JP4191201B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のスペクトル成分（以下、スペクトル成分を波長成分で表現する。）を有する広帯域光（例えば、白色光）の干渉現象を用いて平面を有する被測定物（ワーク）のその平面の詳細形状を立体的に測定する三次元形状測定装置に関する。特に、広帯域光（例えば、白色光）の一方を遠端に参照鏡を有する参照光路に入射し、広帯域光の他方を遠端に被測定物を有する測定光路へ入射し、参照鏡（反射鏡）及び被測定物からの各戻り光による干渉を生じさせる干渉部（干渉計）において、参照光路又は測定光路のいずれか一方の光路長を変化させて得られた干渉縞が生ずる光路長を基に、被測定物の平面の詳細形状を測定する三次元形状測定装置であって、前記被測定物の平面に対する、干渉部からの測定光路の傾斜を調整する技術に関する。

一般的に、上記の白色光源による干渉現象を用いた形状測定装置においては、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったときに、干渉縞が最大の輝度を示すことを利用している。つまり、参照光路又は測定光路のいずれか一方の光路長を変化させたときの干渉縞が最大の輝度を示す光路長の位置を、光路長変化方向における被測定物の変位として測定している。
しかし、従来から、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったこと、つまり、干渉縞が最大の輝度を示す光路長の位置を特定することが困難なことから、各種の工夫が凝らされている（特許文献１及び２）。

特許文献１においては、撮像手段により、被測定物のある測定点における光路長の変化に対応する干渉縞を撮像し、その撮像データから干渉縞が最大輝度となる（ピークとなる）光路長の位置（或いは、光路長の変化量でもある。以下、「ピーク位置」と言う。）を直接に検出している。

特許文献２の技術は、光路長の変化を所定の距離ずつ（サンプリングピッチ毎に）段階的に変化させ、その変化した所定の距離毎に、撮像した離散的な撮像データ及びその微分値（差分値）を基に、演算によりピーク位置を求めている。そして、特許文献２の技術は、上記したような測定系の応答遅れを防止するために、光路長を変化させる時間に対して段階的に光路長を変化させて設定するとともに、測定系が応答するに十分な整定時間を設けて、その整定時間後に、サンプリングした撮像データを取得し、さらに同様に次々と整定時間を設定してデータを取得する。そして、全部、取得後にそれらのデータを基に離散的な処理演算によりピーク位置を求めている。

ところで、特許文献１及び２には、上記のように測定そのものの技術ついて記載してあるが、その測定前には、被測定物の面と被測定物を照射する光の光軸の関係を調整（又は校正）する必要がある。特に、特許文献２のように被測定物の一部の面からの反射光を検出カメラで撮像して測定するような場合は、被測定物側の面と検出する側の面との平行の度合い（言い換えれば、検出する側の面は、光軸と直交する方向であるから、被測定物の面に対する光軸の傾き）が悪いと、その分、被測定物の形状が斜面として測定しまうという問題がある。そのための調整が、測定前に必要となる。以降、この「平行の度合い、或いは光軸の傾きの調整」を簡単に表現するため、「平行度調整」と言う。

特許文献３は、干渉を利用した形状測定装置ではないが、ゴニオメータ及び移動台テーブルを用いて、被測定面の法線ベクトルと光線ベクトルを一致させるように調整している。

したがって、特許文献１又は２に、特許文献３のようなゴニオメータを採用した調整機構を採用すれば、校正された後に、所望の測定を行うことができる。

特開平１−２８８７０２号公報 特許第３２２０９５５号公報 特開２００２−２５７５２３号公報

しかしながら、例えば、被測定物が液晶ディスプレイに使用するガラス板の表面のように広い面積のもの（例えば、一辺が１ｍも超えるような広い平面のものがある。）の詳細形状を測定するような場合は、特許文献１又は２の光学系の干渉部を含む測定センサーを被測定物の面（以下、「被測定面」と言うことがある。）上を移動させて測定することになる。

そのため、例えば、特許文献３のようなゴニオメータで測定センサーの一部をもって支えるとともに、測定センサーの方向（光軸方向）を変更調整できるように構成することもできるが、ゴニオメータは、測定センサーを片持ちすることになり振動の影響を受けやすい、しかも、一度、光軸と被測定面との傾き合わせを行えば、測定時には不要となるが、測定中も振動受けやすい状態にあるという欠点がある。また、移動を繰り返すので、調整後の移動で調整時の状態を維持できずにずれてくる恐れもある。一方、測定センサー側を固定し、被測定物を移動させる方法も考えられるが、測定スペースが倍になるとともに、広い範囲を精度良く移動をさせるのは、困難である。

