JPH1068602A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度かつ短時間で形状測定を可能とするこ
とを目的とする。 【解決手段】 本発明の形状測定装置は，光束を被検面
に照射し，その反射光束に基づいてフォーカスエラー信
号を出力する光学式変位センサ１０１と，光学式変位セ
ンサ１０１を移動させ，光学式変位センサ１０１と被検
面との相対位置を変化させるｘ−ｙテーブル１０４と，
ｘ−ｙテーブル１０４の変位を測定するレーザ測長器１
０２，１０３及び参照ミラー１０５，１０６と，被検面
の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０位の誤差の
関係と被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の
感度の関係とを予め求めかつ校正値として記憶し，ｘ−
ｙテーブル１０４の変位から被検面の傾斜角を求め，こ
の傾斜角と校正値とに基づいてｘ−ｙテーブル１０４の
誤差変位を求め，レーザ測長器１０２，１０３で測定し
た変位と前記誤差変位とを足し合わせる制御部１０８と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は，精密な成形品や加
工品等で形状に精度が要求されるもの，例えば非球面レ
ンズ等の形状を非接触状態で測定することができる形状
測定装置に関し，より詳細には，高精度かつ短時間で形
状測定を行うことができる形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触状態で非球面レンズ等の自由曲面
形状測定を行う形状測定装置には光学式変位センサが用
いられる。この光学式変位センサは，対物レンズを介し
て光束を被検面に照射し，被検面からの反射光束に基づ
いて被検面と集光点との相対距離に比例して変化するフ
ォーカスエラー信号を出力するものである。形状測定装
置は，この光学式変位センサを被検面に沿って走査する
と共にフォーカスエラー信号の出力レベルを一定に保つ
ように光学式変位センサと被検面との位置を変化させ，
この光学式センサの移動を記録することにより被検面の
形状の測定を可能とするものである。

【０００３】図９に光束の集光点と被検面との相対的距
離とフォーカスエラー信号の出力との関係を示す。図９
に示すように光学式変位センサのフォーカスエラー信号
は，照射された光束の光軸に対して被検面が傾斜するに
従って後述する誤差を含み変化していく。なお，図９に
は被検面の傾斜角が０度の場合と１０度の場合とが示さ
れている。

【０００４】図９から明かなように，フォーカスエラー
信号は通常原点近傍でリニアな挙動を示す。そこで，リ
ニアな挙動を示す部分において，被検面の傾斜角に応じ
たフォーカスエラー信号出力の誤差を２つの成分に分け
て考える。第１の誤差は，絶対位置に対してフォーカス
エラー信号が０となる点（この点を「原点」とする）が
被検面の傾斜角に応じて移動するという点である。第２
の誤差は，フォーカスエラー信号の原点近傍の変位−出
力曲線の傾き（この傾きを「感度」とする）が被検面の
傾斜角に応じて変化するという点である。本発明におい
て，上記第１の誤差を原点誤差，第２の誤差を感度誤差
と呼ぶことにする。

【０００５】上記原点の移動と感度の変化は，光学式変
位センサの原理に起因して発生することの他に，光学系
の組立誤差や受光素子の特性のばらつきに起因するもの
等，様々な原因によって発生するものであるため，これ
を完全に除去することは難しい。

【０００６】従来の形状測定機では専ら原点の移動によ
る誤差に着目し，フォーカスエラー信号の出力が０（原
点）に近づくように制御することにより，非球面レンズ
等の形状測定の精度を保っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
形状測定機においては，フォーカスエラー信号の出力が
十分原点に近づくように制御する必要があるため，十分
収束させるのに時間を要し，その結果測定に時間がかか
るという問題があった。

【０００８】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て，高精度かつ短時間で形状測定を可能とすることを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め，本発明の請求項１に係る形状測定装置は，対物レン
ズで集光させた光束を被検面に照射し，その反射光束に
基づいてフォーカスエラー信号を出力する光学式変位セ
ンサと，少なくとも２自由度で前記光学式変位センサを
移動させ，前記光学式変位センサと前記被検面との相対
位置を変化させる移動手段と，前記移動手段の変位を測
定する変位測定手段と，前記変位測定手段で測定した前
記移動手段の変位から前記被検面の傾斜角を求める傾斜
角演算手段と，被検面の傾斜角に対する前記フォーカス
エラー信号の０位の誤差の関係と被検面の傾斜角に対す
る前記フォーカスエラー信号の感度の関係とを十分な精
度を有する校正球を用いて予め求めかつ校正値として記
憶し，前記傾斜角演算手段で求めた傾斜角と前記校正値
とに基づいて前記移動手段の誤差変位を求める誤差演算
手段と，前記変位測定手段で測定した変位と前記誤差演
算手段で求めた誤差変位とを足し合わせる合算手段と，
を備えるものである。

