JP2016223928A - 面測定方法及び面測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の面の位置を非接触センサの利点を用いて高い精度で測定する面測定方法及び面測定装置を提供する。
【解決手段】測定ヘッド４ｕから対象物ＯＢに向けて収束し軸上色収差を備えた態様の複数の波長を含む照明光が放出されるとともに、測定ヘッド４ｕにより照明光の反射光が取得され、反射光のうち対象物ＯＢの面Ｓｏ１に焦点を結ぶ光の波長λｓが光検出部５ｕにより検出され、測定ヘッドに対する面Ｓｏ１の主軸方向の相対位置Ｌｓが波長λｓから導出される。また、測定ヘッド４ｕの主軸方向の位置がヘッド位置検出器により検出される。面Ｓｏ１の位置測定時において、相対位置Ｌｓの値が光検出部５ｕにより波長が既定の精度で測定可能な測定可能位置範囲内となるように、測定ヘッド４ｕの主軸方向の位置が制御され、相対位置Ｌｓの値と、この値が得られた時の測定ヘッド４ｕの主軸方向の位置の値とに基づき、面Ｓｏ１の主軸方向の位置が求められる。
【選択図】図４

Description

本発明は面測定方法及び面測定装置に係り、特に、レンズの光学面の測定に基づいて光軸の位置や中心厚を求める場合に好適な測定方法及び装置に関する。

一般に、レンズの中心厚を測定する場合には、レンズ表裏面に当接する測定子を備えた接触式センサを用いるか、或いは、レーザ光等を用いた光学式の、若しくは、超音波等を用いた音響式の非接触センサなどを用いて、レンズの両面の間の距離を測定し、中心厚を求めていた（特許文献１及び２参照）。

特開２００９−２５８０９８号公報 特開２０１１−１４５１３５号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、測定子をレンズの表面及び裏面に当接させた状態で測定を行う必要があるため、測定子の当接によりレンズに損傷を与える虞がある。また、測定子の当接によるレンズの変形により測定点の測定精度を高くすることができないという問題点もある。さらに、表裏両面でそれぞれ実施した４つの測定点から表面及び裏面に対応する球面を算出して中心厚を求めているために、上下の測定軸のずれやレンズの光軸ずれの影響を受けることはないものの、上記の測定点の誤差に起因して算出される球面の誤差が大きくなるため、光軸の位置や中心厚の精度が悪いという問題点もある。

一方、上記特許文献２の方法では、非接触センサを用いているために上記のような問題は生じないが、上下の測定軸間の調整作業やレンズの光軸位置の調整作業などを機械的な位置決めによって行うため、上下の測定軸間のずれやレンズの光軸のずれに起因して生ずる誤差が避けられないという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、レンズ等の光学面などといった、対象物の面の位置を、非接触センサの利点を用いて高い精度で測定することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の面測定方法は、対象物の面の主軸方向の位置測定が実施される面測定方法であって、前記対象物に対して前記主軸方向に配置され、前記主軸方向に移動可能に構成された測定ヘッドから、前記対象物に向けて収束し、軸上色収差を備えた態様の複数の波長を含む照明光が放出され、かつ、前記測定ヘッドにより前記照明光の反射光が取得され、該反射光のうち前記対象物の面に焦点を結ぶ光の波長が光検出部により検出されて、前記測定ヘッドに対する前記対象物の面の前記主軸方向の相対位置が前記光検出部による前記波長の検出値から導出されるとともに、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置がヘッド位置検出器により検出され、前記対象物の面の位置測定時において、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が既定の精度で測定可能な測定可能位置範囲内となるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置が制御され、前記測定可能位置範囲内の前記相対位置の値と、この値が得られた時の前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置の値とに基づいて、前記対象物の面の前記主軸方向の位置が求められることを特徴とする。

本発明において、前記測定ヘッドは、前記対象物に対して、前記主軸方向と交差する平面に沿って相対移動可能に構成され、前記測定ヘッドの前記対象物に対する前記平面に沿った相対移動の前後の複数の測定位置で前記対象物の面の位置測定が実施されることが好ましい。この場合には、前記測定ヘッドが前記対象物に対して前記平面に沿って相対移動する過程で、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が検出可能な検出可能位置範囲内になるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置が制御されることが望ましい。ここで、測定ヘッドの主軸方向の位置の制御態様は、前記相対位置の値が常に前記検出可能位置範囲内に維持される制御態様であってもよいが、前記相対位置の値が前記検出可能位置範囲から逸脱したときに、前記相対位置の値を前記検出可能位置範囲内に戻す制御態様であってもよい。

本発明において、４以上の複数の前記測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４以上の複数の位置座標に基づいて、前記対象物の面に対応する球面が算出されることが好ましい。

本発明において、前記４以上の複数の測定位置は、前記対象物の面の外形の内接円の２０％以下の半径を有する中心円内の領域に限定して設定されることが好ましい。特に、上記複数の測定位置は、１０％以下の半径を有する中心円内の領域に限定して設定されることが望ましい。この場合において、前記４以上の複数の測定位置は、前記中心円内において、前記内接円の中心点の周りの複数の角度位置に分散して配置されることが望ましい。例えば、前記複数の測定位置は、同一の半径位置にある複数の測定位置が前記中心点の周りに等角度間隔で配置される場合がある。また、前記複数の測定位置は、異なる半径位置にある複数の測定位置が前記中心点の周りの異なる角度位置に配置される場合がある。

本発明において、４を越える数の複数の前記測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４を越える数の複数の位置座標に最小二乗法が適用されることにより、前記対象物の面に対応する球面が算出されることが好ましい。

本発明において、前記対象物の面の反対側にある他方の面に対して、４以上の複数の測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の他方の面上の４以上の複数の位置座標に基づいて、前記対象物の他方の面に対応する球面が算出され、前記対象物の面に対応する前記球面と、前記対象物の他方の面に対応する前記球面とに基づいて、前記対象物の軸線の位置若しくは中心厚が算出されることが好ましい。この場合、前記対象物の面を測定する第１の前記測定ヘッドと、前記対象物の他方の面を測定する第２の前記測定ヘッドとを設けることが望ましい。なお、前記対象物がレンズである場合には、前記軸線の位置は光軸の位置である。

次に、本発明の面測定装置は、対象物の面の主軸方向の位置測定のための面測定装置であって、前記対象物に対して主軸方向に配置され、前記対象物に向けて収束し、軸上色収差を備えた態様の複数の波長を含む照明光を放出し、かつ、該照明光の反射光を取得する測定ヘッドと、該測定ヘッドを前記主軸方向に移動可能に駆動するヘッド駆動機構と、前記反射光のうち前記対象物の面に焦点を結ぶ光の波長を検出し、該波長から前記対象物の面の前記主軸方向の相対位置を導出する光検出部と、前記測定ヘッドの前記主軸方向の位置を検出するヘッド位置検出器と、前記対象物の面の位置測定時において、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が既定の精度で測定可能な測定可能位置範囲内となるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置を制御し、前記測定可能位置範囲内の前記相対位置の値と、この値が得られた時の前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置の値とに基づいて、前記対象物の面の前記主軸方向の位置を求める制御部と、を具備することを特徴とする。