なお、ここで言う平面は、平均的な意味での平面であって、測定精度の細かさでの平面を意味するものではない。そして、三次元形状測定装置は、その平面の詳細形状（測定精度での細かさの形状）を測定対象としている。

本発明の目的は、測定センサーを複数方向から支持可能で、かつ被測定面と光軸との傾き調整（平行度調整）が可能な技術を提供することである。また、平行度調整は、撮像された干渉縞を見ながら行えるようにすることである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、広帯域光を出力する広帯域光減（１）と、それぞれ遠端に、参照鏡を配置した参照光路と平面を有する被測定物を配置した測定光路の双方に該広帯域光を入射させ、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の該平面からの反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、該光路形成部が出力する反射光の合波を撮像する撮像手段（１０）とを備え、前記合波に基づく干渉縞を基に前記被測定物の平面の形状を測定する三次元形状測定装置において、少なくとも前記光路形成部を収容し、前記測定光路を挟み、かつ該測定光路に平行に相対する２面のそれぞれに第１の孔（１０１ａ）が設けられたケース（１０５）と、前記ケースの前記相対する２面及び該２面の間の他の面を囲む形状を有し、かつ該他の面の該囲む方向の中央部に相当する位置に第２の孔（１０２ａ）を有し、前記第１の孔のそれぞれに挿入される第１の軸部材（１０１）を支え、前記ケースを傾き可能に保持する第１の保持機構（１０３）と、前記第１の軸部材の軸方向と直交する方向から前記第２の孔に挿入される第２の軸部材（１０２）を支え、前記第１の保持機構を傾き可能に保持する保持部材を有する第２の保持機構（１０４）と、前記ケースを前記第２の軸部材の軸方向から対向して押圧する、第１のバネ部材（１０４ｄ）と第１の押圧調整部材（１０４ｅ）と、前記第１の保持機構を前記第１の軸部材の軸方向から対向して押圧する、第２のバネ部材（１０３ｄ）と第２の押圧調整部材（１０３ｅ）と、を備え、前記第１の押圧調整部材により前記ケースの傾きを調整可能な構成、及び前記第２の押圧調整部材により前記第１の保持機構の傾きを調整可能な構成とした、ことを特徴とする三次元形状測定装置。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、表示手段（１８ａ）と、
前記第１の押圧調整部材又は／及び第２の押圧調整部材で傾きを調整されているときに、前記撮像手段で撮像される前記合波に基づく干渉縞の変化を視認可能に表示させる表示制御手段（１８ｃ）とを備えた。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第１の押圧調整手段で傾きを調整された前記ケースは前記第１の保持機構に固定可能な構成にされ、前記第２の押圧調整手段で傾きを調整された第１の保持機構は前記第２の保持機構に固定可能な構成にされている。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１のバネ部材及び第１の押圧調整部材は前記第１の保持機構に対して脱着可能に、前記第２のバネ部材及び第２の押圧調整部材は前記第２の保持機構に対して脱着可能に、構成されている。

請求項１に記載の発明によれば、測定センサーは、複数の軸部材及びそれらを支える保持機構により支えられながら、かつ傾き調整が可能な構成なので、振動の影響を軽減して調整し、調整された結果の状態を維持できる。

請求項２に記載の発明によれば、操作者は干渉縞を観察しながら調整できるので、調整しやすい。

請求項３に記載の発明によれば、調整後に調整した傾き状態で固定できる構成なので、調整した傾きをより安定に維持できる。

請求項４に記載の発明によれば、バネ部材及び押圧調整手段等の調整治具は、取り外し可能にされているので、測定に無駄なものが無くなり、軽くなる。

本発明に係る実施形態を図を用いて説明する。図１〜図３は、本実施形態の光学的構成及び動作を説明するための図であり、図４〜図７は、本実施形態に係る平行度調整機構を説明するための図である。図１は、光学的な機能構成を表す図、図２は、図１の構成による測定を説明するための図、図３は、撮像素子の配列を示す図である。図４は、平行度調整機構の構造を示す斜視図、図５は、図４の上部から見た断面図、図６は、ケースを含む第１の保持機構の傾き調整を説明するための図、図７は、干渉縞の調整（平行度調整）を説明するための図である。

