JP3604996B2 - ３次元形状測定機及びその測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部品や金型等の表面形状を高精度に測定する３次元形状測定機及びその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学部品や金型等の物体表面形状を高精度に測定するために、３次元形状測定機を利用することが広く知られている。一般に、３次元形状測定機は接触型若しくは非接触型のプローブを被測定物に近付け、両者が略一定の距離、若しくは略一定の力関係になるようにプローブ位置を制御した上で、これを被測定物上を走査させることにより形状測定を行うものである。
【０００３】
このような３次元形状測定機の一例として、特開平４−２９９２０６号公報に開示されている超高精度３次元形状測定機について図９を参照して説明する。同図において、２７はＸステージであり、その上にＹステージ２８、さらにその上にＺステージ４が構成されている。Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直な平面上となるＹＺ−ＸＺ−ＸＹ面上にそれぞれＸ基準ミラー２９、Ｙ基準ミラー３０、Ｚ基準ミラー５が配置されている。Ｚステージ４上には被測定物１とＺステージ４上の特定点の距離Ｚ１を検出する光プローブ２６、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＺ基準ミラー５の距離Ｚ２を検出する測定手段９ｃ、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＸ基準ミラー２９の距離Ｘを検出する測定手段９ｊ、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＹ基準ミラー３０の距離Ｙを検出する測定手段９ｋ（Ｚステージ４の裏側になるため図示せず）が配置されている。
【０００４】
したがって、Ｚステージ４上に設置された光プローブ２６はＸ−Ｙ−Ｚ軸方向への移動が可能であり、また、その時の３次元座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ１とＺ２とから算出したＺ）とすることができる。光プローブ２６を被測定物１の全面に走査させ、その時の３次元座標を検出することで、被測定物の３次元形状を測定することができる。
【０００５】
また、別の従来例として、特許番号第２６７１４７９号公報に開示されている面形状測定装置について図１０を参照して説明する。同図において、フィゾー型干渉計を利用し、被測定物１を使用状態と同じ水平方向に保持したまま両面１ａ，１ｂ測定を実現している。
【０００６】
レーザ光源１５から射出された光束は、レンズ３１及びハーフミラー３２及びコリメータレンズ３３を介して、反射ミラー３４ａに進んで行く。反射ミラー３４ａは光路への出し入れが可変であり、光路へ入れた場合は、光束が反射ミラー３４ａで垂直方向に曲げられ、さらに反射ミラー３４ｂ及び３４ｃで反射された後、基準レンズ３５に入射する。ここで光束の一部は基準レンズ３５の基準面３５ａにて反射し、他は透過することになる。基準レンズ３５を透過して被測定物１に入射した光束は、被測定物１の表面１ａにて反射して測定光波となる。また、基準レンズ３５の基準面３５ａで反射した光波は、基準光波となる。基準光波と測定光波は再び重なり合い干渉して、来た光路を戻ることになる。反射ミラー３４ｃ，３４ｂ，３４ａで光路を垂直方向にそれぞれ曲げられた後、コリメータレンズ３３を介してハーフミラー３２に入射する。ここで干渉光波は垂直方向に曲げられ、集光レンズ３７を介してＣＣＤカメラ等の干渉検出手段３８で検出される。これにより、基準レンズ３５の基準面３５ａと被測定物１の表面１ａの面形状の差が測定できたことになる。
【０００７】
さらに、被測定物１の裏面１ｂの面形状測定方法について説明する。先程光路に入れた反射ミラー３４ａを光路から出しておく。上記と同様に、レーザ光源１５から射出した光束は反射ミラー３４ａまで進んでくるが、ここでは、反射ミラー３４ａが光路外に出されているので、光束はそのまま直進し、次の反射ミラー３４ｄで垂直方向に曲げられることになる。その後、この光束は基準レンズ３６に入射するが光束のほとんどは透過して、被測定物１の裏面１ｂで反射し、測定光波となる。一方、基準レンズ３６の基準面３６ａで反射した光波は基準光波となる。この基準光波と測定光波は再び重なり合うことにより干渉して、来た光路を戻ることになる。反射ミラー３４ｄ、コリメータレンズ３３、ハーフミラー３２、集光レンズ３７を介して、ＣＣＤカメラ等の干渉縞検出手段３８で検出される。これにより、基準レンズ３６の基準面３６ａと被測定物１の裏面１ｂの面形状の差が測定できることになる。
【０００８】
このように、反射ミラー３４ａを光路から出し入れすることにより、光路の切り替えを行い、被測定物１を使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被測定物１の表面１ａの面形状あるいは被測定物１の裏面１ｂの面形状が測定することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記３次元形状測定機の内、図９に示した装置においては、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直なＹＺ−ＸＺ−ＺＹ面上に基準ミラー２９，３０，５を各々配置して高精度測定を可能としているが、被測定物１の両面を測定する場合、片面測定後に被測定物１の向きを反転させる手間が必要となる。また、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合は、被測定物１の下面形状は使用時と異なる状態、即ち被測定物１の下面を反転させて上にした状態で測定することになり、測定結果には重力による歪みの影響分が誤差として含まれてしまうという問題点があった。
【００１０】
また、図１０に示した面形状測定装置では、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合は、光学系の切り替えにより、被測定物１は使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被測定物１の両面の面形状測定が可能であるが、面形状測定に干渉を利用しているため、測定光波と基準光波との差が大き過ぎると測定できなくなる等の問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、被測定物を反転させたり、干渉を利用したりすることなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持したまま、その面形状を高精度に測定することができる、簡単な構成の３次元形状測定機及びその測定方法を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の３次元形状測定機は、水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用いて、水平方向に保持された被測定物の形状を非接触型の光プローブを走査させて測定する３次元形状測定機において、
前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブとから成っており、前記上面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に配置され、前記下面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に配置され、前記被測定物は、ロータ部とこのロータ部を支持するハウジング部より成る前記θ軸方向に回転可能なθステージに支持されており
前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位置及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置されている、前記上面Ｒステージまたは上面Ｚステージに設けられた、前記上面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記上面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記下面Ｒステージまたは下面Ｚステージに設けられた、前記下面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記下面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記θステージの回転角度を検出するためのθ軸位置検出手段と、
前記光プローブの走査や前記被測定物の回転の運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤差検出手段と、
を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記Ｒ軸位置検出手段は、前記Ｚ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｒ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々２つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｒ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記Ｚ軸位置検出手段は、前記Ｒ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｚ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々１つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記θ軸位置検出手段は、前記θステージの回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置されたθスケールと、これを検出するスケール検出部とから成ることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記運動誤差検出手段は、前記θステージの前記ロータ部上に配置されたθスラスト基準ミラー、前記ロータ部の外周面に配置されたθラジアル基準ミラー、このθラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置いて対向して少なくとも２面設けたθラジアル測定用基準ミラー、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーの両端側近傍にそれぞれ配置され、当該上面及び下面Ｚ基準ミラーの距離変動を検出するために４面設けた上下伸縮測定用基準ミラー、これらの基準ミラー間の距離を測定するための少なくとも６つのレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明の３次元形状測定方法は、水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用い、θ軸方向に回転可能なθステージに支持されることにより水平方向に保持された被測定物の３次元形状を、光プローブを走査させて測定する３次元形状測定方法において、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブを設け、前記上面光プローブ及び下面光プローブで同時に走査させる際、前記被測定物と光プローブの距離が常に略一定となるように、当該光プローブをＲ軸方向及びＺ軸方向に移動させながら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に複数の任意の位置で、前記光プローブの位置情報と前記光プローブや前記θステージの駆動による運動誤差情報を検出し、これらの情報から算出した３次元位置情報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項６の発明において前記位置情報は、上面Ｒ基準ミラーと上面光プローブ問の距離Ｒｕ、上面Ｚ基準ミラーと上面光プローブ間の距離Ｚｕ、下面Ｒ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｒｄ、下面Ｚ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｚｄ、上面光プローブ及び下面光プローブの走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の偏差Ｐｕ及びＰｄ、被測定物の回転角度Ｒθ、から検出することを特徴としている。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記運動誤差情報は、前記θステージのスラスト方向の運動誤差θＳＤ、当該θステージのラジアル方向の運動誤差θＲＤ、前記上面Ｚ基準ミラーと下面Ｚ基準ミラー間の変動ＶＤ、から検出することを特徴としている。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項６の発明において前記被測定物の上面形状を測定する際、前記上面光プローブが上面形状に沿って走査している間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記被測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブが下面形状に沿って走査している間、前記上面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基にして前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加えることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施形態を示す３次元形状測定機の要部構成図、図２は図１の３次元形状測定機を示す側面図、図３はＲ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ測長器を示す配置構成図、図４はθステージを示す配置構成図、図５は光プローブを示す光学配置図、図６はＺ軸のサーボ構成を示すブロック図、図７はレーザ測長器を示す光学配置図である。 図１及び図２において、１は被測定物であり、ここでは水平方向に保持して使用される軸対象の非球面レンズとしている。被測定物１の上面側及び下面側には、被測定物１の形状に沿って走査する上面光プローブ２ｕ、及び下面光プローブ２ｄを配置している。ここでは、レンズに傷を付けない非接触型の光プローブを採用している。