本発明において、前記測定ヘッドを前記対象物に対して前記主軸方向と交差する平面に沿って相対移動可能に構成する平面駆動機構をさらに具備し、前記制御部は、前記測定ヘッドの前記対象物に対する前記平面に沿った相対移動の前後の複数の測定位置で前記対象物の面の位置測定を実施することが好ましい。この場合にはさらに、前記制御部は、前記平面駆動機構により前記測定ヘッドが前記対象物に対して前記平面に沿って相対移動する過程で、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が検出可能な検出可能位置範囲内になるように、前記ヘッド駆動機構により前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置を制御することが好ましい。ここで、ヘッド駆動機構による測定ヘッドの主軸方向の位置の制御態様は、前記相対位置の値が常に前記検出可能位置範囲内に維持される制御態様であってもよいが、前記相対位置の値が前記検出可能位置範囲から逸脱したときに、前記相対位置の値を前記検出可能位置範囲内に戻す制御態様であってもよい。

本発明において、前記制御部は、４以上の複数の前記測定位置において前記位置測定を実施し、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４以上の複数の位置座標に基づいて、前記対象物の面に対応する球面を算出することが好ましい。

本発明において、前記４以上の複数の測定位置は、前記対象物の面の外形の内接円の２０％以下の半径を有する中心円内の領域に限定して設定されることが好ましい。特に、上記複数の測定位置は、１０％以下の半径を有する中心円内の領域に限定して設定されることが望ましい。この場合において、前記４以上の複数の測定位置は、前記中心円内において、前記内接円の中心点の周りの複数の角度位置に分散して配置されることが望ましい。例えば、前記複数の測定位置は、同一の半径位置にある複数の位置が前記中心点の周りに等角度間隔で配置される場合がある。また、前記複数の測定位置は、異なる半径位置にある複数の測定位置が前記中心点の周りの異なる角度位置に配置される場合がある。

本発明において、前記制御部は、４を越える数の複数の前記測定位置において前記位置測定を実施し、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４を越える数の複数の位置座標に最小二乗法が適用されることにより、前記対象物の面に対応する球面が算出されることが好ましい。

本発明において、前記制御部は、前記対象物の面の反対側にある他方の面に対して、４以上の複数の位置における前記位置測定を実施することにより、前記対象物の他方の面の４以上の複数の位置座標を求め、該４以上の複数の位置座標に基づいて前記対象物の他方の面に対応する球面と、前記対象物の面に対応する球面とに基づいて、前記対象物の軸線の位置若しくは中心厚を算出することが好ましい。なお、前記対象物がレンズである場合には、前記軸線の位置は光軸の位置である。

本発明によれば、接触センサの利点を生かしつつ、高い精度で面の位置を測定できる面測定方法及び面測定装置を実現することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る面測定装置の実施形態の構造を模式的に示す概略正面図である。 同実施形態の構造を模式的に示す概略側面図である。 同実施形態の構造を模式的に示す概略平面図である。 同実施形態の共焦点変位センサの全体構成及び原理を示す説明図である。 同実施形態の共焦点変位センサにおける光源スペクトルと反射光強度との関係を示す説明図（ａ）及び検出出力比と距離との関係の一例を示すグラフ（ｂ）である。 同実施形態の制御系の全体構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態の測定ヘッドの移動経路の例を示す説明図である。 同実施形態における対象物の面に対する複数の測定位置の例を示す平面図である。 同実施形態を用いたマスターレンズの連続計測時の中心厚の計測値を示すグラフである。 図９に示すデータの前回計測値との差を示すグラフである。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、図１乃至図３を参照して、本発明に係る面測定方法を実施するために用いる面測定装置の全体構成について説明する。

本実施形態の面測定装置１は、防振脚部を取り付けた設置盤上に固定された支持台２と、該設置盤上に固定され、支持台２の上方へ伸びる支柱部３とを備えている。支柱部３には、第１測定ヘッド４ｕと、第２測定ヘッド４ｄが、それぞれ支持台２の台板に対する上下位置において図示の上下方向（Ｚ軸方向、上記主軸方向に相当する。）に移動可能に取り付けられている。具体的には、第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄはそれぞれ支柱部３に対してＺ軸方向に移動可能に案内されたスライダ１２ｇ、１２ｈに取り付けられている。このスライダ１２ｇ，１２ｈは、サーボモータ１１ｕ，１１ｄの出力軸に連結されたボールねじ１２ｕ，１２ｄにおいてリードスクリュー１２ａに螺合するナット１２ｂにより駆動される。このスライダ１２ｇ，１２ｈのＺ軸方向の位置は、リニアスケール等の高精度なヘッド位置検出器６ｕ，６ｄによって検出可能とされている。なお、図１〜図３には図示されていないが、ナット１２ｂのＺ軸方向の位置を検出するためのマグネスケールなどのサーボ用位置検出器１３ｕ，１３ｄ（図７参照）が設けられている。

支持台２上には、対象物ＯＢが載置される載置台７を支持し、Ｚ軸方向と直交する平面方向（図示例ではＸＹ平面に沿った方向）に移動可能に構成するとともに、当該平面方向に駆動するＸＹテーブルが構成される。具体的には、上記載置台７は上テーブル８に支持され、上テーブル８は駆動機構８ａ（サーボモータ１４ｙとボールねじ１５ｙ）と案内機構８ｂによってＹ軸方向に移動可能に構成される。また、上テーブル８は下テーブル９に支持され、下テーブル９は駆動機構９ａ（サーボモータ１４ｘとボールねじ１５ｘ）と案内機構９ｂによってＸ軸方向に移動可能に構成される。これらのＸ軸方向とＹ軸方向の駆動機構８ａ，９ａは、Ｚ軸方向の上記駆動機構（サーボモータ１１ｕ，１１ｄ及びボールねじ１２ｕ、１２ｄからなる。）と同様に構成されている。また、Ｘ軸方向とＹ軸方向の案内機構８ｂ，９ｂは、Ｚ軸方向の上記スライダ１２ｇ、１２ｈと同様に構成されている。

本実施形態において、載置台７に載置される対象物ＯＢの面を測定する第１測定ヘッド４ｕと第２測定ヘッド４ｄは、それぞれ、共焦点変位センサのセンサヘッドを構成している。この共焦点変位センサの概略構成は図４に模式的に示される。なお、本実施形態において、第１測定ヘッド４ｕと第２測定ヘッド４ｄとは同じ構造を有し、基本的には同様の方法が適用され、同様に動作するので、以下において、第２測定ヘッド４ｄについては説明を省略し、第１測定ヘッド４ｕについてのみ説明する。