以下、実施形態を図１〜図３に基づく「１．光学的構成及び動作」、「２．測定センサーの配置構造」、及び図４〜図７に基づく「３．平行度調整機構」に分けて説明する。

「１．光学的構成及び動作」
図１の光源１は、広帯域に亘る多数の波長成分（スペクトラム）を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出射する光源であって、ここでは、例えば、白色光源を用いる。コリメータレンズ２は、光源１からの白色光（広帯域光）を集光してビームスプリッター３へ送る。ビームスプリッター３は、白色光の方向を変換して対物レンズ４へ送る。対物レンズ４は、白色光を集光してビームスプリッター５（光路形成部）へ送る。ビームスプリッター５は、対物レンズ４から受けた白色光を２方向へ分岐し、一つは測定光として被測定物７へ送り（ビームスプリッター５から被測定物７への光路を測定光路５ａとする。）、他の一つは参照光として参照鏡６へ送る（ビームスプリッター５から参照鏡６への光路を参照光路５ｂとする。）。この例では、ビームスプリッター５と参照鏡６との間は固定、つまり参照光路５ｂの光路長は一定の固定長さとされている。ビームスプリッター５は、ハーフミラー等の他の手段で構成することともできる。

測定光路５ａは、被測定物７の表面上の測定したい所望の照射範囲を同時に照射する構成にされている。一度に照射される範囲は、後記するように撮像手段であるカメラ１０の撮像素子が感知できる範囲である（図３を参照）。

被測定物７（ワーク）は平面を有し、ここでの形状測定では、その平面の詳細形状が測定対象となる。例えば、一辺が１ｍの液晶画面等が被測定物となる。したがって、ここで言う平面とは平均的な平面を意味し、測定精度の細かさでの平面を意味するものではない。被測定物７は、ピエゾ８の上に搭載されている。ピエゾ８は、電圧で駆動される圧電素子で構成され、光路長制御手段１６からの指示により、連続的に、被測定物７をＸＹ平面（図１の紙面に直交する面）に対してＺ軸方向（図１の紙面の上下方向）へ変化（移動）させることにより測定光路５ａの光路長を可変制御する。

この測定光路５ａの光路長の可変制御にあっては、従来技術に説明されているように、ゆっくり密に制御する方法や、段階的に整定時間を設けて制御する方法や、それらでは測定時間が長くなるというので連続制御する方法のいずれであっても良い。

この実施形態では、連続的に可変制御する場合で説明する。なお、ここでの光路長の連続的変化（或いは、連続変化）は、次のように段階的に変化させる場合も含まれる。つまり一定間の細かい時間隔おきに一定の細かい距離づつ、ステップで変化させる。つまり細かい距離ステップで変化させて実質的に連続的に変化させる場合も含まれる。このように連続変化には、後述するように、カメラ１０（撮像手段）で所定時間間隔（タイミング）で撮像され、データが取得されるが、その時間間隔で変化させる光路長変化の間隔に比べて、相対的に狭い距離間隔でステップ状に変化される態様が含まれる。この場合の所定時間間隔には、従来技術で説明した整定時間は含まれていない。

ピエゾ８は、ビームスプリッター５の固定位置に対して、光路長制御手段１６の制御によって、測定光路５ａの光路長を変化させる手段（光路長可変手段）である。なお、ここでは、参照光路５ｂの光路長を固定、測定光路５ａの光路長を変化させることで説明するが、後記する干渉縞を生成するには、ピエゾ８を参照鏡６へ取り付け、測定光路５ａを固定とし、参照光路５ｂの光路長を変化させる構成にしても可能である。

参照鏡６及び被測定物７から反射されてきた各白色光（以下、「戻り白色光」と言うことがある。）は、ビームスプリッター５で合波（合成）され、さらに対物レンズ４で集光されて、ビームスプリッター３を通過して結像レンズ９により平行光にされてカメラ１０へ（撮像手段）入力される。このとき、光路長制御手段１６からの指示で、ピエゾ８が測定光路５ａの光路長を変化させる距離（或いは、変化させる所定の時間）に応じて、カメラ１０が戻り白色光を撮像することにより、戻り白色光による干渉縞が撮像される。撮像された干渉縞は、メモリ１３に記憶される。このとき、測定光路５ａは、上記のように被測定物７の所望の照射範囲を同時に照射する構成にされているので、照射範囲の各照射位置、つまり測定したい位置（以下、「測定位置」と言う。）からの戻り白色光に対応する干渉縞が撮像される。

