対位置関係は、上記第３の座標系において特定されており、第２の形状情報による外周面１６２と第２曲面部１９２との相対位置関係は、上記第４の座標系において特定されている。したがって、第３の座標系と第４の座標系との対応関係が明らかとなれば、被検体表面（第１曲面部１９１）と被検体裏面（第２曲面部１９２）との相対位置関係も特定することが可能となり、これにより、上述の被検体表裏面形状情報を求めることができる。

また、この被検体表裏面形状情報に基づき、第１軸線Ａ_１１と第２軸線Ａ_１２との相対的な位置ずれ（面ずれ）および相対的な傾きずれ（面倒れ）と、第１軸線Ａ_１１と第３軸線Ａ_１３との相対的な位置ずれ（第１曲面部１９１の面偏心）および第２軸線Ａ_１と第３軸線Ａ_１３との相対的な位置ずれ（第２曲面部１９２の面偏心）が、上記軸ずれ解析部１７６により求められる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上述の第１実施形態では、被検レンズ９の第１曲面部９３が非球面で構成され、第２曲面部９４が球面で構成されているとしているが、第１曲面部９３が球面で構成されているとしてもよく、第２曲面部９４が非球面で構成されているとしてもよい。第１曲面部９３が球面で構成されているとした場合、その測定手順は、上述した第２曲面部９４の測定手順に準じて行えばよい。すなわち、この場合には、上記回転軸Ｒ_２を、被検レンズ９が裏面側から支持された状態での第１曲面部９３の垂線（図示略）に一致させて測定を行えばよい。一方、第２曲面部９４が非球面で構成されているとした場合、その測定手順は、上述した第１曲面部９３の測定手順に準じて行えばよい。すなわち、この場合には、上記回転軸Ｒ_２を第２曲面部９４の第２軸線Ａ_２に一致させて測定を行えばよい。

同様に、上述の第２実施形態では、被検レンズ１０９の第１曲面部１９１が非球面で構成され、第２曲面部１９２が球面で構成されているとしているが、第１曲面部１９１が球面で構成されているとしてもよく、第２曲面部１９２が非球面で構成されているとしてもよい。第１曲面部１９１が球面で構成されているとした場合、その測定手順は、上述した第２曲面部１９２の測定手順に準じて行えばよい。すなわち、この場合には、上記回転軸Ｒ_１２を、被検レンズ１０９が裏面側から保持された状態での第１曲面部１９１の垂線（図示略）に一致させて測定を行えばよい。一方、第２曲面部１９２が非球面で構成されているとした場合、その測定手順は、上述した第１曲面部１９１の測定手順に準じて行えばよい。すなわち、この場合には、上記回転軸Ｒ_１２を第２曲面部１９２の第２軸線Ａ_１２に一致させて測定を行えばよい。

また、上述の第１実施形態では、被検体側面（コバ部側面９７）の全域を測定しているが、被検体側面の真円度や円柱度（特に円柱度）を求めない場合には、被検体側面の一部領域のみを測定するようにしてもよい。ただし、被検体表面と被検体裏面との相対位置関係を求めるため、被検体の表面部の測定を行う場合の被検体側面の被測定領域と、裏面部の測定を行う場合の被検体側面の被測定領域とは、互いに少なくとも一部が重複するように設定する必要がある。

同様に、上述の第２実施形態では、保持治具１０６の外周面１６２の全域を測定しているが、その一部領域のみを測定するようにしてもよい。ただし、被検体表面と被検体裏面との相対位置関係を求めるため、被検体の表面部の測定を行う場合における保持治具１０６の外周面１６２の被測定領域と、裏面部の測定を行う場合における保持治具１０６の外周面１６２の被測定領域とは、互いに少なくとも一部が重複するように設定する必要がある。

また、上述の第２実施形態では、コバ面９３を有している被検レンズ１０９に対し本発明の第２の３次元形状測定方法および装置を適用しているが、このようなコバ面を有していない被検体（レンズに限定されない）に対しても本発明の第２の３次元形状測定方法および装置を適用することが可能である。さらに、レンズの中には、レンズの外周部分に鍔状に張り出した部分（「コバ部」、「張出部」等と称される）を有しているものがある（被検レンズ９参照）が、このようなレンズに対しても本発明の第２の３次元形状測定方法および装置を適用することが可能である。