【００２７】
先ず、被測定物１の上面１ｕ側の測定系の構成について説明する。３ｕは被測定物１と平行、即ち水平方向に移動する上面Ｒステージ、４ｕは被測定物１に対して垂直方向に移動する上面Ｚステージである。したがって、上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステージ４ｕ上にある光プローブ２ｕはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成となっている。５ｕはＲ軸に対して平行で且つＲ−Ｚ面の位置に配置した上面Ｚ基準ミラー、６ｕはＺ軸に対して平行で且つＲ−Ｚ面の位置に配置した上面Ｒ基準ミラーである。
【００２８】
次に、被測定物１の下面１ｄの測定系の構成について説明する。３ｄは被測定物１と平行、即ち水平方向に移動する下面Ｒステージ、４ｄは被測定物１に対して垂直方向に移動する下面Ｚステージである。したがって、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄ上にある光プローブ２ｄはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成となっている。５ｄはＲ軸に対して平行、且つＲ−Ｚ面の位置に配置した下面Ｚ基準ミラー、６ｄはＺ軸に対して平行で、且つＲ−Ｚ面の位置に配置した下面Ｒ基準ミラーである。４０はエアーベアリングより成るθステージで、被測定物１をθ軸方向（Ｚ軸の回転方向）に回転させる手段である。θステージ４０は、回転側のロータ部８と、このロータ部を回転可能に支持する固定側のハウジング部７とから成っている。詳細は後述するが、ロータ部８上にはスケール１３及びθ基準ミラー１４ａ，１４ｂ（図４参照）が配置されている。
【００２９】
９が付されている部品はＲ−Ｚ面上における光プローブ２ｕ，２ｄの位置を検出するためのレーザ測長器（総称してレーザ測長器９と言う）である。９ａｕ，９ｂｕは上面Ｒ測定用、９ａｄ，９ｂｄは下面Ｒ測定用であり、ここではアッベ誤差の影響をなくすためにそれぞれ２つずつ用いている。９ｃｕは上面Ｚ測定用、９ｃｄは下面Ｚ測定用であり、それぞれ光プローブ２ｕ，２ｄが作り出すキャッツアイポイントをＺ軸と平行に延長させた線上にそれぞれ配置されているので、アッベ誤差は発生しない。
【００３０】
これら上面及び下面Ｒ基準ミラー６ｕ，６ｄ、レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕ，９ａｄ，９ｂｄにより光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸位置検出手段が構成され、上面及び下面Ｚ基準ミラー５ｕ，５ｄ、レーザ測長器９ｃｕ，９ｃｄによりＺ軸位置検出手段が構成されている。
【００３１】
さらに、９ｄ，９ｅはθスラスト測定用、９ｆ，９ｇはθラジアル測定用、９ｈ，９ｉは上下伸縮測定用のレーザ測長器であり、それぞれ測定中における距離変動分を検出する運動誤差検出手段の一部として使用される。１０はエアーベアリングのロータ部８上のθスケール１３（図４参照）の回転角度の検出を行うスケール検出部である。このスケール１３及びスケール検出部１０によりθ軸位置検出手段が構成されている。
【００３２】
１１ａ，１１ｂはθラジアル測定用基準ミラー、１１ｃ，１１ｄは上面Ｚ基準ミラー５ｕの両側近傍に、１１ｅ，１１ｆは下面Ｚ基準ミラー５ｄの両側近傍にそれぞれ配置された上下伸縮測定用基準ミラーである。１２ｕは上面Ｒステージ３ｕと上面Ｚステージ４ｕを搭載する架台、１２ｄは下面Ｒステージ３ｄと下面Ｚステージ４ｄを搭載する架台である。
【００３３】
図２に示すように、上面光プローブ２ｕ、下面光プローブ２ｄ、及び光プローブ２ｕ，２ｄのレーザ測長器９（同図では代表的なレーザ測長器のみ図示）は、全てＲ−Ｚ面上に配置されていることが分かる。
【００３４】
上記Ｒ軸位置検出手段、Ｚ軸位置検出手段、θ軸位置検出手段により位置検出手段が構成されている。
【００３５】
レーザ測長器９の配置を図３に示している。同図において、レーザ測長器９と上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離はＲｕであって、Ｒｌｕはレーザ測長器９ａｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離を、Ｒ２ｕはレーザ測長器９ｂｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離をそれぞれ示しており、上面Ｒステージ３ｕ移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使用する。Ｚｕはレーザ測長器９ｃｕと上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、又Ｐｕは上面光プローブ２ｕから出力される位相差の偏差を示し、上面Ｚステージ４ｕ移動量及びＺ方向振動等のＺ方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。同様に、レーザ測長器９と下面Ｒ基準ミラー６ｄ間の距離はＲｄであって、Ｒｌｄはレーザ測長器９ａｄと下面Ｒ基準ミラー６ｄ間の距離を、Ｒ２ｄはレーザ測長器９ｂｄと下面Ｒ基準ミラー６ｄ問の距離を示し、下面Ｒステージ３ｄ移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使用する。Ｚｄはレーザ測長器９ｃｄと下面Ｚ基準ミラー５ｄ間の距離を示し、又Ｐｄは下面光プローブ２ｄから出力される位相差の偏差を示し、下面Ｚステージ４ｄ移動量及びＺ方向振動等のＺ方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。θＳＤ（θＳＤｌ，θＳＤ２）はθステージ４０のスラスト面にあるθ基準ミラー１４ａと上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、θステージ４０のスラスト方向のぶれ量（面ぶれ）の検出に使用する。又、θＲＤ（θＲＤ１，θＲＤ２）はθステージ４０のラジアル面にあるθ基準ミラー１４ｂとラジアル測定用ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離をそれぞれ示し、θステージ４０のラジアル方向のぶれ量（軸ぶれ）の検出に使用する。ＶＤ（ＶＤｌ，ＶＤ２）は上面及び下面に設置された上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ間の距離を示し、測定中における上面Ｚ基準ミラー５ｕと下面Ｚ基準ミラー５ｄ問の距離変動分の誤差補正に使用する。Ｒθはθスケール１３を基準に検出されたθステージ４０の回転角度を示す。
【００３６】
θステージ４０となるエアーベアリング部は、図４に示すように、被測定物１をθ軸方向に回転させる手段である。同図において、７は固定側のハウジング部、８は回転側のロータ部である。ロータ部８の表面の一部には、精密加工後にアルミ蒸着と研磨によりθ基準ミラー１４ａ，１４ｂを形成しており、ロータ部８の上面の一部に、スラスト方向用のθスラスト基準ミラー１４ａを、ロータ部８の外周面全体にラジアル方向用のθラジアル基準ミラー１４ｂを設けている。レーザ測長器９ｄ及び９ｅ（図２参照）を用いて上面Ｚ基準ミラー５ｕとθスラスト基準ミラー１４ａ間の距離を測ることで、θステージ駆動時のスラスト方向変動が検出できる。同様に、レーザ測長器９ｆ及び９ｇ（図２参照）を用いてラジアル測定用基準ミラー１１ａ，１１ｂとθラジアル基準ミラー１４ｂ間の距離を測ることで、θステージ運動時のラジアル方向変動が検出できる。また、ラジアル方向にはθスケール１３が貼り付けられており、スケール検出部１０を利用してθステージ４０の回転角度Ｒθが検出できる。
【００３７】
上記θスラスト基準ミラー１４ａ、θラジアル基準ミラー１４ｂ、ラジアル測定用基準ミラー１１ａ，１１ｂ、上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ、レーザ測長器９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈ，９ｉにより運動誤差検出手段が構成されている。
【００３８】
上記上面及び下面光プローブ２ｕ，２ｄの詳細構成を図５に示している。同図において、１５は偏光方向が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光源である。レーザ光源１５から射出した光波は、ビームエキスパンダ１６で光波を拡大された後、偏光ビームスプリッタ１７ａで反射光波と透過光波に分けられる。反射光波はλ／４板１８ａを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、集光レンズ２０ａを介して被測定物１へ入射する。ここでは、集光レンズ２０ａにより光束が焦点に絞られた状態（キャッツアイポイント）で被測定物１に入射し、測定光波となって反射させている。尚、詳細は後述するが、被測定物１には常にキャッツアイポイントで入射するようにＺ軸サーボで調整されることになる。反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ａで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は透過することになる。偏光ビームスプリッタ１７ａでのもう一方の透過光波は、λ／４板１８ｂを通って直線偏光から円偏光へ変わって参照平面ミラー１９に入射し、参照光波となって反射する。反射した参照光波は、再び通るλ／４板１８ｂで往きと比べて９０°回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は反射することになる。偏光ビームスプリッタ１７ａで測定光波と参照光波が重なり合い、４５°方位の偏光板２１を通ることで干渉光波となる。この干渉光波はビームスプリッタ１７ｂで２分割され、そのまま透過した干渉光波はラインセンサ２２で検出されることになる。ラインセンサ２２が通常数十から数千チャンネル数のものがあり、ここでは干渉光波を検出可能な高周波応答タイプの数１０チャンネル程度のものを使用する。また、複数のラインセンサ出力のチャンネルから１チャンネルを選び出して測定信号とする際の選択条件は、測定点上での被測定物１の設計形状から傾斜角を算出し、被測定物１に対して法線方向、即ち正反射する光波の光線追跡により、その光束がラインセンサ２２上のどのチャンネルに取り込まれるか、予め算出して記憶しておき、測定位置によって使用するチャンネルをマルチプレクサによって選択することになる。又、ビームスプリッタ１７ｂで反射した干渉光波は集光レンズ２０ｂを介してフォトディテクタ２３で取り込み、参照信号となる。
【００３９】
Ｚ軸サーボの構成を図６に示している。但し、被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側共に同様な構成となるが、ここでは上面１ｕ側を例に説明する。光プローブ２ｕからの光束がキャッツアイポイントで被測定物１に入射するように上面Ｚステージ４ｕを移動させる。その状態における干渉光波から、ラインセンサ２２（図５参照）及びマルチプレクサ４４を介して検出した測定信号、及びフォトディテクタ２３（図５参照）からの参照信号は、それぞれ位相計４１に入力される。この位相計４１にて位相差Ｐｕｏを算出し、コンピュータ４２に記憶すると、Ｚサーボコントローラ４３によるＺ軸サーボが開始状態となる。次に、上面Ｒステージ４ｕやθステージ４０を同時に若しくは単独で移動させ、その時得られる位相差Ｐｕｉと記憶させている位相差Ｐｕｏを比較し、その偏差量ΔＰｕｉが常にゼロ若しくは略ゼロとなるように、Ｚサーボコントローラ４３は上面Ｚステージ４ｕを移動させる（サーボロック状態）。
【００４０】
偏差量ΔＰｕｉ ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
この時の偏差量ΔＰｕｉは、後ほど測定データに補正して反映させれば、サーボロックでの誤差を補正した正確な値が得られる。このようにして、被測定物１と上面光プローブ２ｕ間の距離を常に一定若しくは略一定に保ちながら、被測定物１の上面１ｕを上面光プローブ２ｕがスキャンして測定する。
【００４１】
レーザ測長器９の構成を図７に示している。図７（Ａ）は、レーザ測長器と一つの基準ミラー間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕ，９ｃｕ，９ａｄ，９ｂｄ，９ｃｄの構成を示す。ここでは共に、測定したい光路を２往復させるダブルパス方式としているため、レーザ測長器の測定分解能は２倍となる。同図（Ａ）において、１５は偏光方向が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光源である。レーザ光源１５から出射した光束は、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射光波と透過光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリッタ１７ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１８ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ｃで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は透過し、コーナーキューブ２４ｂで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１７ｃ及びλ／４板１８ｃを通り、基準ミラーに戻ってくる。再度反射した測定光波はλ／４板１８ｃで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射することになる。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板２１を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２５で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ２５で観測される。参照光波の光路長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の変動、即ち、ここでは各基準ミラーからの各ステージ移動量の２往復分が検出できる。