なお、図１の光学系の変形としては、測定光路５ａと参照光路５ｂのそれぞれに対物レンズを配置する光学系を構成することもできるので、本発明は、図１の光学系に限らない。以下の説明は、図１に沿って説明する。

メモリ１３は、光路長制御手段１６が所定時間間隔のタイミング信号を生成してピエゾ８へ時間間隔に応じて光路長を変化させる指示をするので、そのタイミング信号のタイミングで戻り白色光の撮像データ（戻り白色光の輝度を示す輝度データになる。）を取り込み、記憶する。例えば、光路長が時間的に直線的に連続して変化するのであれば、タイミング信号の時間間隔をアドレスとして撮像データを記憶する。これらのタイミング進行方向（つまりアドレス方向）が、Ｚ軸方向を表すことになる。そのとき、その撮像データを測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）と合わせて記憶する。測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）の情報は、カメラ１０の撮像素子の位置（図３の配置を参照）に対応したＸＹ方向の画素の位置である。このようにメモリ１３に記憶されているので、例えば、そのメモリ１３から、このアドレス順に撮像データを取り出して再現すれば、図２（Ａ）のような干渉縞のデータが得られる。

図２（Ａ）の干渉縞のほぼ中央のピークの位置が、参照光路５ｂの光路長と測定光路５ａの光路長が同一になった場合である。また、干渉縞の間隔は、白色光（広帯域光）有する帯域の中心のほぼ１／２になる。また、図２（Ａ）の干渉縞の光路長方向への広がりは、白色光のコヒーレンシーの程度による。コヒーレンシーが低いほど広がり幅は、狭くなる。

なお「ピーク位置」（或いは、「ピークの位置」）については、上記に定義しているが、白色光による干渉縞の輝度（振幅）が最大（以下、「ピーク」と言う。）となる図２（Ａ）の横軸上の位置であって、横軸は、測定光路の光路長方向（図１のＺ軸方向：図１の紙面の上下方向）であり、また光路長を変化させるときの時間軸方向（カメラ１０により所定時間間隔で撮像されるときの時間軸方向）である。

信号処理手段２０は、光路長検出手段１４と変位演算手段１５とを備えている。光路長検出手段１４は、メモリ１３から、例えば測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）における撮像データをアドレス順に読み出して、白色光の干渉縞の位置としてそのピークを検出してそのピークの現れる時間位置を特定光路長として決定する。具体的には、先ず、そのピークにおけるアドレス位置（タイミング）、つまり所定の時間間隔における時間位置を決定する（図２（Ａ）のｔ１）。そして、さらに、光路長制御手段１６が一定の時間間隔に対して光路長を変化させる光路長変化速度から、時間位置（ｔ１）に対する光路長を決定し、それを特定光路長Ｚ１とする（図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照）。同様に、基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）でも同様にして干渉縞を測定し、そのときのピーク値を示す特定光路長Ｚｓを求める。

なお、図２（Ｂ）は、光路長制御手段１６がピエゾ８に対して制御する、時間変化に対する光路長変化を示す（光路長を変化させる速度でもある。）。図２（Ｂ）の横軸は時間でもあるが、基準位置（光路長を変化させる前の位置、例えば、これをゼロとする。）からの測定光路の光路長の変化量でもある。

そして、変位演算手段１５が、それらの差Ｚｓ−Ｚ１を求めることにより、測定位置（Ｘｍ、ＹＰ）の基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）に対する変位、つまり高さとなる。同様に、各測定位置について処理を行えば、被測定物７の全面について高さ（Ｚ軸方向の距離）が測定できる。測定位置間での特定光路長間の差をとることによって、相対的な高さ方向の変位を得るので、カメラ１０の応答遅れがあってもうち消すことができる。