さらに、上述の第２実施形態では、保持治具１０６が、切り欠きの無い完全なリング状に形成されているが、周上の一部にスリットを有するＣ字型の保持治具（図示略）を用いることも可能である。また、上記位置検出用マーク１６３，１６４，１６５は、保持治具１０６の外周面１６２の第１の形状情報と第２の形状情報との照合を容易ならしめるのに有効であるが、これらが無くても互いの照合が可能であれば、特に設ける必要はない。

さらに、上述の実施形態では、ミロー型の顕微干渉光学系１４，１１４を測定プローブとして用いているが、マイケルソン型の顕微干渉光学系（図示略）を用いることも可能である。

また、顕微干渉計１，１０１に替えて、接触式あるいは非接触式の他の測定プローブ（例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）や、光触針）を用いることも可能である。

１，１０１ 顕微干渉計
３，１０３ 測定系アライメント部
４ 調整用治具
５，１０５ 被検体アライメント部
７，１０７ 解析制御装置
９，１０９ 被検レンズ
１０，１１０ 測定光照射系
１１，１１１ 光源部
１２，１１２ コリメータレンズ
１３，２１，１１３，１２１ 光束分岐光学素子
１４，１１４ 顕微干渉光学系
１５，１１５ 収束レンズ
１６，１１６ 透明平板
１７，１１７ 反射素子
１８，１１８ 半透過反射素子
１９，１１９ 鏡胴
２０，１２０ 撮像系
２０Ａ，１２０Ａ 第１の撮像系
２０Ｂ，１２０Ｂ 第２の撮像系
２２，２５，１２２，１２５ 結像レンズ
２３，１２３ １次元イメージセンサ
２４，１２４ 第１撮像カメラ
２６，１２６ ２次元イメージセンサ
２７，１２７ 第２撮像カメラ
２８，１２８ フリンジスキャンアダプタ
２９，１２９ ピエゾ素子
３１，１３１ ブラケット
３２，１３２ 干渉計傾動ステージ
３３，１３３ 干渉計Ｚ移動ステージ
３４，１３４ 干渉計Ｙ傾斜ステージ
３５，１３５ 干渉計Ｘ移動ステージ
４１〜４３ 反射平面
５１，１５１ サンプルステージ
５２，１５２ 被検体ＸＹ傾斜ステージ
５３，１５３ 被検体ＸＹ移動ステージ
５４，１５４ 被検体回転ステージ
５４ａ，１５４ａ 回転円盤面
５５，１５５ 回転エンコーダ
５６，１５６ 被検体Ｙ移動ステージ
７１，１７１ 被検体表面回転指令部
７２，１７１ 被検体裏面回転指令部
７３ 被検体表面・側面形状情報取得部
７４ 被検体裏面・側面形状情報取得部
７５ 被検体全体形状情報取得部
７６，１７６ 軸ずれ解析部
７７ 被検体側面解析部
７８ 顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整部
７９ 被検体表面・側面干渉縞取得部
８０ 被検体表面・側面形状解析部
８１ 表面・側面測定距離調整部
８２ 顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整部
８３ 被検体裏面・側面干渉縞取得部
８４ 被検体裏面・側面形状解析部
８５ 裏面・側面測定距離調整部
９１ レンズ部
９２ コバ部
９３，１９１ 第１曲面部
９４，１９２ 第２曲面部
９５ コバ部表面
９６ コバ部裏面
９７ コバ部側面
１０６ 保持治具
１６１ 内周面
１６２ 外周面
１６３〜１６５ 位置検出用マーク
１７３ 被検体表面・保持治具外周面形状情報取得部
１７４ 被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得部
１７５ 被検体表裏面形状情報取得部
１７８ 顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整部
１７９ 被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得部
１８０ 被検体表面・保持治具外周面形状解析部
１８１ 表面・外周面測定距離調整部
１８２ 顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整部
１８３ 被検体裏面・保持治具外周面干渉縞取得部
１８４ 被検体裏面・保持治具外周面形状解析部
１８５ 裏面・外周面測定距離調整部
Ｌ，Ｌ´ 測定光軸
Ａ_１，Ａ_１１ 第１軸線
Ａ_２，Ａ_１２ 第２軸線
Ａ_３，Ａ_１３ 第３軸線
Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_１１，Ｒ_１２ 回転軸
Ｓ_１，Ｓ_２ 測定形状
Ｃ （保持治具の）軸線
Ｃ_１，Ｃ_２ 仮想円
Ｃ_３，Ｃ_４ 仮想円筒面
ｄ_１，ｄ_２ 半径の差
Ｐ，Ｐ´ 頂点
Ｎ，Ｎ´ 垂線
Ｍ 交点