【００１０】また，本発明の請求項２に係る形状測定装
置は，対物レンズで集光させた光束を被検面に照射し，
その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号を出力す
ると共に前記被検面の傾斜角を求める光学式変位センサ
と，少なくとも２自由度で前記光学式変位センサを移動
させ，前記光学式変位センサと前記被検面との相対位置
を変化させる移動手段と，前記移動手段の変位を測定す
る変位測定手段と，被検面の傾斜角に対する前記フォー
カスエラー信号の０位の誤差の関係と被検面の傾斜角に
対する前記フォーカスエラー信号の感度の関係とを十分
な精度を有する校正球を用いて予め求めかつ校正値とし
て記憶し，前記光学式変位センサで求めた傾斜角と前記
校正値とに基づいて前記移動手段の誤差変位を求める誤
差演算手段と，前記変位測定手段で測定した変位と前記
誤差演算手段で求めた誤差変位とを足し合わせる合算手
段と，を備えるものである。

【００１１】また，本発明の請求項３に係る形状測定装
置は，対物レンズで集光させた光束を被検面に照射し，
その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号を出力す
る光学式変位センサと，少なくとも２自由度で前記光学
式変位センサを移動させ，前記光学式変位センサと前記
被検面との相対位置を変化させる移動手段と，前記移動
手段の変位を測定する変位測定手段と，前記変位測定手
段で測定した前記移動手段の変位から前記被検面の傾斜
角を求める傾斜角演算手段と，十分な精度を有する校正
球を用いて被検面の傾斜角に対する前記フォーカスエラ
ー信号の０位の誤差の関係を求める原点誤差演算手段
と，前記校正球の複数の位置で前記フォーカスエラー信
号と前記移動手段の変位との関係を求め，被検面の傾斜
角に対する前記フォーカスエラー信号の感度の関係を求
める感度誤差演算手段と，前記原点誤差演算手段で求め
た関係と前記感度誤差演算手段で求めた関係と前記傾斜
角演算手段で求めた傾斜角とに基づいて，前記移動手段
の誤差変位を求める誤差演算手段と，前記変位測定手段
で測定した変位と前記誤差演算手段で求めた誤差変位と
を足し合わせる合算手段と，を備えるものである。

【００１２】更に，本発明の請求項４に係る形状測定装
置は，対物レンズで集光させた光束を被検面に照射し，
その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号を出力す
ると共に前記被検面の傾斜角を求める光学式変位センサ
と，少なくとも２自由度で前記光学式変位センサを移動
させ，前記光学式変位センサと前記被検面との相対位置
を変化させる移動手段と，前記移動手段の変位を測定す
る変位測定手段と，十分な精度を有する校正球を用いて
被検面の傾斜角に対する前記フォーカスエラー信号の０
位の誤差の関係を求める原点誤差演算手段と，前記校正
球の複数の位置で前記フォーカスエラー信号と前記移動
手段の変位との関係を求め，被検面の傾斜角に対する前
記フォーカスエラー信号の感度の関係を求める感度誤差
演算手段と，前記原点誤差演算手段で求めた関係と前記
感度誤差演算手段で求めた関係と前記光学式変位センサ
で求めた傾斜角とに基づいて，前記移動手段の誤差変位
を求める誤差演算手段と，前記変位測定手段で測定した
変位と前記誤差演算手段で求めた誤差変位とを足し合わ
せる合算手段と，を備えるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下，本発明に係る形状測定装置
の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１４】［実施の形態１］図１は，本発明の実施の
形態１に係る形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。図１に示す形状測定装置は，対物レンズで集光させ
た光束を被検面に照射し，その反射光束に基づいてフォ
ーカスエラー信号を出力する光学式変位センサ１０１
と，少なくとも２自由度で光学式変位センサ１０１を移
動させ，光学式変位センサ１０１と被検面との相対位置
を変化させる本発明の移動手段としてのｘ−ｙテーブル
１０４と，ｘ−ｙテーブル１０４の変位を測定する本発
明の変位測定手段としてのレーザ測長器１０２，１０３
及び参照ミラー１０５，１０６と，レーザ測長器１０
２，１０３で測定したｘ−ｙテーブル１０４の変位から
被検面の傾斜角を求める本発明の傾斜角演算手段，被検
面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０位の誤差
の関係と被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号
の感度の関係とを十分な精度を有する校正球を用いて予
め求めかつ校正値として記憶し，ｘ−ｙテーブル１０４
の変位から求めた傾斜角と校正値とに基づいてｘ−ｙテ
ーブル１０４の誤差変位を求める本発明の誤差演算手段
及びレーザ測長器１０２，１０３で測定した変位とｘ−
ｙテーブル１０４の誤差変位とを足し合わせる本発明の
合算手段としての制御部１０８と，を備えるものであ
る。