また、メモリ１３に記憶される撮像データは、上記のように所定時間間隔で記憶される（図２（Ａ）は、それらを結んで連続的に表現したものである。）ので、撮像データとしては離散的になる。この時間間隔（タイミング）が、図２（Ａ）の干渉縞の周期（縞の振幅間の間隔）に対して無視できる程度の細かさであれば、光路長検出手段１４ｃは、それら撮像データ（輝度データ）の極大点のうち最大値を示す点をピーク位置として求めても良いし、極大点を結んで得られる包絡線のピーク位置を演算で求めても良い。離散的なため、極大点と包絡線のピーク位置が一致しないことがあるが、この場合は、推定して決定する必要がある。例えば、干渉縞の特性が滑らかな特性であるから前後の極大点から補間演算により求めても良い。また、撮像データの時間間隔と干渉縞の周期に関わらず、信号処理手段２０は、特開平９−３１８３２９号公報に記載のように、離散的処理で求めてもよい。

上記のように、本実施形態によれば、カメラ１０に応答遅れがあっても特定光路長を測定可能であるが、光路長を変化させる速度が速いと、干渉縞の横軸がズレ、かつ振幅がつぶれてくるので、干渉縞のピークの識別が可能な変化速度に限界がある。したがって、光路長を変化させる速度は、次に説明するように干渉縞のピーク（位置）を特定できるような速度に設定する。

次に、離散的な撮像データから干渉縞を再現し、その干渉縞のピーク（その位置）を求めるにあたって、そのときの撮像データを取得するときの所定時間間隔（サンプリング間隔）、光路長変化速度、カメラ１０の蓄積時間等の関係について、次に説明する。

離散的な撮像データから干渉縞を再現し、その干渉縞のピーク（その位置）を求めるには、撮像データの所定時間間隔、即ちサンプリング間隔は、サンプリング定理により干渉縞の周期の１／２以下である必要がある。より厳密には、干渉縞のスペクトルは広がりをもつため、その分、よりサンプリング間隔を細かくする必要がある。したがって、実用的には干渉縞の周期の１／３以下で使用されることが望ましい。

カメラ１０の蓄積時間（いわば、露出時間である。）は、カメラ１０を構成する素子（光検出素子）の撮像データの転送時間が十分に短く、無視できると考えれば、最大で、サンプリング間隔まで蓄積（露出）が可能であるが、望ましくは、干渉縞の周期の１／３より短い時間範囲で、Ｓ／Ｎ、飽和レベルを考慮して設定されることが好ましい。

光路長を連続可変する際のもう一つの問題として、カメラ１０は、所望の面積を一度に撮像すると説明してきたが、実際は、図３に示す撮像素子からスキャンして撮像データを取得するので、撮像素子間のデータがスキャンに要する時間だけ異なった時間に取得され、その間に光路長の変化が進んでしまうという問題がある。この時間的なデータのずれを解決する１つの方法は、撮像素子の位置、スキャン順序及び光路長可変速度が既知なので、これらの値から補正することである。

「２．測定センサーの配置構造」
図１は、光学的な機能構成を示す図であるが、図１で、測定センサー４０は、コリメータレンズ２、ビームスプリッター３、対物レンズ４、ビームスプリッター５（光路形成部）、結像レンズ９、及びカメラ１０を備えている。測定センサー４０に、光源１を入れるとか、カメラ１０を外に出すとか、いくつかの変形が考えられるが、少なくとも、被測定物７との間で測定光路５ａを形成するビームスプリッター５（干渉を起こさせる光路形成部でもある。）が組み込まれることが必須である。測定センサー４０に含まれる各要素は、図４の光学系外筐１０５ａ及び１０５ｂに内蔵又は搭載されて、収容されている。そして、図１の測定光路５ａからカメラ１０までの延長される光路の光軸が、図４の光軸１００（図４のＺ軸）に相当する。図４で光学系外筐１０５ｂのＺ軸上の下部先端から被測定物７への光路が測定光路５ａに相当する。

「３．平行度調整機構」
図４、図５，及び図６を用いて、平行度調整機構の構成及び動作を説明する。

「３．１ 傾斜機構」
図４における平行度調整機構の基準となる位置は、つまり、傾斜のベースとなる位置は、被測定物７を搭載した基台（不図示）と、それにＺ軸方向にほぼ垂直に固定される保持部材１０４ａ（固定箇所は不図示）の位置であって、この実施形態では、この位置関係は固定のまま位置を一定として説明する。