Claims (16)

1. 第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、円柱面状に形成された被検体側面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定方法であって、
   前記被検体を前記被検体裏面側から支持する被検体裏面支持ステップと、
   前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を所定の回転軸と一致させた状態で、前記第１曲面部が球面である場合には、前記被検体裏面側から支持された状態での前記第１曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体表面回転ステップと、
   回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記被検体側面を走査し、該被検体表面の形状情報と該被検体側面の第１の形状情報と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を取得する被検体表面・側面形状情報取得ステップと、
   前記被検体を前記被検体表面側から支持する被検体表面支持ステップと、
   前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第２曲面部が球面である場合には、前記被検体表面側から支持された状態での前記第２曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体裏面回転ステップと、
   回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記被検体側面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該被検体側面の第２の形状情報と該被検体裏面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・側面形状情報を取得する被検体裏面・側面形状情報取得ステップと、
   前記被検体表面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた前記被検体側面の第１の形状情報と、前記被検体裏面・側面形状情報取得ステップにおいて得られた前記被検体側面の第２の形状情報とを互いに照合することにより、前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報を求める被検体全体形状情報取得ステップと、を測定手順として含んでなることを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定方法であって、
   前記被検体を該被検体の径方向外方から囲むリング状の保持治具に、該保持治具と該被検体との相対位置が変わらないように該被検体を固定する保持治具固定ステップと、
   前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体裏面側から支持する被検体裏面支持ステップと、
   前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を所定の回転軸と一致させた状態で、該第１曲面部が球面である場合には、該被検体裏面側から支持された状態での該第１曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体表面回転ステップと、
   回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体表面の形状情報と該外周面の第１の形状情報と該被検体表面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体表面・保持治具外周面形状情報取得ステップと、
   前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体表面側から支持する被検体表面支持ステップと、
   前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第２曲面部が球面である場合には、該被検体表面側から支持された状態での該第２曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、該回転軸回りに回転せしめる被検体裏面回転ステップと、
   回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと該被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記保持治具の前記外周面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該外周面の第２の形状情報と該被検体裏面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体裏面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得ステップと、
   前記第１の形状情報と前記第２の形状情報とを互いに照合することにより前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を求め、該相対位置情報を含んでなる被検体表裏面形状情報を取得する被検体表裏面形状情報取得ステップと、を測定手順として含んでなることを特徴とする３次元形状測定方法。
3. 第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、円柱面状に形成された被検体側面とを有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定装置であって、
   前記被検体を、前記被検体裏面側または前記被検体表面側から支持する被検体支持手段と、
   前記被検体支持手段により支持された前記被検体を、所定の回転軸回りに回転せしめる被検体回転手段と、
   前記被検体支持手段により前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第１曲面部が球面である場合には、前記被検体裏面側から支持された状態での前記第１曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体表面回転指令手段と、
   前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記被検体側面を走査し、該被検体表面の形状情報と該被検体側面の第１の形状情報と該被検体表面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体表面・側面形状情報を取得する被検体表面・側面形状情報取得手段と、
   前記被検体支持手段により前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、前記第２曲面部が球面である場合には、前記被検体表面側から支持された状態での前記第２曲面部の頂点における垂線を前記回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体裏面回転指令手段と、
   前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定プローブと前記被検体との相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記被検体側面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該被検体側面の第２の形状情報と該被検体裏面および該被検体側面の相対位置情報とを含んだ被検体裏面・側面形状情報を取得する被検体裏面・側面形状情報取得手段と、