【００１５】ｘ−ｙテーブル１０４は，制御部１０８に
よって制御された駆動モータ（図示せず）によって駆動
され，ｘ・ｙ方向に移動可能に構成されている。このｘ
−ｙテーブル１０４上には，ｘ方向の変位を計測するレ
ーザ測長器１０２と，ｙ方向の変位を計測するレーザ測
長器１０３とが設けられる。

【００１６】レーザ測長器１０２，１０３は，それぞれ
対応する参照ミラー１０５，１０６との距離を高精度に
測定することができ，これによってｘ−ｙテーブル１０
４の変位を測定することができる。

【００１７】また，ｘ−ｙテーブル１０４上には光学式
変位センサ１０１が設けられる。そして制御部１０８の
制御の下，この光学変位センサ１０１をｘ方向に走査す
ると共にフォーカスエラー信号の出力が０となるように
ｙ方向に移動させることにより，光学変位センサ１０１
に設けられた対物レンズの焦点位置と測定台（図示せ
ず）に取り付けられた測定対象物１０７の被検面との相
対位置を超高精度で測定することができる。

【００１８】以下に実施の形態１に係る形状測定装置を
用いた測定対象物１０７の被検面の形状測定方法を説明
する。

【００１９】従来技術で説明したように，光学式変位セ
ンサ１０１から出力されるフォーカスエラー信号には被
検面の傾斜角に応じて原点誤差と感度誤差とが含まれ
る。そこで，測定データからこれらの誤差を取り除くた
め，校正球を用いて原点誤差と感度誤差との特性を測定
し，測定値を補正するために用いる校正値を予め求め
る。

【００２０】まず，レーザ測長器１０２の測長方向をｘ
軸，レーザ測長器１０３の測長方向をｙ軸とし，レーザ
測長器１０２，１０３から照射されるレーザ光に対して
直交するように参照ミラー１０５，１０６をそれぞれ配
置する。そして，ｘ−ｙテーブル１０４の移動方向をレ
ーザ測長器１０２，１０３の測長方向であるｘとｙに合
わせる。

【００２１】原点誤差は，曲率半径が比較的小さく，そ
の値が既知の精度の良い球面を持つ校正球の中心を通る
断面でその形状を測定し，測定値と理論値との差を求め
ることによって調べることができる。

【００２２】まず，十分な精度を持つ校正球を測定台
（図示せず）に固定する。そして，光学式変位センサ１
０１による走査面が校正球の中心を通るように十分校正
球の頂点探索を行った後，校正球の形状測定を行う。こ
のとき，フォーカスエラー信号の出力ができるだけ０に
近づくようにｘ−ｙテーブル１０４の変位を制御する。
校正球の頂点探索が十分であれば，校正球の測定データ
はそのまま校正球と同一半径を持つ理想的な球面と直接
比較することができる。よって測定位置と原点誤差の関
係を求めることができる。図２は，測定位置と原点誤差
との関係を示している。