測定センサー４０を内蔵している光学系外筐１０５ａ及び１０５ｂの長さ方向のほぼ重心部の一部が、ケース１０５に収容されている。なお、図４では、光学系外匡１０５ａ及び１０５ｂは円筒形で、ケース１０５が矩形状であるが、これらは一体のケースとし、全て矩形状の筒であっても良いし、全て円形状、或いは楕円状の筒であっても良い。平行度を調整後に固定しやすいのは、前者である。

平行度調整は、上記のように測定センサー４０の光軸（それと平行な面）と被測定物７の平面部分との直交性（平行性）の度合いを調整することであるが、測定センサー４０は、ケース１０５に収容、固定されており、結果的にケース１０５の傾きを変えることで調整できるので、以下の説明は、ケースの傾きで説明する。

ケース１０５は、その重心部付近であって、Ｘ軸方向の両サイドの辺のＹ軸方向の幅のほぼ中心に、光軸１００と交叉する方向に向けて円形状のＸ軸ピン孔１０１ａが設けられている。そして、ケース１０５の両サイドの辺を囲むように、光軸１００に平行に相対して、平板でなる２枚のピン支持部材１０３ａが配置されている。この２枚のピン支持部材１０３ａは、Ｘ軸ピン孔１０１ａに挿入されるＸ軸平行ピン１０１を備えている。ピン支持部材１０３ａは、ケース１０５をＸ軸を中心として傾斜（回転）可能にＸ軸平行ピン１０１を支える。

さらに、ピン支持部材１０３ａの２枚は、それらの間に配置された平板でなるＸ軸保持部材１０３ｂで結合され、固定されている。したがって、２枚のピン支持部材１０３ａとＸ軸保持部材１０３ｂ（以下、これらを含む構成を「第１の保持機構１０３」と言う。）とで、ケース１０５のほぼ重心部を３方向からコの字状に覆う形状を成している。そして、Ｘ軸保持部材１０３ｂのＸ軸方向の幅のほぼ中心から、光軸１００と交叉する方向であって、２つのＸ軸ピン孔１０１ａを結ぶ線と交叉する方向へ向けたＹ軸ピン孔１０２ａが設けられ（図５を参照）、Ｙ軸平行ピン１０２が挿入可能にされている。保持部材１０４ａ（第２の保持機構）は、第１の保持機構１０３をＹ軸を中心に傾斜（回転）可能にＹ軸平行ピン１０２を支持する。

第１の保持機構１０３は、ケース１０５を、Ｘ軸平行ピン１０１（Ｘ軸）を中心に傾斜可能に保持するため、図５のＡ点に示すようにケース１０５との間に、空間的余裕（隙間であっても良いし、隙間はないが摺動回転可能な余裕であっても良い。）がもたせてある。同様に、第１の保持機構１０３と保持部材１０４ａの間は、図５のＢ点に示すように、空間的な余裕を持たせて、第１の保持機構１０３が保持部材１０４ａに対して、Ｙ軸平行ピン１０２（Ｙ軸）を中心に傾斜（回転）可能にしている。

「３．２ 調整機構」
本実施形態では、平行度を調整する手段として、バネ部材として同じボールプランジャ１０３ｄ及び１０４ｄと、押圧調整部材として同じマイクロメータ１０３ｅ及び１０４ｅを使用している。

ボールプランジャ１０３ｄとマイクロメータ１０３ｅは、取付部材１０４ｆで保持部材１０４ａに、第１の保持機構１０３を挟み、互いにＸ軸に沿って対向して、かつＺ軸上でＹ軸平行ピン１０２より離れた位置（高い又は低い位置で離れた方が、回転トルクをかけやすいため）に取り付けられている。

ボールプランジャ１０３ｄは、円筒形の外側をネジが切られており、保持部材１０４ａの一方に取り付けられた取付部材１０４ｆに設けられたネジ孔への挿入度合いを調整できる。先端にはボールが第１の保持機構１０３の側面に突き押すように内部のバネで保持されている。マイクロメータ１０３ｅは、保持部材１０４ａの他方に取り付けられた取付部材１０４ｆに取り付けられており、操作者がその外側のつまみ（図５の編み目部分）を回すことにより、内部の芯部分が第１の保持機構１０３の側面を押圧する。したがって、マイクロメータ１０３ｅのつまみを回して押圧力と調整することで、図６（Ａ）に示すように、傾きを調整することができる。