   前記被検体表面・側面形状情報取得手段により得られた前記被検体側面の第１の形状情報と、前記被検体裏面・側面形状情報取得手段により得られた前記被検体側面の第２の形状情報とを互いに照合することにより、前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を含んだ被検体全体形状情報を求める被検体全体形状情報取得手段と、を備えてなることを特徴とする３次元形状測定装置。
4. 前記測定プローブは、低可干渉性の測定光を測定光軸に沿って前記被検体に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系からなり、
   前記干渉光により形成される干渉縞を撮像する撮像手段と、
   前記被検体に対する前記顕微干渉光学系の相対位置を変更する相対位置変更手段と、
   前記被検体回転手段により回転せしめられる前記被検体の前記回転軸回りの回転位置を検出する回転位置検出手段と、を備えてなることを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定装置。
5. 前記被検体表面・側面形状情報取得手段は、
   前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体表面との交点位置が該被検体表面の径方向に移動し、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置における前記被検体表面の接平面と垂直に交わるように、および前記被検体側面上に前記測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が前記被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と前記被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段と、
   前記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記顕微干渉光学系から前記被検体に前記測定光を照射せしめ、該測定光の前記被検体表面または前記被検体側面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と前記被検体表面または前記被検体側面との各交差部分の領域に対応した各表面・側面回転位置別干渉縞を、前記被検体の複数の表面・側面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像せしめ、前記各表面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得する被検体表面・側面干渉縞取得手段と、
   前記各表面・側面回転位置別干渉縞と、該各表面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体表面・側面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データに基づき、前記被検体表面・側面形状情報を求める被検体表面・側面形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする請求項４記載の３次元形状測定装置。
6. 前記被検体裏面・側面形状情報取得手段は、
   前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体裏面との交点位置が該被検体裏面の径方向に移動し、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置における前記被検体裏面の接平面と垂直に交わるように、および前記被検体側面上に前記測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が前記被検体側面との交点位置における該被検体側面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と前記被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段と、
   前記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記顕微干渉光学系から前記被検体に前記測定光を照射せしめ、該測定光の前記被検体裏面または前記被検体側面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と前記被検体裏面または前記被検体側面との各交差部分の領域に対応した各裏面・側面回転位置別干渉縞を、前記被検体の複数の裏面・側面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像せしめ、前記各裏面・側面回転位置別干渉縞の画像データを取得する被検体裏面・側面干渉縞取得手段と、
   前記各裏面・側面回転位置別干渉縞と、該各裏面・側面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体裏面・側面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データに基づき、前記被検体裏面・側面形状情報を求める被検体裏面・側面形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする請求項４または５記載の３次元形状測定装置。
7. 前記被検体全体形状情報に基づき、前記第１軸線と前記第２軸線との相対的な位置ずれおよび相対的な傾きずれを求める軸ずれ解析手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項３〜６までのいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
8. 前記被検体全体形状情報に基づき、前記被検体側面の所定断面における真円度を求める被検体側面解析手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項３〜７までのいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
9. 前記被検体側面解析手段は、前記被検体全体形状情報に基づき、前記被検体側面の円柱度を求めるものである、ことを特徴とする請求項８記載の３次元形状測定装置。
10. 第１軸線を中心とする回転面状に形成された第１曲面部を含んでなる被検体表面と、第２軸線を中心とする回転面状に形成された第２曲面部を含んでなる被検体裏面と、を有してなる被検体の形状を、測定プローブを用いて測定する３次元形状測定装置であって、
    前記被検体を該被検体の径方向外方から囲むリング状に形成され、該被検体との相対位置が変わらないように該被検体に固定される保持治具と、
    前記保持治具が固定された前記被検体を、前記被検体裏面側または前記被検体表面側から支持する被検体支持手段と、
    前記被検体支持手段により支持された前記被検体を、所定の回転軸回りに回転せしめる被検体回転手段と、
    前記被検体支持手段により前記被検体裏面側から支持された前記被検体を、前記第１曲面部が非球面である場合には、前記第１軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第１曲面部が球面である場合には、該被検体裏面側から保持された状態での該第１曲面部の頂点における垂線を該回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体表面回転指令手段と、