共焦点変位センサの測定ヘッド４ｕは、光ファイバ４４の先端面コア等によって構成されるピンホール４４ａから出射する光を集光するコリメートレンズ４５と、コリメートレンズ４５によって集光された光を対象物ＯＢに向けて収束させる対物レンズ４６とを有する。光軸上色収差が大きい対物レンズ４６を用いることにより、光の波長によって対物側の焦点距離が異なり、可視領域であれば青色光は近く、赤色光は遠くに合焦する。光源４１から光ファイバ４２を介して光結合器４３を介して連結された光ファイバ４４は、光源４１から出射される白色若しくは広帯域の光Ｐを導くことにより、上記ピンホール４４ａにおいて白色若しくは広帯域の点光源を構成する。このため、対象物ＯＢとは反対側にある共焦点の位置は上記ピンホール４４ａにおいて共通とみなすことができ、対象物ＯＢの面Ｓｏ１に合焦する光の波長は、測定ヘッド４ｕに対する対象物ＯＢの主軸方向の位置によって変化する。また、上記ピンホール４４ａは、対象物ＯＢに合焦した波長λｓの反射光Ｑのみを通過させる選択的色フィルタとして機能するので、当該反射光Ｑが選択的に光ファイバ４４、光結合器４３、光ファイバ５１を経由して光検出部５ｕに導かれる。図において光検出部５ｕの下に示されるグラフは、上記反射光Ｑの光スペクトルの例である。ここで、対象物ＯＢの面Ｓｏ１に合焦する光の波長λｓと合焦位置の関係が予めわかっていれば、この波長λｓに対応する距離Ｌｓの位置に対象物ＯＢの面Ｓｏ１が存在することがわかる。

図５（ａ）には、共焦点センサの検出可能波長範囲Ｄ（λ）（波長λのスペクトル範囲）若しくは検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）（距離Ｌの範囲）と、光源４１の光スペクトルとの関係を示す。図示例では、光源４１の光スペクトルとして白色ＬＥＤ（青色ＬＥＤチップの出射面上に黄色傾向体を配置したもの）を用いているため、図示のように可視光領域でも波長λによって光Ｐの光量が大きく異なる。特に、本例では、５００ｎｍ付近で大きな光量の落ち込みがあるため、この領域を避けることによって反射光Ｑの強度を高めることができるから、検出精度を向上できる。実際には、光源４１の光スペクトルだけでなく、当該光スペクトルと、対象物ＯＢの面Ｓｏ１における光反射率（通常は波長分散を有する。）との積によって反射光Ｑの強度が定まる。

本実施形態では、光検出部５ｕにおける波長検出が可能な範囲である上記検出可能波長範囲Ｄ（λ）若しくは検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）の中に、さらに、既定の精度以上の精度が得られる範囲である、測定可能波長範囲Ｅ（λ）（波長λのスペクトル範囲）若しくは測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）（距離Ｌの範囲）を設定する。図示例では、上記検出可能波長範囲Ｄ（λ）は、可視光を用いた場合には、例えば、４５０〜７５０ｎｍ程度、上記検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）は０．５〜３．５ｍｍ程度である。また、上記測定可能波長範囲Ｅ（λ）は、例えば、５５０〜６５０ｎｍ程度、上記測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）は１．５〜２．５ｍｍ程度である。本実施形態に用いられる共焦点センサでは、図５（ｂ）に示すように、測定ヘッド４ｕに対する対象物ＯＢの面Ｓｏ１の主軸方向の相対位置を示す、後述する検出信号Ｚｕｓ，Ｚｄｓの出力は、上記検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内において距離Ｌと比例する。ただし、本発明において、当該検出信号の出力は、結果として距離Ｌを導出することができる態様であればよく、したがって、距離Ｌと既定の相関を有するものであればよい。

図６は、本実施形態の面測定装置１の制御系の概略構成を示す構成ブロック図である。制御部１０は専用の制御回路の他に、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）やパーソナルコンピュータ等により構成することもできる。制御部１０には、第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置を制御するための駆動機構（サーボモータ１１ｕ及びボールねじ１２ｕ）を駆動するための駆動回路１０Ｚｕ、第２測定ヘッド４ｄのＺ軸方向の位置を制御するための駆動機構（サーボモータ１１ｄ及びボールねじ１２ｄ）を駆動するための駆動回路１０Ｚｄ、載置台７のＸ軸方向の位置を制御するための駆動機構９ａ（サーボモータ１４ｘ及びボールねじ１５ｘ）を駆動するための駆動回路１０Ｘ、及び、載置台７のＹ軸方向の位置を制御するための駆動機構８ａ（サーボモータ１４ｙ及びボールねじ１５ｙ）を駆動するための駆動回路１０Ｙとが接続されている。

第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄはボールねじ１２ｕ，１２ｄによってＺ軸方向に駆動される。第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄのＺ軸方向の位置は、リニアスケール（リニアエンコーダ）などで構成されるヘッド位置検出器６ｕ，６ｄによって検出され、これらのヘッド位置検出器６ｕ，６ｄからは、第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄの絶対位置を示す検出信号Ｚｕ０，Ｚｄ０がそれぞれ出力される。上記ヘッド位置検出器６ｕ，６ｄは、第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄのＺ軸方向の位置を正確に検出するために、上記サーボモータ１１ｕ，１１ｄ及びボールねじ１２ｕ，１２ｄからなる駆動機構やスライダ１２ｇ、１２ｈからなる案内機構とは別に支柱部３に取り付けられ、スライダ１２ｇ、１２ｈからなる案内機構によってＺ軸方向に案内された第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄの位置を直接に検出するように構成されている。また、上記ヘッド位置検出器６ｕ，６ｄは、サーボ用位置検出器１３ｕ，１３ｄよりも高精度に位置を検出できるもの、例えば、光学式の検出器を用いることが好ましい。

第１測定ヘッド４ｄ及び第２測定ヘッド４ｄは、それぞれ光検出部５ｕ，５ｄに接続される。これらの光検出部５ｕ，５ｄは、共焦点変位センサとしての機能に基づいて検出した波長λｓを示す信号、若しくは、当該波長λｓに対応する、測定ヘッドの先端から検出面までの距離Ｌｓを示す信号、或いは、これらと既定の対応関係を有する信号などからなる、検出面の相対位置を示す検出信号Ｚｕｓ，Ｚｄｓを出力する。また、光検出部５ｕ，５ｄは、上記機能により検出した波長λｓの光強度を示す信号、或いは、当該光強度と既定の対応関係を有する信号などからなる、反射光強度を示す検出信号Ｉｕｓ，Ｉｄｓを出力する。なお、この検出信号Ｉｕｓ，Ｉｄｓは、制御部１０において反射光強度を監視し、後述する位置測定時において、反射光強度が既定の最小値と最大値の間にあるか否かを判定するためのものである。反射光強度が最小値を下回れば、充分な光強度がないために検出精度が確保できないため、測定を中止したり、警告をしたり、再測定を促したりする。反射光強度が最大値を上回れば、光強度が飽和し、精度のよい測定ができない虞があるため、やはり、測定を中止したり、警告をしたり、再測定を促したりすることが好ましい。