【００４２】
同様に、図７（Ｂ）は、２つの基準ミラー間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９ｆ，９ｇ，９ｉ，９ｈの構成を示している。同図（Ｂ）において、レーザ光源１５から出射した直交する２つの光波は、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射光波と透過光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリッタ１７ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１８ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ代わり、基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ｃで往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は透過し、λ／４板１８ｄを通って基準ミラー（例えばθスラスト基準ミラー１４ａ）で反射して元の光路を戻る。再びλ／４板１８ｄに入射した測定光波は、往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は反射してコーナーキューブ２４ａに入射する。測定光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１７ｃに入射し、ここで反射する。この後、測定光波はλ／４板１８ｄを通って再び基準ミラー（例えばθスラスト基準ミラー１４ａ）で反射し、λ／４板１８ｄ及び偏光ビームスプリッタ１７ｃ及びλ／４板１８ｃを透過して、再度基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）に入射し反射する。この基準ミラーで反射した測定光波は、再度λ／４板１８ｃを通過することで往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は反射する。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板２１を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２５で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ２５で観測される。参照光波の光路長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の光路長の変動、即ちここでは２つの基準ミラー間の距離の変動量の２往復分が検出できる。
【００４３】
次に、本実施形態の３次元形状測定機を用いた具体的な測定方法について、図１を参照して説明する。被測定物１である軸対象非球面レンズを、その軸をθステージ４０の回転軸と略一致するようにセッティングする。これにより、被測定物１側でのθ軸回転、及び光プローブ２ｕ，２ｄ側でのＲ−Ｚ軸走査を組み合わせることで、光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の形状に合わせて全面に走査できることになる。
【００４４】
先ず、被測定物１の上面１ｕ形状の測定方法について説明する。上面光プローブ２ｕをθ軸の回転中心まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後に上面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けて行き、上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕは、上面Ｒステージ３ｕをスキャンさせながら被測定物１の面形状に合わせてＺ軸サーボを追従させて使用し、上面Ｚステージ４ｕを動かすことになる。
【００４５】
また、同様にして、下面光プローブ２ｄをθ軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動させ、その後に下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に近づけていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、下面光プローブ２ｄは、測定している間はＲ軸の位置は保持したまま動かさず、被測定物１が振動等によりＺ軸の上下変動した分のみＺ軸サーボで追従させて動かすことになる。
【００４６】
ここで、サーボロックを開始するに当たり、開始時の各測定データを基準データとして取り込む。即ち、レーザ測長器９ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ〜９ｉの出力値のＲ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θＤ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，ＶＤ１，ＶＤ２、ロータリーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、及びＺ軸サーボの位相の偏差Ｐｕ，Ｐｄのデータをそれぞれ、Ｒ１ｕｏ，Ｒ２ｏ，Ｚ１ｏ，Ｚ１ｏ，θＤ１ｏ，θＤ２ｏ，θＤ３ｏ，θＤ４ｏ，ＶＤ１ｏ，ＶＤ２ｏ，ＲＥｏ，Ｐｕｏ，Ｐｄｏとしてコンピュータ４２に記憶させておく。次に、サーボロック状態のまま、上面Ｒステージ３ｕ及びθステージ４０を単独で、若しくは同時に移動させ、測定した任意の複数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取り込み順）でレーザ測長器９ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ〜９ｉの出力値、ロータリーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、Ｚ軸サーボの位相の偏差を同時に取り込み、それぞれＲ１ｕｉ，Ｒ２ｕｉ，Ｚ１ｉ，Ｚ１ｉ，θＤ１ｉ，θＤ２ｉ，θＤ３ｉ，θＤ４ｉ，ＶＤ１ｉ，ＶＤ２ｉ，ＲＥｉ，Ｐｕｉ，Ｐｄｉとしてコンピュータ４２に記憶させておく。同様にして、被測定物１の測定エリアに光プローブ２ｕ，２ｄを走査させながら、合計ｎ組の測定データを取り込んでおく。例えば、この後、次に示すような演算処理を行うと、被測定物１の上面１ｕ形状はｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒ２ｕｉ，θｕｉ，Ｚｕｉ）として表現でき、測定精度はｎｍオーダーを実現できる。
【００４７】
１．Ｒ座標：Ｒｕｉ
Ｒｉｄａｔａ ＝（（Ｒ１ｕｉ−Ｒ１ｕｏ）＋（Ｒ２ｕｉ−Ｒ２ｕｏ））／２
アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｕｉ−Ｒ１ｕｏ）＋（Ｒ２ｕｉ−Ｒ２ｕｏ））×（Ｄ１ｕ／Ｄ２ｕ）
軸振れ誤差 ＝（（θＤ３ｉ−θＤ３ｏ）＋（θＤ４ｉ−θＤ４ｏ））／２
Ｒｕｉ ＝ Ｒｉｄａｔａ ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差
２．θ座標：θｕｉ
θｕｉ ＝ ＲＥｉ − ＲＥｏ
３．Ｚ座標：Ｚｕｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
面振れ誤差 ＝（（θＤ１ｉ−θＤ１ｏ）＋（θＤ２ｉ−θＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｄｉ−Ｚ１ｄｏ）＋ （Ｐｄｉ−Ｐｄｏ）
Ｚｕｉ ＝ Ｚ１ｕｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ Ｚ方向振動尚、Ｄ１ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕの中間と光プローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離
Ｄ２ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕのＺ方向成分の距離
Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離
ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）：上面設計形状とＲｉｄａｔａの関係から算出される関数
また、被測定物１の下面１ｄ形状の測定は、次のようにして行う。上面光プローブ２ｕはθ軸の回転軸上のサーボロック位置まで上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステージ４ｕを用いて移動させた後に、測定中はＲ軸の位置は保持したまま動かさず、被測定物１が振動等によりＺ軸の上下変動した分のみＺ軸サーボで追従させて動かす。下面光プローブ２ｄはθ軸の回転軸上のサーボロック位置まで、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄを用いて移動させた後、下面Ｒステージ３ｄ及びθステージ４０を単独に若しくは同時に移動させることになる。上面１ｕの場合と同様に、サーボロック開始時の基準データを取り込めば良い。尚、この時の取り込む測定データは、上面測定時と同じデータであるＲ１ｄ，Ｒ２ｄ，Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θＤ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，ＲＥ，Ｐｕ，Ｐｄである。
【００４８】
被測定物１の下面１ｄ形状は以下のように演算処理を行うことで、ｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒｄｉ，θｄｉ，Ｚｄｉ）として表現することができ、測定精度はｎｍオーダーを実現できる。
【００４９】
１．Ｒ座標：Ｒｄｉ
Ｒｉｄａｔａ ＝（（Ｒ１ｄｉ−Ｒ１ｄｏ）＋（Ｒ２ｄｉ−Ｒ２ｄｏ））／２
アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｄｉ−Ｒ１ｄｏ）＋（Ｒ２ｄｉ−Ｒ２ｄｏ））×（Ｄ１ｄ／Ｄ２ｄ）
軸振れ誤差 ＝（（θＤ３ｉ−θＤ３ｏ）＋（θＤ４ｉ−θＤ４ｏ））／２
Ｒｄｉ ＝ Ｒｉｄａｔａ ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差
２．θ座標：θｄｉ
θｄｉ ＝ ＲＥｉ − ＲＥｏ
３．Ｚ座標：Ｚｄｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｄｉ − Ｐｄｏ
面振れ誤差 ＝（（θＤ１ｉ−θＤ１ｏ）＋（θＤ２ｉ−θＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｄ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｕｉ−Ｚ１ｕｏ）＋ （Ｐｕｉ−Ｐｕｏ）
基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１ｉ−ＶＤ１ｏ）＋（ＶＤ２ｉ−ＶＤ２ｏ））／２
Ｚｄｉ ＝ Ｚ１ｄｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ Ｚ方向振動＋ 基準ミラー間伸縮
尚、Ｄ１ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄの中間と光プローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離
Ｄ２ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄのＺ方向成分の距離
Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離
ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）：上面設計形状とＲｉｄａｔａの関係から算出される関数
尚、運動誤差の内、θスラスト測定は上面Ｚ基準ミラー５ｕを基準にして測定しており、また被測定物１の厚みを測定することも考えられるので、下面形状の測定結果には上記したように基準ミラー間伸縮分の補正分を加えることになる。
【００５０】
Ｒ−θ断面上で見た３パターンのデータ取り込み例を、図８に示している。但し、同図における軸は、一般によく使われているＸ−Ｙ座標系に変換したものを示している。 本発明では、Ｒステージ３ｕ，３ｄ及びθステージ４０を単独で動かしながらデータを等間隔で取り込めば、同図（Ａ）に示す渦巻きデータとして、またＲステージ３ｕ，３ｄとθステージ４０とを同時に動かさず、いずれかのステージのみを単独で動かしながらデータを等間隔で取り込めば、同図（Ｂ）に示す同心円データとして検出できる。また、一般に、３次元形状測定機等でよく用いられる同図（Ｃ）に示す格子データは、Ｒステージ３ｕ，３ｄ及びθステージ４０の移動量を格子状に合わせる、若しくは渦巻きデータや同心円データを座標変換や補間を用いて変換するといった方法により本発明でも対応可能となる。