    前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体表面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体表面の形状情報と該外周面の第１の形状情報と該被検体表面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体表面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体表面・保持治具外周面形状情報取得手段と、
    前記被検体支持手段により前記被検体表面側から支持された前記被検体を、前記第２曲面部が非球面である場合には、前記第２軸線を前記回転軸と一致させた状態で、該第２曲面部が球面である場合には、該被検体表面側から保持された状態での該第２曲面部の頂点における第２垂線を該回転軸と一致させた状態で、前記被検体回転手段により回転せしめる被検体裏面回転指令手段と、
    前記被検体裏面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、該被検体と前記測定プローブとの相対位置を変えながら、該測定プローブにより前記被検体裏面および前記保持治具の外周面を走査し、該被検体裏面の形状情報と該外周面の第２の形状情報と該被検体裏面および該外周面の相対位置情報とを含んでなる被検体裏面・保持治具外周面形状情報を取得する被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得手段と、
    前記第１の形状情報と前記第２の形状情報とを互いに照合することにより前記被検体表面と前記被検体裏面との相対位置情報を求め、該相対位置情報を含んでなる被検体表裏面形状情報を取得する被検体表裏面形状情報取得手段と、を備えてなることを特徴とする３次元形状測定装置。
11. 前記測定プローブは、低可干渉性の測定光を測定光軸に沿って前記被検体に収束するように照射し、該測定光の戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系からなり、
    前記干渉光により形成される干渉縞を撮像する撮像手段と、
    前記被検体に対する前記顕微干渉光学系の相対位置を変更する相対位置変更手段と、
    前記被検体回転手段により回転せしめられる前記被検体の前記回転軸回りの回転位置を検出する回転位置検出手段と、を備えてなることを特徴とする請求項１０記載の３次元形状測定装置。
12. 前記被検体表面・保持治具外周面形状情報取得手段は、
    前記被検体表面回転指令手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体表面との交点位置が該被検体表面の径方向に移動し、かつ該移動毎に該測定光軸が該交点位置における該被検体表面の接平面と垂直に交わるように、および前記保持治具の前記外周面上に該測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が該外周面との交点位置における該外周面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と該被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段と、
    前記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記被検体に前記顕微干渉光学系から前記測定光を照射し、該測定光の前記被検体表面または前記外周面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、前記測定光軸と該被検体表面または該外周面との各交差部分の領域に対応した各表面・外周面回転位置別干渉縞を、該被検体の複数の表面・外周面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像する被検体表面・保持治具外周面干渉縞取得手段と、
    前記各表面・外周面回転位置別干渉縞と、該各表面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体表面・保持治具外周面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データとに基づき、前記被検体表面・保持治具外周面形状情報を求める被検体表面・保持治具外周面形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする請求項１１記載の３次元形状測定装置。
13. 前記被検体裏面・保持治具外周面形状情報取得手段は、
    前記被検体裏面回転手段により回転せしめられる前記被検体に対し、前記測定光軸の前記被検体裏面との交点位置が該被検体裏面の径方向に移動し、かつ該移動毎に該測定光軸が該交点位置における該被検体裏面の接平面と垂直に交わるように、および前記保持治具の前記外周面上に該測定光軸が移動し、かつ該測定光軸が該外周面との交点位置における該外周面の接平面と垂直に交わるように、前記相対位置変更手段により、前記顕微干渉光学系と該被検体との相対姿勢を順次変更する顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段と、
    前記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段により前記相対姿勢が順次変更される前記被検体に前記顕微干渉光学系から前記測定光を照射し、該測定光の前記被検体裏面または前記外周面からの戻り光と前記参照光との干渉により形成される、該測定光軸と該被検体裏面または該外周面との各交差部分の領域に対応した各裏面・外周面回転位置別干渉縞を、該被検体の複数の裏面・外周面回転位置毎に、前記撮像手段により撮像する被検体裏面・保持治具外周面干渉縞取得手段と、
    前記各裏面・外周面回転位置別干渉縞と、該各裏面・外周面回転位置別干渉縞が撮像された各時点における、前記回転位置検出手段による前記回転位置の検出データおよび前記顕微干渉光学系／被検体裏面・保持治具外周面姿勢調整手段による前記相対姿勢の調整データとに基づき、前記被検体裏面・保持治具外周面形状情報を求める被検体裏面・保持治具外周面形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする請求項１１または１２記載の３次元形状測定装置。
14. 前記被検体表裏面形状情報に基づき、前記第１軸線と前記第２軸線との相対的な位置ずれ量および相対的な傾きずれ量を求める軸ずれ解析手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項１０〜１３までのいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
15. 前記撮像手段は、１次元イメージセンサを撮像素子として備えてなる、ことを特徴とする請求項４〜９、１１〜１３のいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
16. 前記相対位置変更手段は、空間に対し前記顕微干渉光学系を傾動させる傾動手段を含んでなる、ことを特徴とする請求項４〜９、１１〜１５のいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
    

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