サーボモータ１１ｕ，１１ｄによって動作するボールねじ１２ｕ，１２ｄのＺ軸方向の位置は、それぞれ、マグネスケール等のサーボ用位置検出器１３ｕ，１３ｄによって検出される。これらのサーボ用位置検出器１３ｕ，１３ｄの検出値は、上記駆動回路１０Ｚｕ，１０Ｚｄにそれぞれフィードバックされる。また、サーボモータ１４ｘ，１４ｙによって動作するボールねじ１５ｘ，１５ｙの各Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置は、それぞれ、マグネスケール等のサーボ用位置検出器１６ｘ，１６ｙによって検出される。これらのサーボ用位置検出器１６ｘ，１６ｙの検出値は、上記駆動回路１０Ｘ，１０Ｙにそれぞれフィードバックされる。

次に、上記構成において、面測定装置１により、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２を測定する方法、或いは、面測定装置１の動作態様について説明する。なお、対象物ＯＢは、本発明において測定されるべき少なくとも一つの面を備えたものであれば特に限定されない。しかし、本実施形態では、対象物ＯＢがレンズ（凸レンズ、凹レンズ、メニスカスレンズなどの光学レンズ）である場合を例示する。

図７は、第１測定ヘッド４ｕと、載置台７に装着された対象物ＯＢとの関係を模式的に示す説明図である。本実施形態において、第１測定ヘッド４ｕと第２測定ヘッド４ｄとは同じ構造を有し、基本的には同様の方法が適用され、同様に動作するので、以下において、第２測定ヘッド４ｄについては説明を省略し、第１測定ヘッド４ｕについてのみ説明する。

載置台７に対象物ＯＢが装着されるとき、第１測定ヘッド４ｕは、初期位置として対象物ＯＢから離間した退避位置に配置されている。そして、制御部１０に対する所定の操作により、第１測定ヘッド４ｕは、上記退避位置から、対象物ＯＢに向けて移動を開始し、面Ｓｏ１を検出する面サーチ動作（Ｓｓｔｅｐ）を実行する。この面サーチ動作において、第１測定ヘッド４ｕは、第１測定ヘッド４ｕから出射した光Ｐの反射光Ｑが光検出部５ｕにて検出された状態で、上記駆動機構（１１ｕ，１２ｕ）及び案内機構（１２ｇ）によりＺ軸方向に移動し、対象物ＯＢの面Ｓｏ１に向けて接近する。この第１測定ヘッド４ｕの移動過程において、制御部１０は、光検出部５ｕの検出信号Ｚｕｓを観察しつづけており、面Ｓｏ１が上記検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内に配置されるようになると、光検出部５ｕの検出信号Ｚｕｓから波長λｓ及び距離Ｌｓに対応する検出面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置が出力される。この検出信号Ｚｕｓにより検出面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置が検出されると、上記制御部１０は、面Ｓｏ１が検出されたことを認識して、第１測定ヘッド４ｕの移動を停止させる。このときの第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置の制御は、制御部１０からの位置指令に基づき、駆動回路１０Ｚｕ、サーボモータ１１ｕ及びボールねじ１２ｕからなる駆動機構を介して、サーボ用位置検出器１３ｕの位置フィードバックによる制御下で実施される。

次に、第１測定ヘッド４ｕによる面Ｓｏ１のＺ軸方向の位置測定を、現在のＸＹ平面位置において実施する場合には、第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置を微調整する測定位置決め動作（Ｐｓｔｅｐ）を実施する。この測定位置決め動作は、第１測定ヘッド４ｕに対する面Ｓｏ１の相対位置の値が上記測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内に入るように、第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置を移動させることによって実行される。このとき、制御部１０は、光検出部５ｕの検出信号Ｚｕｓを観察しながら、この検出信号Ｚｕｓが示す面Ｓｏ１の相対位置の値が上記測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）に入るか否かを判定し、面Ｓｏ１の相対位置の値が測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）に入った状態で第１測定ヘッド４ｕを停止させる。このとき、第１測定ヘッド４ｕは、測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）に対応するＺ軸方向の範囲内に位置決めされなければならない。このため、制御部１０では、第１測定ヘッド４ｕの位置検出信号としてヘッド位置検出器６ｕにより得られるＺ軸方向の位置を示す検出信号Ｚｕ０を用い、この検出信号Ｚｕ０をフィートバック信号として用いて制御することにより、第１測定ヘッド４ｕをＺ軸方向に位置決めする。

上記のようにして第１測定ヘッド４ｕがＺ軸方向に位置決めされると、制御部１０は、第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置を示す検出信号Ｚｕ０と、面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置を示す検出信号Ｚｕｓとに基づいて、面Ｓｏ１のＺ軸方向の位置Ｐｚｕ１を求める。この位置は、Ｐｚｕ１＝Ｐ（Ｚｕ０）＋Ｐ（Ｚｕｓ）である。ここで、Ｐ（Ｚｕ０）は、検出信号ＺｕＯにより得られる第１測定ヘッド４ｕのＺ軸方向の位置であり、Ｐ（Ｚｕｓ）は、検出信号Ｚｕｓにより得られる面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置である。以上が、測定位置ＭＰにおける面Ｓｏ１のＺ軸方向の位置を測定する位置測定動作（Ｍｓｔｅｐ）である。

本実施形態において、面Ｓｏ１を測定する場合、面Ｓｏ１のＺ軸方向の位置を複数のＸＹ平面上の測定位置ＭＰにおいて測定する必要がある。特に、本実施形態では、後述するように、面Ｓｏ１，Ｓｏ２を示す球面を計算するため、少なくとも４つの測定位置ＭＰにおいて位置測定を実施することが必要となる。このため、別のＸＹ平面上の位置から一つの測定位置ＭＰへ移動する場合に、或いは、測定が完了した一つの測定位置ＭＰから別の測定位置ＭＰ′へ移動する場合に、測定位置移動動作（Ｔｓｔｅｐ）を実施する。この測定位置移動動作は、本実施形態の場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の駆動機構８ａ，９ａ及び案内機構８ｂ，９ｂにより、載置台７に装着された対象物ＯＢをＸＹ平面上で移動させることにより実施される。このとき、制御部１０は、上記検出信号Ｚｕｓを監視し、測定されるべき面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置の値が上記検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内に配置されているか否かを確認する。そして、面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置の値が検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）から外れそうになると、制御部１０は、第１測定ヘッド４ｕをＺ軸方向の逆向きに移動させることにより、上記相対位置の値が検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内にある状態を維持する。ただし、制御部１０は、上記相対位置の値が検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）から逸脱したことを検知して、当該相対位置の値を検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内に戻すように制御してもよい。