【００５１】
本発明では、被測定物１の形状が軸対象の場合、渦巻データによってデータ検出を行うとθステージ４０や微小なＲステージ３ｕ，３ｄ移動に対して、サーボロック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄのＺ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走査が可能となる。また、同心円データによってデータ検出を行う場合は、Ｒステージ３ｕ，３ｄ移動後に、その状態を保持しておき、θステージ４０を単独で動かしながらデータを等間隔で取り込むようにすれば、上記と同様に、θステージ４０移動に対して、サーボロック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄのＺ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走査が可能となる。
【００５２】
このように、本発明の３次元形状測定機は、被測定物１をθステージ４０に搭載し、光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側にそれぞれ配置し、光プローブ２ｕ，２ｄ走査中に複数の任意の位置で光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸及びＺ軸の位置、及び被測定物１のθ軸回転位置、及び各種の運動誤差を同期で検出し、そこから算出した３次元位置情報を基にして被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定を行うものである。
【００５３】
以上説明した本実施形態が、図９及び図１０に示した従来例と大きく異なる３つの点を挙げることができる。その１つは、被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側にそれぞれに独立した上面光プローブ２ｕ及び下面光プローブ２ｄを配置し、被測定物１を水平方向に保持したまま光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄにスキャンさせて、被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの３次元形状を測定する点である。２番目は、座標系をＲ−θ−Ｚ系として構成し、Ｒ軸及びＺ軸における光プローブ２ｕ，２ｄの位置情報の検出手段として、被測定物１の上面１ｕ側と下面１ｄ側にそれぞれにＲ基準ミラー５ｕ，５ｄ、Ｚ基準ミラー６ｕ，６ｄを配置して、レーザ測長器９ａｕ，９ａｄ等を用いて検出し、又θ軸の位置情報の検出手段として、θステージ４０に取り付けられたθスケール１３をスケール検出器１０で読み込む点である。３番目は、測定中の運動誤差を検出するために、複数の基準ミラーを配置して測定結果を補正している点である。
【００５４】
したがって、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合に、使用時と同じ状態で被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定が可能になるため、従来のように、下面１ｄ形状の測定結果には被測定物１を反転させることによる重力による歪み誤差が生じることなく、高精度な面形状測定が可能となる。また、光プローブ２ｕ，２ｄを利用して面形状測定を行うため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせず、多様な被測定物の形状測定に対応することができる。
【００５５】
また、被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄ形状を同時に測定することで、測定時間の短縮を図ることができる。
【００５６】
次に、第２の実施形態について説明する。この実施形態は上記第１の実施形態と同様に、被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状の測定を同時に行う構成であるが、多少の測定精度を犠牲にしても、測定時間を略半分程度に短縮することができる例である。 図１に示すように、上面光プローブ２ｕをθ軸の回転中心まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後に上面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けていき、上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。また同様に、下面光プローブ２ｄをθ軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動させた後、下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に近付けていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕ、下面光プローブ２ｄの走査は、被測定物１の面形状に合わせてＺ軸サーボを追従させて使用することになる。
【００５７】
サーボロック開始時の基準データ（ｉ＝０）及び測定したい任意の複数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取込み順）での各測定データを取り込めば良い。尚、この取り込む測定データは、Ｒ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１，Ｚ１，θＳＤ１，θＳＤ２，θＲＤ１，θＲＤ２，ＶＤ１，ＶＤ２，Ｒθ，Ｐｕ，Ｐｄである。
【００５８】
被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状は、以下のように演算処理を行うことで、ｎ組みのＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒｕｉ−θｕｉ−Ｚｕｉ）及び（Ｒｄｉ−θｄｉ−Ｚｄｉ）として表現でき、精度測定はｎｍオーダーを実現できる。尚、Ｒｕｉ−θｕｉ−Ｚｕｉ、Ｒｄｉ−θｄｉ−Ｚｄｉは、実施例１と同じ式で表せるのでここでは省略する。
【００５９】
・上面Ｚ座標：Ｚｕｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
面振れ誤差 ＝（（θＳＤ１ｉ−θＳＤ１ｏ）＋（θＳＤ２ｉ−θＳＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚｕｉ ＝ Ｚ１ｕｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差
・下面Ｚ座標：Ｚｄｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｄｉ − Ｐｄｏ
面振れ誤差 ＝（（θＳＤ１ｉ−θＳＤ１ｏ）＋（θＳＤ２ｉ−θＳＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｄ（Ｒｉｄａｔａ）
基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１ｉ−ＶＤ１ｏ）＋（ＶＤ２ｉ−ＶＤ２ｏ））／２
Ｚｄｉ ＝ Ｚ１ｄｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ 基準ミラー間伸縮
このように、被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状の測定を同時に行うと、測定時間の短縮を期待することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、及び被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブとから成っており、前記上面光プローブは、水平方向となるＲ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ、及び鉛直方向となるＺ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に設けられ、前記下面光プローブは、前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ、及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に設けられ、前記被測定物はＺ軸回転成分となるθ軸方向に移動可能なθステージ上に水平方向に保持された状態で載置され、前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された位置検出手段と、前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤差検出手段とを備え、前記光プローブは前記被測定物との距離が常に略一定となるようにＺ軸方向に移動させながら当該被測定物の形状に沿って走査させ、走査中に複数の任意の位置で、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段により光プローブの位置及びその運動誤差を同期で検出し、この情報から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出するので、
被測定物を水平方向に保持して使用する場合、反転機構等を設けることなく、使用時と同じ状態で被測定物の上面及び下面の形状測定を実施することができるため、従来のように、下面形状の測定結果に、被測定物を反転させて生じた重力による歪み誤差が付加されるといった不具合を避けることができ、高精度な面形状測定が行うことができる。 また、光プローブを利用した面形状測定であって、光の干渉を利用していないため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせず、干渉を利用した装置よりも多様な形状の被測定物の測定が可能となる。
【００６１】
さらに、被測定物の上面形状及び下面形状の同時測定を実施するなら、測定時間の短縮を図ることができるという、以上のような効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す３次元形状測定機の要部概略図
【図２】図１の３次元形状測定機を示す側面図
【図３】Ｒ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ測長器を示す配置構成図
【図４】θステージを示す概略構成図
【図５】光プローブの概略構成を示す光学配置図
【図６】Ｚ軸のサーボの構成を示すブロック図
【図７】レーザ測長器の概略構成を示す光学配置図
【図８】光プローブの位置データの取り込みパターン例を示す説明図
【図９】従来のＸ−Ｙ−Ｚ座標を用いた３次元形状測定機を示す概略構成図
【図１０】従来の干渉を利用した３次元形状測定機を示す光学配置図
【符号の説明】
１ 被測定物
１ｕ 被測定物の上面
１ｄ 被測定物の下面
２ｕ 上面光プローブ
２ｄ 下面光プローブ
３ｕ 上面Ｒステージ
３ｄ 下面Ｒステージ
４ｕ 上面Ｚステージ
４ｄ 下面Ｚステージ
５ｕ 上面Ｚ基準ミラー
５ｄ 下面Ｚ基準ミラー
６ｕ 上面Ｒ基準ミラー
６ｄ 下面Ｒ基準ミラー
７ ハウジング部（θステージ）
８ ロータ部（θステージ）
９ａｕ等 レーザ測長器
１０ スケール検出部（ロータリーエンコーダ）
１１ａ，１１ｂ θラジアル測定用基準ミラー
１１ｃ〜１１ｆ 上下伸縮測定用基準ミラー
１２ｕ，１２ｄ 架台
１３ スケール
１４ａ θスラスト基準ミラー
１４ｂ θラジアル基準ミラー
１５ レーザ光源
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部品や金型等の表面形状を高精度に測定する３次元形状測定機及びその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学部品や金型等の物体表面形状を高精度に測定するために、３次元形状測定機を利用することが広く知られている。一般に、３次元形状測定機は接触型若しくは非接触型のプローブを被測定物に近付け、両者が略一定の距離、若しくは略一定の力関係になるようにプローブ位置を制御した上で、これを被測定物上を走査させることにより形状測定を行うものである。
【０００３】
このような３次元形状測定機の一例として、特開平４−２９９２０６号公報に開示されている超高精度３次元形状測定機について図９を参照して説明する。同図において、２７はＸステージであり、その上にＹステージ２８、さらにその上にＺステージ４が構成されている。Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直な平面上となるＹＺ−ＸＺ−ＸＹ面上にそれぞれＸ基準ミラー２９、Ｙ基準ミラー３０、Ｚ基準ミラー５が配置されている。Ｚステージ４上には被測定物１とＺステージ４上の特定点の距離Ｚ１を検出する光プローブ２６、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＺ基準ミラー５の距離Ｚ２を検出する測定手段９ｃ、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＸ基準ミラー２９の距離Ｘを検出する測定手段９ｊ、Ｚステージ４上の特定点と位置固定のＹ基準ミラー３０の距離Ｙを検出する測定手段９ｋ（Ｚステージ４の裏側になるため図示せず）が配置されている。
【０００４】
したがって、Ｚステージ４上に設置された光プローブ２６はＸ−Ｙ−Ｚ軸方向への移動が可能であり、また、その時の３次元座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ１とＺ２とから算出したＺ）とすることができる。光プローブ２６を被測定物１の全面に走査させ、その時の３次元座標を検出することで、被測定物の３次元形状を測定することができる。