【００２３】ここで校正球の半径は既知であるため，走
査方向の頂点からの距離に基づいて図２に示す関係を被
検面の傾斜角に対する原点の誤差に変換することができ
る。図３は，被検面の傾斜角と原点誤差との関係を示し
ている。これを例えば多項式近似し，その係数を制御部
１０８に記憶しておくことにより，実際の測定値から任
意の傾斜角に対する原点誤差を求めることができる。

【００２４】なお，形状測定装置の座標軸の直角度の精
度不足によって発生するいわゆる直角誤差については，
上記校正球の曲率半径を小さくすることにより，原点誤
差に比べて無視できる程小さくすることができる。

【００２５】また，感度誤差については以下のように調
べることができる。

【００２６】前述のように校正球の中心を通る断面内で
校正球の形状を測定した後，いくつかのサンプリング点
を選択する。各サンプリング点において，合焦点近傍の
リニアな範囲（フォーカスエラー信号出力が０となる付
近）で光学式変位センサ１０１を微小に変位させ，その
ときの位置の測定データと光学式変位センサ１０１の出
力とを記録する。そしてこのデータよりｘ−ｙテーブル
１０４の変位と光学式変位センサ１０１の出力との関係
を１次式に近似し，その傾き（感度）を求める。

【００２７】傾きを求めた後，前述した形状測定結果か
ら各サンプリング点における被検面の傾斜角を求める。
これにより被検面の傾斜角と感度との関係を求めること
ができる。図４に被検面の傾斜角と感度との関係を示
す。そして，原点誤差の場合と同様に，傾斜角と感度の
関係を多項式に近似してその係数を制御部１０８に記憶
しておくことにより，実際の測定値から任意の角度での
感度誤差を求めることができる。

【００２８】上述したように原点誤差及び感度誤差の特
性を調べ，補正用の多項式の係数を予め制御部１０８に
記憶した後，測定対象物１０７の形状測定を行う。すな
わち，測定台に測定対象物１０７を固定し，制御部１０
８の制御の下，フォーカスエラー信号出力が０に近づく
ようにｘ−ｙテーブル１０４の移動を制御しつつ光学式
変位センサ１０１を被検面に沿って走査し，各測定点の
レーザ測長器１０２，１０３の出力値とその測定点の光
学式変位センサ１０１の出力値とを記録していく。

【００２９】まず各測定点において，レーザ測長器１０
２，１０３から出力された座標データの点列を用い，制
御部１０８で被検面の傾斜角を求める。被検面の傾斜角
を求める方法としては以下のものがある。

【００３０】第１に，図５に示すように現在の測定点で
のレーザ測長器１０２，１０３の出力座標（ｘ_i ，
ｙ_i ）とその１つ前の測定点のレーザ測長器１０２，１
０３の出力座標（ｘ_i-1 ，ｙ_i-1 ）とからａｔａｎ
（（ｙ_i −ｙ_i-1 ）／（ｘ_i −ｘ_i-1））を求めること
により，被検面の傾斜角を各測定点毎に得るという方法
がある。

【００３１】第２に，数個前までの測定点の座標データ
［（ｘ_i-n ，ｙ_i-n ），．．．，（ｘ_i-1 ，ｙ_i-1 ），
（ｘ_i ，ｙ_i ）］を１次関数（ｆ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ）に
近似して，そのときのａｔａｎ（ｂ）を求めて傾斜角を
得るという方法がある。測定する点列のｘ方向のピッチ
が小さいときには，表面粗さの影響で傾斜角が正確に求
まらない場合があり，そのときはこの方法を用いた方が
安全である。

【００３２】更に第３の方法は以下の通りである。測定
（点列データの取得）を終了した後，全ての点列データ
を解析的に微分可能な関数，例えば多項式 ｆ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ² ＋ｄｘ³ ＋，．．． に近似する。これで求まったａ，ｂ，ｃ，．．．より，
この関数の１階微分 ｆ’（ｘ）＝ｂ＋ｃｘ＋ｄｘ² ＋，．．． が求まる。そしてこの式より，個々の座標データ
（ｘ_i ，ｙ_i ）の位置での傾斜角を θ（ｘ）＝ａｔａｎ（ｆ’（ｘ_i ）） により求める。

【００３３】上述したように被検面の傾斜角を求め，制
御部１０８で原点誤差の補正用の係数と求めた傾斜角に
基づいて各測定点における原点誤差を求める。原点誤差
は，予め求めた原点誤差補正用の多項式の係数を用い，
多項式を解くことによって求めることができる。