上記のようにして第１測定ヘッド４ｕをＸＹ平面上で移動させた後にＸＹ平面上の別の測定位置ＭＰで停止させると、上記と同様にＺ軸方向の上記測定位置決め動作（Ｐｓｔｅｐ）を実施し、面Ｓｏ１のＺ軸方向の相対位置の値が測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内に配置されるようにする。そして、上記と同様の位置測定動作（Ｍｓｔｅｐ）を実施し、移動後の測定位置ＭＰにおける面Ｓｏ１のＺ軸方向の位置Ｐｚｕ１を求める。その後、さらに別の測定位置ＭＰがあれば、上記の測定位置移動動作（Ｔｓｔｅｐ）、測定位置決め動作（Ｐｓｔｅｐ）及び位置測定動作（Ｍｓｔｅｐ）を繰り返す。

図８は、本実施形態の測定位置ＭＰの設定例を示すＸＹ平面図である。図示例は、対象物ＯＢとして平面形状が半径Ｒの円形のレンズを想定したものである。複数の測定位置ＭＰは、中心点Ｏと、この中心点Ｏの周囲の半径ｒの円形範囲（中心円）の内部に設定されている。ここで、半径ｒは、半径Ｒの２０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに望ましい。なお、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２が非円形である場合には、当該非円形の面の内接円の半径をＲとして、複数の測定位置ＭＰを配置する領域（中心円）の半径ｒを定めればよい。

本実施形態では、図示の複数の測定位置ＭＰとして、中心点Ｏ、半径ｒの円周上の３点、半径ｒ／２の円周上の３点、半径ｒ／４の円周上の３点、半径ｒ／８の円周上の３点の合計１３点を設定する。すなわち、中心点Ｏの周りに２^ｉ（ｉ＝１〜ｎの自然数）の半径を有するｎ個の円周が設定され、各円周上に複数の測定位置ＭＰがそれぞれ配置される態様で、半径ｒ＝２^ｎの中心円の範囲内に全ての測定位置ＭＰが配列される。ただし、一つの円周上に配列された各点は中心点Ｏの周りに等角度間隔で配列される。また、半径ｒの円周上の各点の組、半径ｒ／２の円周上の各点の組、半径ｒ／４の円周上の各点の組、及び、半径ｒ／８の円周上の各点の組では、各組内の各点の配列位置が、いずれも、隣接する半径の他の組内の各点の配列位置に対して１８０度反転した角度位置になるように設定されている。このように構成すると、半径ｒの円形の領域内において、中心点Ｏの周りの方位に均一に分散した態様で、しかも、中心点Ｏに近いほど高密度となるように、複数の測定位置ＭＰを配置することができる。なお、この例における測定位置ＭＰの測定順は、例えば、中心点Ｏから、最内周の円周上に配列された各点を測定し、その次の外周側に隣接した円周上に配列された各点を測定し、というように、内周側から外周側へ向けて螺旋状に測定していくことができる。ただし、本発明の測定方向はこのような態様に限定されない。

上記の複数の測定位置の配列例は、本実施形態の面測定装置１において、対象物ＯＢの曲面状の面Ｓｏ１に対応する球面を求める場合に好適な例である。すなわち、本実施形態では、上述のように共焦点変位センサを用いてＺ軸方向の面Ｓｏ１の位置を測定しているが、ＸＹ平面上で中心点Ｏから離れるほど、面Ｓｏ１はＺ軸方向と直交するＸＹ平面に対して傾斜するため、反射光Ｑの検出強度が低下し、位置検出の精度が悪化する。したがって、測定位置ＭＰを、面Ｓｏ１のうち上記平面に対する傾斜角の小さい中心点Ｏに近い領域に限定することにより、位置検出の精度低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、上述のように４つ以上の複数の測定位置ＭＰの位置座標に基づいて、面Ｓｏ１に対応する球面を計算する。この場合、ＸＹ平面上の測定範囲が広がると、ＸＹ方向の駆動機構８ａ，９ａ及び案内機構８ｂ，９ｂの誤差が大きくなることで、上記位置座標の精度が低下する虞がある。上述のようにＸＹ平面上の中心点Ｏに近い領域に限定して測定を行うことにより、ＸＹ方向の機構誤差による影響を最小限に抑制することができる。

さらに、本実施形態では、対象物ＯＢとしてレンズを用いる場合に、後述するように、レンズの表面Ｓｏ１と裏面Ｓｏ２のそれぞれに対応する球面を、それぞれ４つ以上の複数の測定位置ＭＰの位置座標から計算し、両球面からレンズの光軸の位置と、当該光軸に沿った中心厚とを求める。このため、光軸の位置と中心厚の算出には、ＸＹ平面上の中央領域の測定位置ＭＰだけで充分であり、ＸＹ平面上の測定範囲を広げると、却って、計算する球面の精度が低下してしまう。これは、実際の面Ｓｏ１，Ｓｏ２は、球面レンズの場合でも真の球面ではないし、非球面レンズなどのように面Ｓｏ１，Ｓｏ２がそもそも球面ではない場合もあるので、ＸＹ平面上の測定範囲を光軸の位置と中心厚を算出するのに不要な範囲まで広げてしまうと、光軸の位置や中心厚の算出に本来的に必要でない領域の面位置の誤差にも影響されることになるからである。

次に、上記複数の測定位置ＭＰの位置座標に基づいて、対象物ＯＢの面Ｓｏ１に対応する球面の算出過程について説明する。まず、中心座標が（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）であり、半径がｒである球面の式は以下の式のようになる。
（ｘ−ｘ_０）^２＋（ｙ−ｙ_０）^２＋（ｚ−ｚ_０）^２＝ｒ^２
球面を求めるには、上記式の４つの未知数ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０，ｒを求めればよいので、基本的に面Ｓｏ１の４つの測定位置ＭＰの位置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）、（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）、（ｘ_３、ｙ_３、ｚ_３）、（ｘ_４、ｙ_４、ｚ_４）がわかっていれば、面Ｓｏ１に対応する球面を求めることができる。

しかしながら、上記の方法では、４つの位置座標のうちの一つに僅かな誤差があっても、球面が大きく変化するので、実際の面Ｓｏ１との差異が大きくなり、光軸の位置や中心厚の誤差も大きくなる。このため、４より多い測定位置ＭＰで測定し、４より多い数（上記例では１３）の位置座標（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）を用いて、何らかの処理によって面Ｓｏ１に対応する最も確からしい球面を求めることが好ましい。この場合に、最小二乗法によって４より多い数ｍ（ｍは自然数、上記例では１３）の位置座標について、当該位置座標との間の距離の二乗和ＳＭが最小値となる球面を求めることで、球面の精度を高めることができる。

上記の最小二乗法では、ｉ＝１〜ｍの自然数として、ｉに関する以下の数式１に示す二乗和ＳＭを最小にする中心座標（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）及び半径ｒを求める。

このときの二乗和ＳＭの最小値は、以下の数式２の４つの式が成立したときに得られる。これらの式は、上記ＳＭを上記４つの未知数のうちの一つで偏微分した値が０になる条件を示す。

なお、複数の測定位置ＭＰの位置座標に基づいて面Ｓｏ１に対応する球面を求める方法は、上記に限らず、種々の公知の方法にて行うことができる。また、４つを越える数の測定位置ＭＰの位置座標に基づいて最も確からしい球面を求める方法も同様である。