【０００５】
また、別の従来例として、特許番号第２６７１４７９号公報に開示されている面形状測定装置について図１０を参照して説明する。同図において、フィゾー型干渉計を利用し、被測定物１を使用状態と同じ水平方向に保持したまま両面１ａ，１ｂ測定を実現している。
【０００６】
レーザ光源１５から射出された光束は、レンズ３１及びハーフミラー３２及びコリメータレンズ３３を介して、反射ミラー３４ａに進んで行く。反射ミラー３４ａは光路への出し入れが可変であり、光路へ入れた場合は、光束が反射ミラー３４ａで垂直方向に曲げられ、さらに反射ミラー３４ｂ及び３４ｃで反射された後、基準レンズ３５に入射する。ここで光束の一部は基準レンズ３５の基準面３５ａにて反射し、他は透過することになる。基準レンズ３５を透過して被測定物１に入射した光束は、被測定物１の表面１ａにて反射して測定光波となる。また、基準レンズ３５の基準面３５ａで反射した光波は、基準光波となる。基準光波と測定光波は再び重なり合い干渉して、来た光路を戻ることになる。反射ミラー３４ｃ，３４ｂ，３４ａで光路を垂直方向にそれぞれ曲げられた後、コリメータレンズ３３を介してハーフミラー３２に入射する。ここで干渉光波は垂直方向に曲げられ、集光レンズ３７を介してＣＣＤカメラ等の干渉検出手段３８で検出される。これにより、基準レンズ３５の基準面３５ａと被測定物１の表面１ａの面形状の差が測定できたことになる。
【０００７】
さらに、被測定物１の裏面１ｂの面形状測定方法について説明する。先程光路に入れた反射ミラー３４ａを光路から出しておく。上記と同様に、レーザ光源１５から射出した光束は反射ミラー３４ａまで進んでくるが、ここでは、反射ミラー３４ａが光路外に出されているので、光束はそのまま直進し、次の反射ミラー３４ｄで垂直方向に曲げられることになる。その後、この光束は基準レンズ３６に入射するが光束のほとんどは透過して、被測定物１の裏面１ｂで反射し、測定光波となる。一方、基準レンズ３６の基準面３６ａで反射した光波は基準光波となる。この基準光波と測定光波は再び重なり合うことにより干渉して、来た光路を戻ることになる。反射ミラー３４ｄ、コリメータレンズ３３、ハーフミラー３２、集光レンズ３７を介して、ＣＣＤカメラ等の干渉縞検出手段３８で検出される。これにより、基準レンズ３６の基準面３６ａと被測定物１の裏面１ｂの面形状の差が測定できることになる。
【０００８】
このように、反射ミラー３４ａを光路から出し入れすることにより、光路の切り替えを行い、被測定物１を使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被測定物１の表面１ａの面形状あるいは被測定物１の裏面１ｂの面形状が測定することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記３次元形状測定機の内、図９に示した装置においては、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直なＹＺ−ＸＺ−ＺＹ面上に基準ミラー２９，３０，５を各々配置して高精度測定を可能としているが、被測定物１の両面を測定する場合、片面測定後に被測定物１の向きを反転させる手間が必要となる。また、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合は、被測定物１の下面形状は使用時と異なる状態、即ち被測定物１の下面を反転させて上にした状態で測定することになり、測定結果には重力による歪みの影響分が誤差として含まれてしまうという問題点があった。
【００１０】
また、図１０に示した面形状測定装置では、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合は、光学系の切り替えにより、被測定物１は使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被測定物１の両面の面形状測定が可能であるが、面形状測定に干渉を利用しているため、測定光波と基準光波との差が大き過ぎると測定できなくなる等の問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、被測定物を反転させたり、干渉を利用したりすることなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持したまま、その面形状を高精度に測定することができる、簡単な構成の３次元形状測定機及びその測定方法を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の３次元形状測定機は、水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用いて、水平方向に保持された被測定物の形状を非接触型の光プローブを走査させて測定する３次元形状測定機において、
前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブとから成っており、前記上面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に配置され、前記下面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に配置され、前記被測定物は、ロータ部とこのロータ部を支持するハウジング部より成る前記θ軸方向に回転可能なθステージに支持されており
前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位置及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置されている、前記上面Ｒステージまたは上面Ｚステージに設けられた、前記上面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記上面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記下面Ｒステージまたは下面Ｚステージに設けられた、前記下面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記下面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記θステージの回転角度を検出するためのθ軸位置検出手段と、
前記光プローブの走査や前記被測定物の回転の運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤差検出手段と、
を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記Ｒ軸位置検出手段は、前記Ｚ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｒ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々２つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｒ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記Ｚ軸位置検出手段は、前記Ｒ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｚ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々１つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記θ軸位置検出手段は、前記θステージの回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置されたθスケールと、これを検出するスケール検出部とから成ることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記運動誤差検出手段は、前記θステージの前記ロータ部上に配置されたθスラスト基準ミラー、前記ロータ部の外周面に配置されたθラジアル基準ミラー、このθラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置いて対向して少なくとも２面設けたθラジアル測定用基準ミラー、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーの両端側近傍にそれぞれ配置され、当該上面及び下面Ｚ基準ミラーの距離変動を検出するために４面設けた上下伸縮測定用基準ミラー、これらの基準ミラー間の距離を測定するための少なくとも６つのレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明の３次元形状測定方法は、水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用い、θ軸方向に回転可能なθステージに支持されることにより水平方向に保持された被測定物の３次元形状を、光プローブを走査させて測定する３次元形状測定方法において、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブを設け、前記上面光プローブ及び下面光プローブで同時に走査させる際、前記被測定物と光プローブの距離が常に略一定となるように、当該光プローブをＲ軸方向及びＺ軸方向に移動させながら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に複数の任意の位置で、前記光プローブの位置情報と前記光プローブや前記θステージの駆動による運動誤差情報を検出し、これらの情報から算出した３次元位置情報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項６の発明において前記位置情報は、上面Ｒ基準ミラーと上面光プローブ問の距離Ｒｕ、上面Ｚ基準ミラーと上面光プローブ間の距離Ｚｕ、下面Ｒ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｒｄ、下面Ｚ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｚｄ、上面光プローブ及び下面光プローブの走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の偏差Ｐｕ及びＰｄ、被測定物の回転角度Ｒθ、から検出することを特徴としている。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記運動誤差情報は、前記θステージのスラスト方向の運動誤差θＳＤ、当該θステージのラジアル方向の運動誤差θＲＤ、前記上面Ｚ基準ミラーと下面Ｚ基準ミラー間の変動ＶＤ、から検出することを特徴としている。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項６の発明において前記被測定物の上面形状を測定する際、前記上面光プローブが上面形状に沿って走査している間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記被測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブが下面形状に沿って走査している間、前記上面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基にして前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加えることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施形態を示す３次元形状測定機の要部構成図、図２は図１の３次元形状測定機を示す側面図、図３はＲ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ測長器を示す配置構成図、図４はθステージを示す配置構成図、図５は光プローブを示す光学配置図、図６はＺ軸のサーボ構成を示すブロック図、図７はレーザ測長器を示す光学配置図である。 図１及び図２において、１は被測定物であり、ここでは水平方向に保持して使用される軸対象の非球面レンズとしている。被測定物１の上面側及び下面側には、被測定物１の形状に沿って走査する上面光プローブ２ｕ、及び下面光プローブ２ｄを配置している。ここでは、レンズに傷を付けない非接触型の光プローブを採用している。
【００２７】
先ず、被測定物１の上面１ｕ側の測定系の構成について説明する。３ｕは被測定物１と平行、即ち水平方向に移動する上面Ｒステージ、４ｕは被測定物１に対して垂直方向に移動する上面Ｚステージである。したがって、上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステージ４ｕ上にある光プローブ２ｕはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成となっている。５ｕはＲ軸に対して平行で且つＲ−Ｚ面の位置に配置した上面Ｚ基準ミラー、６ｕはＺ軸に対して平行で且つＲ−Ｚ面の位置に配置した上面Ｒ基準ミラーである。
【００２８】
次に、被測定物１の下面１ｄの測定系の構成について説明する。３ｄは被測定物１と平行、即ち水平方向に移動する下面Ｒステージ、４ｄは被測定物１に対して垂直方向に移動する下面Ｚステージである。したがって、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄ上にある光プローブ２ｄはＲ−Ｚ方向に移動可能な構成となっている。５ｄはＲ軸に対して平行、且つＲ−Ｚ面の位置に配置した下面Ｚ基準ミラー、６ｄはＺ軸に対して平行で、且つＲ−Ｚ面の位置に配置した下面Ｒ基準ミラーである。４０はエアーベアリングより成るθステージで、被測定物１をθ軸方向（Ｚ軸の回転方向）に回転させる手段である。θステージ４０は、回転側のロータ部８と、このロータ部を回転可能に支持する固定側のハウジング部７とから成っている。詳細は後述するが、ロータ部８上にはスケール１３及びθ基準ミラー１４ａ，１４ｂ（図４参照）が配置されている。