ボールプランジャ１０４ｄはＸ軸保持部材１０３ｂに取り付けられ、マイクロメータ１０４ｅは取付部材１０３ｆで２枚のピン支持部材１０３ａの間に取り付けられ、かつ互いにＹ軸に沿って対向して、かつＺ軸上でＸ軸平行ピン１０１より離れた位置（高い又は低い位置で離れた方が、回転トルクをかけやすいため）に取り付けられている。

ボールプランジャ１０４ｄは、円筒形の外側をネジが切られており、Ｘ軸保持部材１０３ｂに設けられたネジ孔への挿入度合いを調整できる。先端にはボールがケース１０５の側面に突き押すように内部のバネで保持されている。マイクロメータ１０４ｅは、取付部材１０３ｆに取り付けられており、操作者がその外側のつまみ（図５の編み目部分）を回すことにより、内部の芯部分がケース１０５の側面を押圧する。したがって、マイクロメータ１０４ｅのつまみを回して押圧力と調整することで、図６（Ｂ）に示すように、傾きを調整することができる。

図６は、平行度調整の様子を示す図である。図６（Ｂ）は、マイクロメータ１０４ｅを回してケース１０５へのＹ軸に沿った押圧力を変更して、Ｘ軸平行ピン１０１を中心に回転させることにより、ケース１０５の一方の傾きが調整できることを示している。このとき、保持部材１０４ａ及び第１の保持機構１０３は動かない。図６（Ａ）は、マイクロメータ１０３ｅを回して第１の保持機構１０３へのＸ軸方向の押圧力を変更し、Ｙ軸平行ピン１０２を中心に回転させることにより、ケース１０５の他方の傾きが調整できることを示している。このとき、保持部材１０４ａは動かない。

平行度調整後は、ケース１０５と第１の保持機構１０３との間を、２つのピン支持部材１０３ａに設けられたＸ軸固定孔１０３ｃからケース１０５に設けられたネジ孔（不図示）にネジを差し回して固定する（この例では、２つのピン支持部材１０３ａのそれぞれ４カ所）。第１の保持機構１０３と保持部材１０４ａとの間をＸ軸保持部材１０３ｂに設けられたＹ軸固定孔１０４ｂ通して保持部材１０４ａに設けられたネジ孔（不図示）にネジで固定する（この例では、ケース１０５ａの上下の４カ所）。上記のＸ軸固定孔１０３ｃ及びＹ軸固定孔１０４ｂのそれぞれは、傾きの調整範囲が１から２度、大きくても数度の範囲であるからわずかな大きさの孔で済む。

ケース１０５の傾きを保持部材１０４ａに固定後は、取付部材１０４ｆを保持部材１０４ａから外すことにより、ボールプランジャ１０３ｄとマイクロメータ１０３ｅを取り外せる。取付部材１０３ｆをピン保持部材１０３ａから外すことによりマイクロメータ１０４ｅを取り外せる。このようにしてケース１０５の傾き調整後、つまり平行度調整後は、調整用治具を外して形状測定を行うことができる。

「３．３ 調整方法」
平行度調整は、平均的に平面を有する被測定物７、或いはそれに代わる校正用の平坦な板部材を測定対象として配置し、実際に、図１の機能構成で形状測定を行う。そのとき、図１のカメラ１０の出力を表示制御手段１８ｃを介して、表示手段１８ａに表示させる。そして、操作手段１８ｂから手動で、測定センサー４０を搭載したＺ軸ステージ４１を駆動してＺ軸方向に動かして、表示面の中心部に干渉縞が生じるように測定光路５ａの光路長に設定する。図７（Ａ）は、そのときのカメラ１０が捉えた測定センサー４０による干渉縞の波形である。そして、マイクロメータ１０３ｅ及び１０４ｅを回して、表示面の干渉縞の数が最小で、かつ１本当たりの干渉縞の幅が最大になるように調整する（図７（Ｂ）を参照）。共に最小、最大になったところで、調整終了する。なお、原則としては、被測定物の平面が理想的に平坦で、かつ平行度が理想的に調整されていれば、表示される干渉縞は、図２（Ａ）のピーク値の一点しか見えないから、表示画面の全面が１本の干渉縞の中に存在するように見える。しかし、実際は幾らか誤差（被測定物の場合は、平均的な平面であるから、当然ながら干渉縞にムラがでる。）があるので、上記のように最小、最大の点で傾きの調整を終える。