上記のレンズの表面Ｓｏ１に対する測定方法及び球面の算出方法は、裏面Ｓｏ２に対する測定方法及び球面の算出方法に適用できる。そして、第１測定ヘッド４ｕにより測定された表面Ｓｏ１に対応する球面１と、第２測定ヘッド４ｄにより測定された裏面Ｓｏ２に対応する球面２とに基づいて、以下のように、レンズの光軸の位置、及び、中心厚を求めることができる。

最初に、制御部１０は、球面１（中心座標（ｘ_０1，ｙ_０1，ｚ_０1）及び半径ｒ₁）と、球面２（中心座標（ｘ_０2，ｙ_０2，ｚ_０2）及び半径ｒ₂）の関係により、表面Ｓｏ１と裏面Ｓｏ２の曲面の態様を判定し、対象物ＯＢの形状を決定する。球面１において、中心座標（ｘ_０1，ｙ_０1，ｚ_０1）が第１測定ヘッド４ｕによる測定位置ＭＰの位置座標（ｘ_ｉ1，ｙ_ｉ1，ｚ_ｉ1）よりも下方にあれば表面Ｓｏ１は凸曲面である。一方、中心座標（ｘ_０1，ｙ_０1，ｚ_０1）が測定位置ＭＰの位置座標（ｘ_ｉ1，ｙ_ｉ1，ｚ_ｉ1）よりも上方にあれば表面Ｓｏ１は凹曲面である。また、球面２において、中心座標（ｘ_０2，ｙ_０2，ｚ_０2）が第２測定ヘッド４ｄによる測定位置ＭＰの位置座標（ｘ_ｉ2，ｙ_ｉ2，ｚ_ｉ2）よりも下方にあれば裏面Ｓｏ２は凹曲面である。一方、中心座標（ｘ_０2，ｙ_０2，ｚ_０2）が測定位置ＭＰの位置座標（ｘ_ｉ2，ｙ_ｉ2，ｚ_ｉ2）よりも上方にあれば裏面Ｓｏ２は凸曲面である。これらの組合せにより、レンズが両凸レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズ凸凹と凹凸の４つのタイプのいずれであるかが判別できる。なお、球面１の中心座標（ｘ_０1，ｙ_０1，ｚ_０1）と、球面２の中心座標（ｘ_０2，ｙ_０2，ｚ_０2）とを結ぶ線分（或いは、両位置座標を通過する線）がレンズの光軸を示すことになる。

次に、球面１の中心座標（ｘ_０1，ｙ_０1，ｚ_０1）と、球面２の中心座標（ｘ_０2，ｙ_０2，ｚ_０2）の間の距離（中心間距離）をＬ_０＝√{（ｘ_０1−ｘ_０2）^２＋（ｙ_０1−ｙ_０2）^２＋（ｚ_０1−ｚ_０2）^２}によって算出する。そして、この中心間距離Ｌ_０に基づいて、上記のタイプ別に中心厚を算出する。まず、両凸レンズの場合には、中心厚はｈ＝ｒ_１＋ｒ_２−Ｌ_０によって求められる。また、両凹レンズの場合には、中心厚はｈ＝Ｌ_０−ｒ_１−ｒ_２によって求められる。さらに、メニスカスレンズの場合において、表面Ｓｏ１が凸、裏面Ｓｏ２が凹の場合には、ｚ_０1＞ｚ_０2であれば、中心厚はｈ＝ｒ_１＋Ｌ_０−ｒ_２により求められ、ｚ_０1＜ｚ_０2であれば、中心厚はｈ＝ｒ_１−Ｌ_０−ｒ_２により求められる。また、メニスカスレンズの場合において、表面Ｓｏ１が凹、裏面Ｓｏ２が凸の場合には、ｚ_０1＞ｚ_０2であれば、中心厚はｈ＝ｒ_２＋Ｌ_０−ｒ_１で求められ、ｚ_０1＜ｚ_０2であれば、中心厚はｈ＝ｒ_２−Ｌ_０−ｒ_１により求められる。

本実施形態では、面測定装置１において、さらに面のＺ軸方向の位置を精度よく測定するために、第１測定ヘッド４ｕと第２測定ヘッド４ｄとの間の第１基準対象物（マスター基板）によるＺ軸原点合わせ処理と、第２基準対象物（マスターレンズ）による算定結果調整処理と、第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄのＺ軸倒れ補正処理と、を行うようにしている。

上記Ｚ軸原点合わせ処理では、既定の厚みｄ_０を有する平行平板からなる第１基準対象物（マスター基板）を上記載置台７に装着し、第１測定ヘッド４ｕによる第１基準対象物の表面のＺ軸方向の位置測定と、第２測定ヘッド４ｄによる第１基準対象物の裏面のＺ軸方向の位置測定とを上述の方法で実施し、表面のＺ座標の値がＰｚｕ１、裏面のＺ座標値がＰｚｄ２であれば、Δｚ＝（Ｐｚｕ１−Ｐｚｄ２）−ｄ_０をオフセット量として記録する。そして、このＺ軸方向のオフセット量Δｚを用いて、第１測定ヘッド４ｕによる測定値のＺ軸方向の原点と、第２測定ヘッド４ｄによる測定値のＺ軸方向の原点とを一致させる。

上記算出結果調整処理では、第２基準対象物（マスターレンズ）の中心厚がｈ＝ｈ_０に形成されているため、この第２基準対象物を上記対象物ＯＢとして測定し、上述と同様の方法で中心厚を求めた結果、中心厚ｈ＝ｈ′となった場合には、中心厚ｈに関するオフセット値としてΔｈ＝ｈ_０−ｈ′を設定し、記録する。そして、その後の測定においては、上記の方法で算出した中心厚をｈｓとしたとき、最終的な中心厚の値をｈ＝ｈｓ＋Δｈによって求める。このオフセット値Δｈは、なるべく温度や湿度などの環境条件を反映したものとするため、直前に測定して用いることが望ましい。

上記Ｚ軸倒れ補正処理では、図示しない基準スケールを用いて、リニアスケール等からなるヘッド位置検出器６ｕ，６ｄの目盛誤差を測定し、そのうちの標尺定数（単位長さ当たりのずれ量）に相当する値を、第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄの移動方向のＺ軸に対する倒れ角に起因して生ずる誤差であるとして、下記の比例定数による補正を行うようにしている。第１測定ヘッド４ｕ及び第２測定ヘッド４ｄのＺ軸方向の真の位置がＰ_０（Ｚｕ０）、Ｐ_０（Ｚｄ０）であるとすると、上記移動方向がＺ軸に対して傾斜していることによる比例定数がΔｃ（＜１）であることが測定結果から判明した場合、実際の検出信号Ｚｕ０、Ｚｄ０によって得られる測定ヘッド４ｕ，４ｄの位置は、Ｐ（Ｚｕ０）＝Δｃ×Ｐ_０（Ｚｕ０）、Ｐ（Ｚｄ０）＝Δｃ×Ｐ_０（Ｚｄ０）となるので、補正後の位置を、Ｐ_０（Ｚｕ０）＝Ｐ（Ｚｕ０）／Δｃ、Ｐ_０（Ｚｄ０）＝Ｐ（Ｚｄ０）／Δｃによって算出する。