【００２９】
９が付されている部品はＲ−Ｚ面上における光プローブ２ｕ，２ｄの位置を検出するためのレーザ測長器（総称してレーザ測長器９と言う）である。９ａｕ，９ｂｕは上面Ｒ測定用、９ａｄ，９ｂｄは下面Ｒ測定用であり、ここではアッベ誤差の影響をなくすためにそれぞれ２つずつ用いている。９ｃｕは上面Ｚ測定用、９ｃｄは下面Ｚ測定用であり、それぞれ光プローブ２ｕ，２ｄが作り出すキャッツアイポイントをＺ軸と平行に延長させた線上にそれぞれ配置されているので、アッベ誤差は発生しない。
【００３０】
これら上面及び下面Ｒ基準ミラー６ｕ，６ｄ、レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕ，９ａｄ，９ｂｄにより光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸位置検出手段が構成され、上面及び下面Ｚ基準ミラー５ｕ，５ｄ、レーザ測長器９ｃｕ，９ｃｄによりＺ軸位置検出手段が構成されている。
【００３１】
さらに、９ｄ，９ｅはθスラスト測定用、９ｆ，９ｇはθラジアル測定用、９ｈ，９ｉは上下伸縮測定用のレーザ測長器であり、それぞれ測定中における距離変動分を検出する運動誤差検出手段の一部として使用される。１０はエアーベアリングのロータ部８上のθスケール１３（図４参照）の回転角度の検出を行うスケール検出部である。このスケール１３及びスケール検出部１０によりθ軸位置検出手段が構成されている。
【００３２】
１１ａ，１１ｂはθラジアル測定用基準ミラー、１１ｃ，１１ｄは上面Ｚ基準ミラー５ｕの両側近傍に、１１ｅ，１１ｆは下面Ｚ基準ミラー５ｄの両側近傍にそれぞれ配置された上下伸縮測定用基準ミラーである。１２ｕは上面Ｒステージ３ｕと上面Ｚステージ４ｕを搭載する架台、１２ｄは下面Ｒステージ３ｄと下面Ｚステージ４ｄを搭載する架台である。
【００３３】
図２に示すように、上面光プローブ２ｕ、下面光プローブ２ｄ、及び光プローブ２ｕ，２ｄのレーザ測長器９（同図では代表的なレーザ測長器のみ図示）は、全てＲ−Ｚ面上に配置されていることが分かる。
【００３４】
上記Ｒ軸位置検出手段、Ｚ軸位置検出手段、θ軸位置検出手段により位置検出手段が構成されている。
【００３５】
レーザ測長器９の配置を図３に示している。同図において、レーザ測長器９と上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離はＲｕであって、Ｒｌｕはレーザ測長器９ａｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離を、Ｒ２ｕはレーザ測長器９ｂｕと上面Ｒ基準ミラー６ｕ間の距離をそれぞれ示しており、上面Ｒステージ３ｕ移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使用する。Ｚｕはレーザ測長器９ｃｕと上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、又Ｐｕは上面光プローブ２ｕから出力される位相差の偏差を示し、上面Ｚステージ４ｕ移動量及びＺ方向振動等のＺ方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。同様に、レーザ測長器９と下面Ｒ基準ミラー６ｄ間の距離はＲｄであって、Ｒｌｄはレーザ測長器９ａｄと下面Ｒ基準ミラー６ｄ間の距離を、Ｒ２ｄはレーザ測長器９ｂｄと下面Ｒ基準ミラー６ｄ問の距離を示し、下面Ｒステージ３ｄ移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使用する。Ｚｄはレーザ測長器９ｃｄと下面Ｚ基準ミラー５ｄ間の距離を示し、又Ｐｄは下面光プローブ２ｄから出力される位相差の偏差を示し、下面Ｚステージ４ｄ移動量及びＺ方向振動等のＺ方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。θＳＤ（θＳＤｌ，θＳＤ２）はθステージ４０のスラスト面にあるθ基準ミラー１４ａと上面Ｚ基準ミラー５ｕ間の距離を示し、θステージ４０のスラスト方向のぶれ量（面ぶれ）の検出に使用する。又、θＲＤ（θＲＤ１，θＲＤ２）はθステージ４０のラジアル面にあるθ基準ミラー１４ｂとラジアル測定用ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離をそれぞれ示し、θステージ４０のラジアル方向のぶれ量（軸ぶれ）の検出に使用する。ＶＤ（ＶＤｌ，ＶＤ２）は上面及び下面に設置された上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ間の距離を示し、測定中における上面Ｚ基準ミラー５ｕと下面Ｚ基準ミラー５ｄ問の距離変動分の誤差補正に使用する。Ｒθはθスケール１３を基準に検出されたθステージ４０の回転角度を示す。
【００３６】
θステージ４０となるエアーベアリング部は、図４に示すように、被測定物１をθ軸方向に回転させる手段である。同図において、７は固定側のハウジング部、８は回転側のロータ部である。ロータ部８の表面の一部には、精密加工後にアルミ蒸着と研磨によりθ基準ミラー１４ａ，１４ｂを形成しており、ロータ部８の上面の一部に、スラスト方向用のθスラスト基準ミラー１４ａを、ロータ部８の外周面全体にラジアル方向用のθラジアル基準ミラー１４ｂを設けている。レーザ測長器９ｄ及び９ｅ（図２参照）を用いて上面Ｚ基準ミラー５ｕとθスラスト基準ミラー１４ａ間の距離を測ることで、θステージ駆動時のスラスト方向変動が検出できる。同様に、レーザ測長器９ｆ及び９ｇ（図２参照）を用いてラジアル測定用基準ミラー１１ａ，１１ｂとθラジアル基準ミラー１４ｂ間の距離を測ることで、θステージ運動時のラジアル方向変動が検出できる。また、ラジアル方向にはθスケール１３が貼り付けられており、スケール検出部１０を利用してθステージ４０の回転角度Ｒθが検出できる。
【００３７】
上記θスラスト基準ミラー１４ａ、θラジアル基準ミラー１４ｂ、ラジアル測定用基準ミラー１１ａ，１１ｂ、上下伸縮測定用基準ミラー１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ、レーザ測長器９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈ，９ｉにより運動誤差検出手段が構成されている。
【００３８】
上記上面及び下面光プローブ２ｕ，２ｄの詳細構成を図５に示している。同図において、１５は偏光方向が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光源である。レーザ光源１５から射出した光波は、ビームエキスパンダ１６で光波を拡大された後、偏光ビームスプリッタ１７ａで反射光波と透過光波に分けられる。反射光波はλ／４板１８ａを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、集光レンズ２０ａを介して被測定物１へ入射する。ここでは、集光レンズ２０ａにより光束が焦点に絞られた状態（キャッツアイポイント）で被測定物１に入射し、測定光波となって反射させている。尚、詳細は後述するが、被測定物１には常にキャッツアイポイントで入射するようにＺ軸サーボで調整されることになる。反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ａで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は透過することになる。偏光ビームスプリッタ１７ａでのもう一方の透過光波は、λ／４板１８ｂを通って直線偏光から円偏光へ変わって参照平面ミラー１９に入射し、参照光波となって反射する。反射した参照光波は、再び通るλ／４板１８ｂで往きと比べて９０°回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１７ａで今度は反射することになる。偏光ビームスプリッタ１７ａで測定光波と参照光波が重なり合い、４５°方位の偏光板２１を通ることで干渉光波となる。この干渉光波はビームスプリッタ１７ｂで２分割され、そのまま透過した干渉光波はラインセンサ２２で検出されることになる。ラインセンサ２２が通常数十から数千チャンネル数のものがあり、ここでは干渉光波を検出可能な高周波応答タイプの数１０チャンネル程度のものを使用する。また、複数のラインセンサ出力のチャンネルから１チャンネルを選び出して測定信号とする際の選択条件は、測定点上での被測定物１の設計形状から傾斜角を算出し、被測定物１に対して法線方向、即ち正反射する光波の光線追跡により、その光束がラインセンサ２２上のどのチャンネルに取り込まれるか、予め算出して記憶しておき、測定位置によって使用するチャンネルをマルチプレクサによって選択することになる。又、ビームスプリッタ１７ｂで反射した干渉光波は集光レンズ２０ｂを介してフォトディテクタ２３で取り込み、参照信号となる。
【００３９】
Ｚ軸サーボの構成を図６に示している。但し、被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側共に同様な構成となるが、ここでは上面１ｕ側を例に説明する。光プローブ２ｕからの光束がキャッツアイポイントで被測定物１に入射するように上面Ｚステージ４ｕを移動させる。その状態における干渉光波から、ラインセンサ２２（図５参照）及びマルチプレクサ４４を介して検出した測定信号、及びフォトディテクタ２３（図５参照）からの参照信号は、それぞれ位相計４１に入力される。この位相計４１にて位相差Ｐｕｏを算出し、コンピュータ４２に記憶すると、Ｚサーボコントローラ４３によるＺ軸サーボが開始状態となる。次に、上面Ｒステージ４ｕやθステージ４０を同時に若しくは単独で移動させ、その時得られる位相差Ｐｕｉと記憶させている位相差Ｐｕｏを比較し、その偏差量ΔＰｕｉが常にゼロ若しくは略ゼロとなるように、Ｚサーボコントローラ４３は上面Ｚステージ４ｕを移動させる（サーボロック状態）。
【００４０】
偏差量ΔＰｕｉ ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
この時の偏差量ΔＰｕｉは、後ほど測定データに補正して反映させれば、サーボロックでの誤差を補正した正確な値が得られる。このようにして、被測定物１と上面光プローブ２ｕ間の距離を常に一定若しくは略一定に保ちながら、被測定物１の上面１ｕを上面光プローブ２ｕがスキャンして測定する。
【００４１】
レーザ測長器９の構成を図７に示している。図７（Ａ）は、レーザ測長器と一つの基準ミラー間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕ，９ｃｕ，９ａｄ，９ｂｄ，９ｃｄの構成を示す。ここでは共に、測定したい光路を２往復させるダブルパス方式としているため、レーザ測長器の測定分解能は２倍となる。同図（Ａ）において、１５は偏光方向が互いに直交する２つの光波を作り出すレーザ光源である。レーザ光源１５から出射した光束は、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射光波と透過光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリッタ１７ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１８ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ｃで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は透過し、コーナーキューブ２４ｂで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１７ｃ及びλ／４板１８ｃを通り、基準ミラーに戻ってくる。再度反射した測定光波はλ／４板１８ｃで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射することになる。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板２１を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２５で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ２５で観測される。参照光波の光路長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の変動、即ち、ここでは各基準ミラーからの各ステージ移動量の２往復分が検出できる。
【００４２】
同様に、図７（Ｂ）は、２つの基準ミラー間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器９ｆ，９ｇ，９ｉ，９ｈの構成を示している。同図（Ｂ）において、レーザ光源１５から出射した直交する２つの光波は、偏光ビームスプリッタ１７ｃで反射光波と透過光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリッタ１７ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１８ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ代わり、基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）で反射して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１８ｃで往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は透過し、λ／４板１８ｄを通って基準ミラー（例えばθスラスト基準ミラー１４ａ）で反射して元の光路を戻る。再びλ／４板１８ｄに入射した測定光波は、往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は反射してコーナーキューブ２４ａに入射する。測定光波はコーナーキューブ２４ａで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１７ｃに入射し、ここで反射する。この後、測定光波はλ／４板１８ｄを通って再び基準ミラー（例えばθスラスト基準ミラー１４ａ）で反射し、λ／４板１８ｄ及び偏光ビームスプリッタ１７ｃ及びλ／４板１８ｃを透過して、再度基準ミラー（例えば上面Ｚ基準ミラー５ｕ）に入射し反射する。この基準ミラーで反射した測定光波は、再度λ／４板１８ｃを通過することで往路と比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１７ｃで今度は反射する。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板２１を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２５で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ２５で観測される。参照光波の光路長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の光路長の変動、即ちここでは２つの基準ミラー間の距離の変動量の２往復分が検出できる。