【００３４】また，制御部１０８で傾斜角に基づいて感
度誤差を求める。予め求めた感度誤差補正用の多項式の
係数を用い，多項式を解くことによって各測定点におけ
る光学式変位センサ１０１の感度を求め，求めた感度と
実際の各測定点における光学式変位センサ１０１の出力
を用いて被検面と光学式変位センサ１０１との０点の距
離，即ち感度誤差を求めることができる。

【００３５】以上のように各測定点に対する原点誤差と
感度誤差の補正分を求め，これらとレーザ測長器１０
２，１０３の各測定点の出力値とを足し合わせて測定形
状データとする。

【００３６】このように実施の形態１に係る形状測定装
置によれば，各測定点における被検面の傾斜角を求め，
各測定点に対する原点誤差及び感度誤差を求め，これら
の誤差の補正値をレーザ測長器１０２，１０３の出力値
に足し合わせることにしたため，高精度に形状測定を行
うことができる。また，原点補正及び感度補正を行うこ
とにしたため，光学式変位センサ１０１の出力がリニア
な範囲に入っていれば十分な測定精度を確保することが
できる。したがって，フォーカスエラー信号の出力を原
点に近づける制御に時間をとられることなく，光学式変
位センサの走査速度を大きく向上させることができ，そ
の結果測定時間を短縮することができる。

【００３７】なお，実施の形態１の形状測定装置におい
ては，予め原点誤差と感度誤差との特性を調べ，測定値
から原点誤差と感度誤差とを取り除くための校正値を制
御部１０８に記憶させておくことにしている。この場合
は，例えば実際に校正値を測定し，形状測定装置の出荷
時に制御部１０８に校正値を記憶させる。一方で，校正
球の半径さえわかっていれば校正値を全自動で求めるこ
とにすることも可能である。

【００３８】すなわち，十分な精度を有する校正球を用
いて被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０
位の誤差の関係を求める原点誤差演算機能と，校正球の
複数の位置でフォーカスエラー信号とｘ−ｙテーブル１
０４の変位との関係を求め，被検面の傾斜角に対するフ
ォーカスエラー信号の感度の関係を求める感度誤差演算
機能とを制御部１０８に持たせるのである。これによ
り，原点誤差と感度誤差との特性を調べ，測定値から原
点誤差と感度誤差とを取り除くための校正値を全自動で
求めることができ，ユーザが簡単にセンサの校正を行う
ことが可能となる。そして，形状測定装置は，原点誤差
演算と感度誤差演算によって得られた関係と被検面の傾
斜角演算によって得られた傾斜角とによってｘ−ｙテー
ブル１０４の誤差変位を得ることができ，この誤差変位
とｘ−ｙテーブル１０４の変位を合算することにより，
被検面の形状を得ることができる。

【００３９】また，レーザ測長器１０２，１０３の参照
ミラー１０５，１０６は，なるべく精度良く２つのミラ
ー面の相対角が９０度になるように配置されるが，それ
だけでは調整に限界があり，数１００ｍｍの幅で被検面
の形状測定を行う場合はこの誤差が数μｍになり，精度
が十分とはいえなくなる。そこで，前述した実施の形態
１に係る形状測定装置の参照ミラー１０５，１０６の相
対角を高精度で測定し，制御部１０８が，測定された角
度に基づいて測定値に補正をかけるという構成を採用す
ることもできる。以上説明してきた原点誤差，感度誤差
の各誤差の補正方法は全て直交座標系での演算によって
求められるもので，測定機の座標系の直交度が良ければ
良い程精度が増す。よって，基準ミラーの直交からのず
れによる座標系のひずみによる誤差の補正を加えること
により，より高精度の結果を得ることができる。