以上説明した本実施形態の面測定装置１、及び、この面測定装置１を用いた面測定方法は、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向（Ｚ軸方向）の位置を測定する装置若しくは方法である。この位置の測定には共焦点センサを用いる。共焦点センサの測定ヘッド４ｕ，４ｄは主軸方向に移動可能とされる。測定ヘッド４ｕ，４ｄは、光源４１の光Ｐを対象物ＯＢに向けて出射し、対物レンズ４６により軸上色収差を有する態様で収束させる。また、測定ヘッド４ｕ，４ｄは、上記光Ｐの反射光Ｑを対象物ＯＢから受けて光検出部５ｕ，５ｄに導く。光検出部５ｕ，５ｄでは、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２で合焦した光の波長λｓを検出する。この波長λｓの検出は、測定ヘッド４ｕ，４ｄに対して、その波長λｓに対応する距離Ｌｓの位置に面Ｓｏ１，Ｓｏ２が配置されていることを示す。

測定ヘッド４ｕ，４ｄは主軸方向に移動可能に構成される。測定ヘッド４ｕ，４ｄの主軸方向の位置（検出信号Ｚｕ０，Ｚｄ０により示されるＰ（Ｚｕ０），Ｐ（Ｚｄ０））はヘッド位置検出器６ｕ，６ｄによって検出される。また、測定ヘッド４ｕ，４ｄに対する対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向の相対位置（検出信号Ｚｕｓ，Ｚｄｓによって示されるＰ（Ｚｕｓ），Ｐ（Ｚｄｓ））は光検出部５ｕ，５ｄによって出力される。制御部１０は、上記測定ヘッドの位置Ｐ（Ｚｕ０），Ｐ（Ｚｄ０）と、上記面の相対位置Ｐ（Ｚｕｓ），Ｐ（Ｚｄｓ）とから、面Ｓｏ１，Ｓｏ２のＺ軸方向の位置Ｐｚｕ１＝Ｐ（Ｚｕ０）＋Ｐ（Ｚｕｓ）、Ｐｚｄ２＝Ｐ（Ｚｄ０）＋Ｐ（Ｚｄｓ）を求める。ここで、測定ヘッドの主軸方向の位置は、対象物ＯＢに対して静止した装置１等の部位を基準とした位置である。また、相対位置は、対象物ＯＢに対して主軸方向に移動可能な測定ヘッド４ｕ，４ｄを基準とした面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向の位置である。

測定ヘッド４ｕ，４ｄを含む主軸方向の位置測定システムは、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向の相対位置（測定ヘッドに対する位置）を検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内において非接触で検出可能である。また、測定ヘッド４ｕ，４ｄを含む主軸方向の位置測定システムは、面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向の相対位置を測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内において既定の精度により非接触で測定可能である。測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）は検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内に含まれ、多くの場合には、検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）よりも狭い領域である。ここで、距離Ｌは、測定ヘッド４ｕ，４ｄと面Ｓｏ１，Ｓｏ２との間の距離である。本実施形態では、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２の位置測定時においては、測定ヘッド４ｕ，４ｄの主軸方向の相対位置が測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内に配置されるように、測定ヘッド４ｕ，４ｄの主軸方向の位置を制御する。これによって、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向の位置を求める際に既定の精度を確保することができる。

ここで、共焦点センサによる或る面の主軸方向の相対位置の測定精度は、光源４１から出射される光Ｐのスペクトル分布と、対象物ＯＢの面Ｓｏ１，Ｓｏ２による反射光Ｑの光反射率分布とによって定まる。スペクトル分布は光源４１の選定に依存する。本実施形態では、白色ＬＥＤを採用するが、ハロゲンランプなどの他の光源を用いてもよい。光源４１のスペクトル分布により、光Ｐの強度の高い波長領域や低い波長領域が決定され、これに応じて、検出可能波長範囲Ｄ（λ）や測定可能波長範囲Ｅ（λ）が定まり、これらに対応して、検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）や測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）が定まる。また、光反射率分布は対象物ＯＢの材質や面Ｓｏ１，Ｓｏ２の主軸方向に対する角度、平滑性、配置などに依存する。透明材などの低反射率の素材、上記角度が大きくなる面形状、平滑性に欠ける面形状などにより、反射光強度は低下する。対象物ＯＢの光Ｐに対する光学特性、面Ｓｏ１，Ｓｏ２の角度や面形状により、反射光Ｑの高い波長領域や低い波長領域が決定され、これに応じて、検出可能波長範囲Ｄ（λ）や測定可能波長範囲Ｅ（λ）が定まり、これらに対応して、検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）や測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）が定まる。

本実施形態では、ＸＹ平面に沿って測定ヘッド４ｕ．４ｄが移動し、測定位置ＭＰに到達する。このとき、制御部１０は、測定されるべき面の主軸方向の相対位置の値が検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内になるように、測定ヘッド４ｕ，４ｄのＺ軸方向の位置を制御する。これは、測定ヘッド４ｕ，４ｄが測定位置ＭＰに到達した後に、位置測定のために、上記相対位置の値が測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内になるようにするための、測定ヘッド４ｕ，４ｄのＺ軸方向の位置の移動量を減少させるのに役立つ。位置測定時の直前の測定ヘッド４ｕ，４ｄの移動は、装置１に振動や撓みを発生させ、測定ヘッド４ｕ，４ｄの位置が安定するまでに必要な時間を増大させる。上記移動量が少なければ、測定ヘッド４ｕ，４ｄの位置も安定し、また、安定するまでの時間も短縮する。したがって、面のＺ軸方向の位置測定の精度を高めることができる。なお、測定ヘッド４ｕ，４ｄが測定位置ＭＰに到達した時点で、上記相対位置の値が検出可能位置範囲Ｄ（Ｌ）内であって、しかも、測定可能位置範囲Ｅ（Ｌ）内になっていても構わない。

本実施形態では、上記面測定装置１を用いて、上記方法でレンズの中心厚の計測を連続的に繰り返す実験を行った。計測開始時刻は夕刻の１７時４７分、計測終了時刻は翌日午前中の９時１０分であり、合計４７２回の中心厚の計測を実施した。対象物ＯＢとして、上記第２基準対象物であるマスターレンズ（厚みが１５．９９６０ｍｍ、直径が２５０ｍｍ）をセットし、これを繰り返し測定した。これを図９に示す。また、前回計測値との差を示すグラフを図１０に示す。これによれば、外来の振動や人の出入りによる温度変動の影響で、１７時４７分から２２時過ぎまでは、中心厚の計測値が０．５μｍの幅で変動していた。一方、２２時３７分から翌朝８時３０分までは、上記外来の振動や温度変化がなくなったためか、中心厚の計測値の変動幅は０．０５〜０．１μｍとなった。このような極めて高い計測精度は、従来の測定器で得られる精度に比べると、２桁以上高い値を備えている。