【００４３】
次に、本実施形態の３次元形状測定機を用いた具体的な測定方法について、図１を参照して説明する。被測定物１である軸対象非球面レンズを、その軸をθステージ４０の回転軸と略一致するようにセッティングする。これにより、被測定物１側でのθ軸回転、及び光プローブ２ｕ，２ｄ側でのＲ−Ｚ軸走査を組み合わせることで、光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の形状に合わせて全面に走査できることになる。
【００４４】
先ず、被測定物１の上面１ｕ形状の測定方法について説明する。上面光プローブ２ｕをθ軸の回転中心まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後に上面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けて行き、上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕは、上面Ｒステージ３ｕをスキャンさせながら被測定物１の面形状に合わせてＺ軸サーボを追従させて使用し、上面Ｚステージ４ｕを動かすことになる。
【００４５】
また、同様にして、下面光プローブ２ｄをθ軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動させ、その後に下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に近づけていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、下面光プローブ２ｄは、測定している間はＲ軸の位置は保持したまま動かさず、被測定物１が振動等によりＺ軸の上下変動した分のみＺ軸サーボで追従させて動かすことになる。
【００４６】
ここで、サーボロックを開始するに当たり、開始時の各測定データを基準データとして取り込む。即ち、レーザ測長器９ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ〜９ｉの出力値のＲ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θＤ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，ＶＤ１，ＶＤ２、ロータリーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、及びＺ軸サーボの位相の偏差Ｐｕ，Ｐｄのデータをそれぞれ、Ｒ１ｕｏ，Ｒ２ｏ，Ｚ１ｏ，Ｚ１ｏ，θＤ１ｏ，θＤ２ｏ，θＤ３ｏ，θＤ４ｏ，ＶＤ１ｏ，ＶＤ２ｏ，ＲＥｏ，Ｐｕｏ，Ｐｄｏとしてコンピュータ４２に記憶させておく。次に、サーボロック状態のまま、上面Ｒステージ３ｕ及びθステージ４０を単独で、若しくは同時に移動させ、測定した任意の複数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取り込み順）でレーザ測長器９ａｕ〜９ｃｕ，９ｃｄ，９ｄ〜９ｉの出力値、ロータリーエンコーダ１０の出力値ＲＥ、Ｚ軸サーボの位相の偏差を同時に取り込み、それぞれＲ１ｕｉ，Ｒ２ｕｉ，Ｚ１ｉ，Ｚ１ｉ，θＤ１ｉ，θＤ２ｉ，θＤ３ｉ，θＤ４ｉ，ＶＤ１ｉ，ＶＤ２ｉ，ＲＥｉ，Ｐｕｉ，Ｐｄｉとしてコンピュータ４２に記憶させておく。同様にして、被測定物１の測定エリアに光プローブ２ｕ，２ｄを走査させながら、合計ｎ組の測定データを取り込んでおく。例えば、この後、次に示すような演算処理を行うと、被測定物１の上面１ｕ形状はｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒ２ｕｉ，θｕｉ，Ｚｕｉ）として表現でき、測定精度はｎｍオーダーを実現できる。
【００４７】
１．Ｒ座標：Ｒｕｉ
Ｒｉｄａｔａ ＝（（Ｒ１ｕｉ−Ｒ１ｕｏ）＋（Ｒ２ｕｉ−Ｒ２ｕｏ））／２
アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｕｉ−Ｒ１ｕｏ）＋（Ｒ２ｕｉ−Ｒ２ｕｏ））×（Ｄ１ｕ／Ｄ２ｕ）
軸振れ誤差 ＝（（θＤ３ｉ−θＤ３ｏ）＋（θＤ４ｉ−θＤ４ｏ））／２
Ｒｕｉ ＝ Ｒｉｄａｔａ ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差
２．θ座標：θｕｉ
θｕｉ ＝ ＲＥｉ − ＲＥｏ
３．Ｚ座標：Ｚｕｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
面振れ誤差 ＝（（θＤ１ｉ−θＤ１ｏ）＋（θＤ２ｉ−θＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｄｉ−Ｚ１ｄｏ）＋ （Ｐｄｉ−Ｐｄｏ）
Ｚｕｉ ＝ Ｚ１ｕｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ Ｚ方向振動尚、Ｄ１ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕの中間と光プローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離
Ｄ２ｕ：レーザ測長器９ａｕ，９ｂｕのＺ方向成分の距離
Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離
ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）：上面設計形状とＲｉｄａｔａの関係から算出される関数
また、被測定物１の下面１ｄ形状の測定は、次のようにして行う。上面光プローブ２ｕはθ軸の回転軸上のサーボロック位置まで上面Ｒステージ３ｕ及び上面Ｚステージ４ｕを用いて移動させた後に、測定中はＲ軸の位置は保持したまま動かさず、被測定物１が振動等によりＺ軸の上下変動した分のみＺ軸サーボで追従させて動かす。下面光プローブ２ｄはθ軸の回転軸上のサーボロック位置まで、下面Ｒステージ３ｄ及び下面Ｚステージ４ｄを用いて移動させた後、下面Ｒステージ３ｄ及びθステージ４０を単独に若しくは同時に移動させることになる。上面１ｕの場合と同様に、サーボロック開始時の基準データを取り込めば良い。尚、この時の取り込む測定データは、上面測定時と同じデータであるＲ１ｄ，Ｒ２ｄ，Ｚ１ｕ，Ｚ１ｄ，θＤ１，θＤ２，θＤ３，θＤ４，ＲＥ，Ｐｕ，Ｐｄである。
【００４８】
被測定物１の下面１ｄ形状は以下のように演算処理を行うことで、ｎ組のＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒｄｉ，θｄｉ，Ｚｄｉ）として表現することができ、測定精度はｎｍオーダーを実現できる。
【００４９】
１．Ｒ座標：Ｒｄｉ
Ｒｉｄａｔａ ＝（（Ｒ１ｄｉ−Ｒ１ｄｏ）＋（Ｒ２ｄｉ−Ｒ２ｄｏ））／２
アッベ誤差 ＝（（Ｒ１ｄｉ−Ｒ１ｄｏ）＋（Ｒ２ｄｉ−Ｒ２ｄｏ））×（Ｄ１ｄ／Ｄ２ｄ）
軸振れ誤差 ＝（（θＤ３ｉ−θＤ３ｏ）＋（θＤ４ｉ−θＤ４ｏ））／２
Ｒｄｉ ＝ Ｒｉｄａｔａ ＋ アッベ誤差 ＋ 軸振れ誤差
２．θ座標：θｄｉ
θｄｉ ＝ ＲＥｉ − ＲＥｏ
３．Ｚ座標：Ｚｄｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｄｉ − Ｐｄｏ
面振れ誤差 ＝（（θＤ１ｉ−θＤ１ｏ）＋（θＤ２ｉ−θＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｄ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚ方向振動 ＝ （Ｚ１ｕｉ−Ｚ１ｕｏ）＋ （Ｐｕｉ−Ｐｕｏ）
基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１ｉ−ＶＤ１ｏ）＋（ＶＤ２ｉ−ＶＤ２ｏ））／２
Ｚｄｉ ＝ Ｚ１ｄｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ Ｚ方向振動＋ 基準ミラー間伸縮
尚、Ｄ１ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄの中間と光プローブのキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離
Ｄ２ｄ：レーザ測長器９ａｄ，９ｂｄのＺ方向成分の距離
Ｄ３ ：レーザ測長器９ｄ，９ｅ間のＲ方向成分の距離
ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）：上面設計形状とＲｉｄａｔａの関係から算出される関数
尚、運動誤差の内、θスラスト測定は上面Ｚ基準ミラー５ｕを基準にして測定しており、また被測定物１の厚みを測定することも考えられるので、下面形状の測定結果には上記したように基準ミラー間伸縮分の補正分を加えることになる。
【００５０】
Ｒ−θ断面上で見た３パターンのデータ取り込み例を、図８に示している。但し、同図における軸は、一般によく使われているＸ−Ｙ座標系に変換したものを示している。 本発明では、Ｒステージ３ｕ，３ｄ及びθステージ４０を単独で動かしながらデータを等間隔で取り込めば、同図（Ａ）に示す渦巻きデータとして、またＲステージ３ｕ，３ｄとθステージ４０とを同時に動かさず、いずれかのステージのみを単独で動かしながらデータを等間隔で取り込めば、同図（Ｂ）に示す同心円データとして検出できる。また、一般に、３次元形状測定機等でよく用いられる同図（Ｃ）に示す格子データは、Ｒステージ３ｕ，３ｄ及びθステージ４０の移動量を格子状に合わせる、若しくは渦巻きデータや同心円データを座標変換や補間を用いて変換するといった方法により本発明でも対応可能となる。
【００５１】
本発明では、被測定物１の形状が軸対象の場合、渦巻データによってデータ検出を行うとθステージ４０や微小なＲステージ３ｕ，３ｄ移動に対して、サーボロック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄのＺ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走査が可能となる。また、同心円データによってデータ検出を行う場合は、Ｒステージ３ｕ，３ｄ移動後に、その状態を保持しておき、θステージ４０を単独で動かしながらデータを等間隔で取り込むようにすれば、上記と同様に、θステージ４０移動に対して、サーボロック状態によって移動する光プローブ２ｕ，２ｄのＺ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走査が可能となる。
【００５２】
このように、本発明の３次元形状測定機は、被測定物１をθステージ４０に搭載し、光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側にそれぞれ配置し、光プローブ２ｕ，２ｄ走査中に複数の任意の位置で光プローブ２ｕ，２ｄのＲ軸及びＺ軸の位置、及び被測定物１のθ軸回転位置、及び各種の運動誤差を同期で検出し、そこから算出した３次元位置情報を基にして被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定を行うものである。
【００５３】
以上説明した本実施形態が、図９及び図１０に示した従来例と大きく異なる３つの点を挙げることができる。その１つは、被測定物１の上面１ｕ側及び下面１ｄ側にそれぞれに独立した上面光プローブ２ｕ及び下面光プローブ２ｄを配置し、被測定物１を水平方向に保持したまま光プローブ２ｕ，２ｄを被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄにスキャンさせて、被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの３次元形状を測定する点である。２番目は、座標系をＲ−θ−Ｚ系として構成し、Ｒ軸及びＺ軸における光プローブ２ｕ，２ｄの位置情報の検出手段として、被測定物１の上面１ｕ側と下面１ｄ側にそれぞれにＲ基準ミラー５ｕ，５ｄ、Ｚ基準ミラー６ｕ，６ｄを配置して、レーザ測長器９ａｕ，９ａｄ等を用いて検出し、又θ軸の位置情報の検出手段として、θステージ４０に取り付けられたθスケール１３をスケール検出器１０で読み込む点である。３番目は、測定中の運動誤差を検出するために、複数の基準ミラーを配置して測定結果を補正している点である。
【００５４】
したがって、被測定物１を水平方向に保持して使用する場合に、使用時と同じ状態で被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄの形状測定が可能になるため、従来のように、下面１ｄ形状の測定結果には被測定物１を反転させることによる重力による歪み誤差が生じることなく、高精度な面形状測定が可能となる。また、光プローブ２ｕ，２ｄを利用して面形状測定を行うため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせず、多様な被測定物の形状測定に対応することができる。