【００４０】なお，ここで，形状測定装置の参照ミラー
１０５，１０６の相対角を高精度で測定する方法を説明
する。第１の方法として図６に示す方法がある。この方
法は，直角度既知の光学ブロック１０９を用い，光学ブ
ロック１０９の角度と等しくなるように参照ミラー１０
５，１０６の角度を調整するというものである。図６に
おいて，（１）の方向からレーザ光を入射し，参照ミラ
ー１０６のミラー面で反射された光と光学ブロック１０
９のａ面で反射された光とを干渉させる。そして，干渉
縞を見ながら，参照ミラー１０６のミラー面と光学ブロ
ック１０９のａ面とが平行になるように調整する。ま
た，（２）の方向からレーザ光を入射し，上記と同様に
参照ミラー１０５のミラー面と光学ブロック１０９のｂ
面とが平行になるように調整する。以上の作業により，
参照ミラー１０５，１０６のミラー面のなす角度が，光
学ブロック１０９のａ及びｂ面と等しい角度に調整され
る。光学ブロック１０９の直角度は既知であるため，参
照ミラー１０５，１０６の相対角を得ることができる。

【００４１】次に，第２の方法として図７に示す方法が
ある。この方法は，ペンタプリズム基準で参照ミラー１
０５，１０６の相対角を測定するというものである。図
７において，（１）の方向からオートコリメータの光を
入射し，参照ミラー１０６のミラー面の傾斜角を測定す
る。次に，（２）の光路で示すように，ペンタプリズム
１１０で偏向させた光を参照ミラー１０５に入射し，参
照ミラー１０５のミラー面の傾斜角を測定する。参照ミ
ラー１０５，１０６のミラー面の傾斜角の差が，ペンタ
プリズム１１０を基準としたときの参照ミラー１０５，
１０６のミラー面のなす角度となる。

【００４２】［実施の形態２］図８は，本発明の実施の
形態２に係る形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。図８に示す形状測定装置は，対物レンズで集光させ
た光束を被検面に照射し，その反射光束に基づいてフォ
ーカスエラー信号を出力すると共に傾斜角測定部６０１
を備え，被検面の傾斜角を求める光学式変位センサ１０
１と，少なくとも２自由度で光学式変位センサ１０１を
移動させ，光学式変位センサ１０１と被検面との相対位
置を変化させる本発明の移動手段としてｘ−ｙテーブル
１０４と，ｘ−ｙテーブル１０４の変位を測定するレー
ザ測長器１０２，１０３及び参照ミラー１０５，１０６
と，被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０
位の誤差の関係と被検面の傾斜角に対するフォーカスエ
ラー信号の感度の関係とを十分な精度を有する校正球を
用いて予め求めかつ校正値として記憶し，光学式変位セ
ンサ１０１で求めた傾斜角と校正値とに基づいてｘ−ｙ
テーブル１０４の誤差変位を求める本発明の誤差演算手
段及びレーザ測長器１０２，１０３で測定した変位とｘ
−ｙテーブル１０４の誤差変位とを足し合わせる本発明
の合算手段としての制御部６０２と，を備えるものであ
る。

【００４３】光学式変位センサ１０１は，実施の形態１
で説明したようにフォーカスエラー信号を出力する他
に，傾斜角測定部６０１が設けられている。この傾斜角
測定部６０１はオートコリメータの原理を用いて傾斜角
を求めるものである。これにより，実施の形態１で説明
した制御部１０８による傾斜角の演算行程を全て省略す
ることができる。

【００４４】なお，実施の形態２の形状測定装置におい
て，上記傾斜角の演算を除く他の被検面形状測定行程は
実施の形態１の形状測定装置と同様であるため，ここで
はその詳細な説明を省略する。

【００４５】このように実施の形態２に係る形状測定装
置によれば，光学式変位センサ１０１に傾斜角測定部６
０１を設けたため，実施の形態１の形状測定装置の効果
に加え，被検面の形状測定中にリアルタイムでｘ−ｙテ
ーブル１０４の変位の補正が可能となるという効果を得
ることができる。

【００４６】なお，実施の形態２の形状測定装置におい
ては，予め原点誤差と感度誤差との特性を調べ，測定値
から原点誤差と感度誤差とを取り除くための校正値を制
御部６０２に記憶させておくことにしている。この場合
は，例えば実際に校正値を測定し，形状測定装置の出荷
時に制御部６０２に校正値を記憶させる。一方で，校正
球の半径さえわかっていれば校正値を全自動で求めるこ
とにすることも可能である。