尚、本発明の面測定方法及び面測定装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、対象物ＯＢの面Ｓｏ１の主軸方向の位置を測定する第１測定ヘッド４ｕと、他方の面Ｓｏ２の主軸方向の位置を測定する第２測定ヘッド４ｄとを別々に設けたが、上記レンズのように透光性を備えた対象物であれば、当該対象物の光屈折率を考慮することにより、一方の測定ヘッドのみで二つの面Ｓｏ１とＳｏ２の主軸方向の位置を共に測定することも可能である。

１…面測定装置、２…支持台、３…支柱部、４ｕ…第１測定ヘッド、４ｄ…第２測定ヘッド、５ｕ，５ｄ…光検出部、６ｕ，６ｄ…位置検出器、７…載置台、８…上テーブル、８ａ，９ａ…駆動機構、８ｂ，９ｂ…案内機構、９…下テーブル、１０…制御部、１０Ｚｕ，１０Ｚｄ，１０Ｘ、１０Ｙ…駆動回路、１１ｕ，１１ｄ，１４ｘ，１４ｙ…サーボモータ、１２ｕ，１２ｄ，１５ｘ，１５ｙ…ボールねじ、１２ｇ、１２ｈ…スライダ、１３ｕ，１３ｄ，１６ｘ，１６ｙ…サーボ用位置検出器、４１…光源、４２，４４，５１…光ファイバ、４３…光結合器、４４ａ…ピンホール（光ファイバの端面のコア部）、４５…コリメートレンズ、４６…対物レンズ、Ｌ，Ｌｓ…距離、λ，λｓ…波長、Ｄ（Ｌ）…検出可能位置範囲、Ｄ（λ）…検出可能波長範囲、Ｅ（Ｌ）…測定可能位置範囲、Ｅ（λ）…測定可能波長範囲、Ｚｕ０，Ｚｄ０…検出信号（測定ヘッドの絶対位置）Ｚｕｓ，Ｚｄｓ…検出信号（検出面の相対位置）、Ｉｕｓ，Ｉｄｓ…検出信号（反射光強度）、ＭＰ…測定位置、ＯＢ…対象物（レンズ）、Ｓｏ１…面（表面）、Ｓｏ２…面（裏面）、ｈ…中心厚

Claims (11)

1. 対象物の面の主軸方向の位置測定が実施される面測定方法であって、
   前記対象物に対して前記主軸方向に配置され、前記主軸方向に移動可能に構成された測定ヘッドから、前記対象物に向けて収束し、軸上色収差を備えた態様の複数の波長を含む照明光が放出され、かつ、前記測定ヘッドにより前記照明光の反射光が取得され、
   該反射光のうち前記対象物の面に焦点を結ぶ光の波長が光検出部により検出されて、前記測定ヘッドに対する前記対象物の面の前記主軸方向の相対位置が前記光検出部による前記波長の検出値から導出されるとともに、
   前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置がヘッド位置検出器により検出され、
   前記対象物の面の位置測定時において、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が既定の精度で測定可能な測定可能位置範囲内となるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置が制御され、
   前記測定可能位置範囲内の前記相対位置の値と、この値が得られた時の前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置の値とに基づいて、前記対象物の面の前記主軸方向の位置が求められることを特徴とする面測定方法。
2. 前記測定ヘッドは、前記対象物に対して、前記主軸方向と交差する平面に沿って相対移動可能に構成され、
   前記測定ヘッドの前記対象物に対する前記平面に沿った相対移動の前後の複数の測定位置で前記対象物の面の位置測定が実施されることを特徴とする請求項１に記載の面測定方法。
3. 前記測定ヘッドが前記対象物に対して前記平面に沿って相対移動する過程で、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が検出可能な検出可能位置範囲内になるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置が制御されることを特徴とする請求項２に記載の面測定方法。
4. ４以上の複数の前記測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４以上の複数の位置座標に基づいて、前記対象物の面に対応する球面が算出されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面測定方法。
5. 前記４以上の複数の測定位置は、前記対象物の面の外形の内接円の２０％以下の半径を有する中心円内の領域に限定して設定されることを特徴とする請求項４に記載の面測定方法。
6. ４を越える数の複数の前記測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の面上の４を越える数の複数の位置座標に最小二乗法が適用されることにより、前記対象物の面に対応する球面が算出されることを特徴とする請求項４又は５に記載の面測定方法。
7. 前記対象物の面の反対側にある他方の面に対して、４以上の複数の測定位置において前記位置測定が実施され、該位置測定により得られた前記対象物の他方の面上の４以上の複数の位置座標に基づいて、前記対象物の他方の面に対応する球面が算出され、前記対象物の面に対応する前記球面と、前記対象物の他方の面に対応する前記球面とに基づいて、前記対象物の軸線の位置若しくは中心厚が算出されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の面測定方法。
8. 前記対象物の面を測定する第１の前記測定ヘッドと、前記対象物の他方の面を測定する第２の前記測定ヘッドとを設けることを特徴とする請求項７に記載の面測定方法。
9. 対象物の面の主軸方向の位置測定のための面測定装置であって、
   前記対象物に対して主軸方向に配置され、前記対象物に向けて収束し、軸上色収差を備えた態様の複数の波長を含む照明光を放出し、かつ、該照明光の反射光を取得する測定ヘッドと、
   該測定ヘッドを前記主軸方向に移動可能に駆動するヘッド駆動機構と、
   前記反射光のうち前記対象物の面に焦点を結ぶ光の波長を検出し、該波長から前記対象物の面の前記主軸方向の相対位置を導出する光検出部と、
   前記測定ヘッドの前記主軸方向の位置を検出するヘッド位置検出器と、
   前記対象物の面の位置測定時において、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が既定の精度で測定可能な測定可能位置範囲内となるように、前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置を制御し、前記測定可能位置範囲内の前記相対位置の値と、この値が得られた時の前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置の値とに基づいて、前記対象物の面の前記主軸方向の位置を求める制御部と、
   を具備することを特徴とする面測定装置。
10. 前記測定ヘッドを前記対象物に対して前記主軸方向と交差する平面に沿って相対移動可能に構成する平面駆動機構をさらに具備し、
    前記制御部は、前記測定ヘッドの前記対象物に対する前記平面に沿った相対移動の前後の複数の測定位置で前記対象物の面の位置測定を実施することを特徴とする請求項９に記載の面測定装置。
11. 前記制御部は、前記平面駆動機構により前記測定ヘッドが前記対象物に対して前記平面に沿って相対移動する過程で、前記相対位置の値が、前記光検出部により前記波長が検出可能な検出可能位置範囲内になるように、前記ヘッド駆動機構により前記測定ヘッドの前記主軸方向の前記位置を制御することを特徴とする請求項１０に記載の面測定装置。

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