【００５５】
また、被測定物１の上面１ｕ及び下面１ｄ形状を同時に測定することで、測定時間の短縮を図ることができる。
【００５６】
次に、第２の実施形態について説明する。この実施形態は上記第１の実施形態と同様に、被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状の測定を同時に行う構成であるが、多少の測定精度を犠牲にしても、測定時間を略半分程度に短縮することができる例である。 図１に示すように、上面光プローブ２ｕをθ軸の回転中心まで上面Ｒステージ３ｕを用いて移動させ、その後に上面Ｚステージ４ｕを下げて被測定物１に近付けていき、上面光プローブ２ｕの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。また同様に、下面光プローブ２ｄをθ軸の回転中心まで下面Ｒステージ３ｄを用いて移動させた後、下面Ｚステージ４ｄを上げて被測定物１に近付けていき、下面光プローブ２ｄの光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態に調整し、サーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ２ｕ、下面光プローブ２ｄの走査は、被測定物１の面形状に合わせてＺ軸サーボを追従させて使用することになる。
【００５７】
サーボロック開始時の基準データ（ｉ＝０）及び測定したい任意の複数点（ｉ＝１〜ｎ，ｉ：取込み順）での各測定データを取り込めば良い。尚、この取り込む測定データは、Ｒ１ｕ，Ｒ２ｕ，Ｚ１，Ｚ１，θＳＤ１，θＳＤ２，θＲＤ１，θＲＤ２，ＶＤ１，ＶＤ２，Ｒθ，Ｐｕ，Ｐｄである。
【００５８】
被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状は、以下のように演算処理を行うことで、ｎ組みのＲ−θ−Ｚ座標系の３次元データ（Ｒｕｉ−θｕｉ−Ｚｕｉ）及び（Ｒｄｉ−θｄｉ−Ｚｄｉ）として表現でき、精度測定はｎｍオーダーを実現できる。尚、Ｒｕｉ−θｕｉ−Ｚｕｉ、Ｒｄｉ−θｄｉ−Ｚｄｉは、実施例１と同じ式で表せるのでここでは省略する。
【００５９】
・上面Ｚ座標：Ｚｕｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｕｉ − Ｐｕｏ
面振れ誤差 ＝（（θＳＤ１ｉ−θＳＤ１ｏ）＋（θＳＤ２ｉ−θＳＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｕ（Ｒｉｄａｔａ）
Ｚｕｉ ＝ Ｚ１ｕｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差
・下面Ｚ座標：Ｚｄｉ
サーボ偏差 ＝ Ｐｄｉ − Ｐｄｏ
面振れ誤差 ＝（（θＳＤ１ｉ−θＳＤ１ｏ）＋（θＳＤ２ｉ−θＳＤ２ｏ））／Ｄ３×ｆｏｒｍｄ（Ｒｉｄａｔａ）
基準ミラー間伸縮＝（（ＶＤ１ｉ−ＶＤ１ｏ）＋（ＶＤ２ｉ−ＶＤ２ｏ））／２
Ｚｄｉ ＝ Ｚ１ｄｉ ＋ サーボ偏差 ＋ 面振れ誤差 ＋ 基準ミラー間伸縮
このように、被測定物１の上面１ｕ形状及び下面１ｄ形状の測定を同時に行うと、測定時間の短縮を期待することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、及び被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブとから成っており、前記上面光プローブは、水平方向となるＲ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ、及び鉛直方向となるＺ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に設けられ、前記下面光プローブは、前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ、及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に設けられ、前記被測定物はＺ軸回転成分となるθ軸方向に移動可能なθステージ上に水平方向に保持された状態で載置され、前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された位置検出手段と、前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤差検出手段とを備え、前記光プローブは前記被測定物との距離が常に略一定となるようにＺ軸方向に移動させながら当該被測定物の形状に沿って走査させ、走査中に複数の任意の位置で、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段により光プローブの位置及びその運動誤差を同期で検出し、この情報から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出するので、
被測定物を水平方向に保持して使用する場合、反転機構等を設けることなく、使用時と同じ状態で被測定物の上面及び下面の形状測定を実施することができるため、従来のように、下面形状の測定結果に、被測定物を反転させて生じた重力による歪み誤差が付加されるといった不具合を避けることができ、高精度な面形状測定が行うことができる。 また、光プローブを利用した面形状測定であって、光の干渉を利用していないため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせず、干渉を利用した装置よりも多様な形状の被測定物の測定が可能となる。
【００６１】
さらに、被測定物の上面形状及び下面形状の同時測定を実施するなら、測定時間の短縮を図ることができるという、以上のような効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す３次元形状測定機の要部概略図
【図２】図１の３次元形状測定機を示す側面図
【図３】Ｒ−Ｚ面上の光プローブ及びレーザ測長器を示す配置構成図
【図４】θステージを示す概略構成図
【図５】光プローブの概略構成を示す光学配置図
【図６】Ｚ軸のサーボの構成を示すブロック図
【図７】レーザ測長器の概略構成を示す光学配置図
【図８】光プローブの位置データの取り込みパターン例を示す説明図
【図９】従来のＸ−Ｙ−Ｚ座標を用いた３次元形状測定機を示す概略構成図
【図１０】従来の干渉を利用した３次元形状測定機を示す光学配置図
【符号の説明】
１ 被測定物
１ｕ 被測定物の上面
１ｄ 被測定物の下面
２ｕ 上面光プローブ
２ｄ 下面光プローブ
３ｕ 上面Ｒステージ
３ｄ 下面Ｒステージ
４ｕ 上面Ｚステージ
４ｄ 下面Ｚステージ
５ｕ 上面Ｚ基準ミラー
５ｄ 下面Ｚ基準ミラー
６ｕ 上面Ｒ基準ミラー
６ｄ 下面Ｒ基準ミラー
７ ハウジング部（θステージ）
８ ロータ部（θステージ）
９ａｕ等 レーザ測長器
１０ スケール検出部（ロータリーエンコーダ）
１１ａ，１１ｂ θラジアル測定用基準ミラー
１１ｃ〜１１ｆ 上下伸縮測定用基準ミラー
１２ｕ，１２ｄ 架台
１３ スケール
１４ａ θスラスト基準ミラー
１４ｂ θラジアル基準ミラー
１５ レーザ光源
Claims (9)
- 水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用いて、水平方向に保持された被測定物の形状を非接触型の光プローブを走査させて測定する３次元形状測定機において、
前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブとから成っており、前記上面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な上面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な上面Ｚステージ上に配置され、前記下面光プローブは前記Ｒ軸方向に移動可能な下面Ｒステージ及び前記Ｚ軸方向に移動可能な下面Ｚステージ上に配置され、前記被測定物は、ロータ部とこのロータ部を支持するハウジング部より成る前記θ軸方向に回転可能なθステージに支持されており
前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位置及び前記被測定物のθ軸回転角度を３次元位置情報として検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置されている、前記上面Ｒステージまたは上面Ｚステージに設けられた、前記上面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記上面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記下面Ｒステージまたは下面Ｚステージに設けられた、前記下面光プローブのＲ軸方向の位置情報を検出するためのＲ軸位置検出手段及び前記下面光プローブのＺ軸方向の位置情報を検出するためのＺ軸位置検出手段と、前記θステージの回転角度を検出するためのθ軸位置検出手段と、
前記光プローブの走査や前記被測定物の回転の運動誤差を検出するもので、同一なＲ−Ｚ面上に配置された運動誤差検出手段と、
を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴とする３次元形状測定機。 - 前記Ｒ軸位置検出手段は、前記Ｚ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｒ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々２つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｒ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定機。
- 前記Ｚ軸位置検出手段は、前記Ｒ軸に対して平行配置された上面及び下面Ｚ基準ミラーと、前記上面Ｚステージ及び下面Ｚステージに各々１つずつ取り付けられ、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定機。
- 前記θ軸位置検出手段は、前記θステージの回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置されたθスケールと、これを検出するスケール検出部とから成ることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定機。
- 前記運動誤差検出手段は、前記θステージの前記ロータ部上に配置されたθスラスト基準ミラー、前記ロータ部の外周面に配置されたθラジアル基準ミラー、このθラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置いて対向して少なくとも２面設けたθラジアル測定用基準ミラー、前記上面及び下面Ｚ基準ミラーの両端側近傍にそれぞれ配置され、当該上面及び下面Ｚ基準ミラーの距離変動を検出するために４面設けた上下伸縮測定用基準ミラー、これらの基準ミラー間の距離を測定するための少なくとも６つのレーザ測長器とから成ることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定機。
- 水平方向をＲ軸、垂直方向をＺ軸、Ｚ軸周りの回転方向をθ軸としたＲ−θ−Ｚ座標系を用い、θ軸方向に回転可能なθステージに支持されることにより水平方向に保持された被測定物の３次元形状を、光プローブを走査させて測定する３次元形状測定方法において、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プローブを設け、前記上面光プローブ及び下面光プローブで同時に走査させる際、前記被測定物と光プローブの距離が常に略一定となるように、当該光プローブをＲ軸方向及びＺ軸方向に移動させながら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に複数の任意の位置で、前記光プローブの位置情報と前記光プローブや前記θステ ージの駆動による運動誤差情報を検出し、これらの情報から算出した３次元位置情報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを特徴とする３次元形状測定方法。 - 前記位置情報は、上面Ｒ基準ミラーと上面光プローブ問の距離Ｒｕ、上面Ｚ基準ミラーと上面光プローブ間の距離Ｚｕ、下面Ｒ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｒｄ、下面Ｚ基準ミラーと下面光プローブ間の距離Ｚｄ、上面光プローブ及び下面光プローブの走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の偏差Ｐｕ及びＰｄ、被測定物の回転角度Ｒθ、から検出することを特徴とする請求項６記載の３次元形状測定方法。
- 前記運動誤差情報は、前記θステージのスラスト方向の運動誤差θＳＤ、当該θステージのラジアル方向の運動誤差θＲＤ、前記上面Ｚ基準ミラーと下面Ｚ基準ミラー間の変動ＶＤ、から検出することを特徴とする請求項６記載の３次元形状測定方法。
- 前記被測定物の上面形状を測定する際、前記上面光プローブが上面形状に沿って走査している間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記被測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブが下面形状に沿って走査している間、前記上面光プローブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基にして前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加えることを特徴とした請求項６記載の３次元形状測定方法。
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