このように、実際に干渉縞を観測することにより、被測定物７と測定センサー４０の傾きを調整できるので、調整が容易である。

上記構成のうち、信号処理手段２０、光路長制御手段１６及び表示制御手段１８ｃは，ＣＰＵ及びメモリで構成することができる。

本発明の光学的な機能構成を表す図である。 図１の構成による測定を説明するための図である。 撮像素子の配列を示す図である。 平行度調整機構の構造を示す斜視図である。 図４の上部から見た断面図である。 ケースを含む第１の保持機構の傾き調整を説明するための図である。 干渉縞の調整（平衡度調整）を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源、２ コリメータレンズ、３ ビームスプリッター、４ 対物レンズ、
５ ビームスプリッター、５ａ 測定光路、５ｂ 参照光路、６ 参照鏡、
７ 被測定物、８ ピエゾ、９ 結像レンズ、１０ カメラ、
１３ メモリ、１４ 光路長検出手段、
１５ 変位演算手段、１６ 光路長制御手段、１８ ユーザインタフェース、
２０ 信号処理手段、４０ 測定センサー、４１ Ｚ軸ステージ
１００ 光軸、１０１ Ｘ軸平行ピン、１０１ａ Ｘ軸ピン孔、
１０２ Ｙ軸平行ピン、１０２ａ Ｙ軸ピン孔
１０３ 第１の保持機構、１０３ａ ピン支持部材、
１０３ｂ Ｘ軸保持部材、１０３ｃ Ｘ軸固定孔、
１０３ｄ ボールプランジャ、１０３ｅ マイクロメータ、１０３ｆ 取付部材、
１０４ 第２の保持機構、１０４ａ 保持部材、１０４ｂ Ｙ軸固定孔、
１０４ｄ ボールプランジャ、１０４ｅ マイクロメータ、１０５ ケース、
１０５ａ、１０５ｂ 光学系外筐

Claims (4)

1. 広帯域光を出力する広帯域光減（１）と、それぞれ遠端に、参照鏡を配置した参照光路と平面を有する被測定物を配置した測定光路の双方に該広帯域光を入射させ、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の該平面からの反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、該光路形成部が出力する反射光の合波を撮像する撮像手段（１０）とを備え、前記合波に基づく干渉縞を基に前記被測定物の平面の形状を測定する三次元形状測定装置において、
   少なくとも前記光路形成部を収容し、前記測定光路を挟み、かつ該測定光路に平行に相対する２面のそれぞれに第１の孔（１０１ａ）が設けられたケース（１０５）と、
   前記ケースの前記相対する２面及び該２面の間の他の面を囲む形状を有し、かつ該他の面の該囲む方向の中央部に相当する位置に第２の孔（１０２ａ）を有し、前記第１の孔のそれぞれに挿入される第１の軸部材（１０１）を支え、前記ケースを傾き可能に保持する第１の保持機構（１０３）と、
   前記第１の軸部材の軸方向と直交する方向から前記第２の孔に挿入される第２の軸部材（１０２）を支え、前記第１の保持機構を傾き可能に保持する保持部材を有する第２の保持機構（１０４）と、
   前記ケースを前記第２の軸部材の軸方向から対向して押圧する、第１のバネ部材（１０４ｄ）と第１の押圧調整部材（１０４ｅ）と、
   前記第１の保持機構を前記第１の軸部材の軸方向から対向して押圧する、第２のバネ部材（１０３ｄ）と第２の押圧調整部材（１０３ｅ）と、を備え、
   前記第１の押圧調整部材により前記ケースの傾きを調整可能な構成、及び前記第２の押圧調整部材により前記第１の保持機構の傾きを調整可能な構成とした
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 表示手段（１８ａ）と、
   前記第１の押圧調整部材又は／及び第２の押圧調整部材で傾きを調整されているときに、前記撮像手段で撮像される前記合波に基づく干渉縞の変化を視認可能に表示させる表示制御手段（１８ｃ）とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記第１の押圧調整手段で傾きを調整された前記ケースは前記第１の保持機構に固定可能な構成にされ、前記第２の押圧調整手段で傾きを調整された第１の保持機構は前記第２の保持機構に固定可能な構成にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記第１のバネ部材及び第１の押圧調整部材は前記第１の保持機構に対して脱着可能に、前記第２のバネ部材及び第２の押圧調整部材は前記第２の保持機構に対して脱着可能に、構成されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定装置。

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