【００４７】すなわち，十分な精度を有する校正球を用
いて被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０
位の誤差の関係を求める原点誤差演算機能と，校正球の
複数の位置でフォーカスエラー信号とｘ−ｙテーブル１
０４の変位との関係を求め，被検面の傾斜角に対するフ
ォーカスエラー信号の感度の関係を求める感度誤差演算
機能とを制御部６０２に持たせるのである。これによ
り，原点誤差と感度誤差との特性を調べ，測定値から原
点誤差と感度誤差とを取り除くための校正値を全自動で
求めることができ，ユーザが簡単にセンサの校正を行う
ことが可能となる。そして，形状測定装置は，原点誤差
演算と感度誤差演算によって得られた関係と光学式変位
センサ１０１で求めた傾斜角とによってｘ−ｙテーブル
１０４の誤差変位を得ることができ，この誤差変位とｘ
−ｙテーブル１０４の変位を合算することにより，被検
面の形状を得ることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように，本発明に係る形状
測定装置（請求項１）によれば，各測定点における被検
面の傾斜角を求め，各測定点に対する原点誤差及び感度
誤差を求め，これらの誤差の補正値を変位測定手段の出
力値に足し合わせることにしたため，高精度の形状測定
を行うことができる。また，原点補正及び感度補正を行
うことにしたため，光学式変位センサの出力がリニアな
範囲に入っていれば十分な測定精度を確保することがで
きる。したがって，フォーカスエラー信号の出力を原点
に近づける制御に時間をとられることなく，光学式変位
センサの走査速度を大きく向上させることができ，その
結果測定時間を短縮することができる。

【００４９】また，本発明に係る形状測定装置（請求項
２）によれば，光学式変位センサに被検面の傾斜角測定
機能を持たせることにより，上記形状測定装置（請求項
１）の効果に加え，被検面の形状測定中にリアルタイム
で移動手段の変位の補正が可能となるという効果を得る
ことができる。

【００５０】また，本発明に係る形状測定装置（請求項
３）によれば，十分な精度を有する校正球を用いて被検
面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０位の誤差
の関係を求める原点誤差演算手段と，校正球の複数の位
置でフォーカスエラー信号と移動手段の変位との関係を
求め，被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の
感度の関係を求める感度誤差演算手段とを設けたため，
校正球の半径がわかれば自動的に原点誤差及び感度誤差
を求めるための校正値を求めることができる。よって，
ユーザが自ら形状測定装置の校正を行うことができる。

【００５１】更に，本発明に係る形状測定装置（請求項
４）によれば，十分な精度を有する校正球を用いて被検
面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の０位の誤差
の関係を求める原点誤差演算手段と，校正球の複数の位
置でフォーカスエラー信号と移動手段の変位との関係を
求め，被検面の傾斜角に対するフォーカスエラー信号の
感度の関係を求める感度誤差演算手段とを設けたため，
校正球の半径がわかれば自動的に原点誤差及び感度誤差
を求めるための校正値を求めることができる。よって，
ユーザが自ら形状測定装置の校正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置の構
成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，測定位置と原点誤差との関係を説明するための説
明図である。

【図３】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，被検面の傾斜角と原点誤差との関係を説明するた
めの説明図である。

【図４】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，被検面の傾斜角と感度との関係を説明するための
説明図である。

【図５】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，測定対象物の被検面の傾斜角を求める方法を説明
するための説明図である。

【図６】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，参照ミラーの相対角を測定する方法を説明するた
めの説明図である。

【図７】本発明の実施の形態１に係る形状測定装置にお
いて，参照ミラーの相対角を測定する方法を説明するた
めの説明図である。

【図８】本発明の実施の形態２に係る形状測定装置の構
成を示すブロック図である。

【図９】光束の集光点と被検面との相対的距離とフォー
カスエラー信号の出力との関係を説明するための説明図
である。

【符号の説明】

１０１ 光学式変位センサ １０２，１０３ レーザ測長器 １０４ ｘ−ｙテーブル １０５，１０６ 参照ミラー １０７ 測定対象物 １０８，６０２ 制御部 １０９ 光学ブロック １１０ ペンタプリズム ６０１ 傾斜角測定部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対物レンズで集光させた光束を被検面に
   照射し，その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号
   を出力する光学式変位センサと，少なくとも２自由度で
   前記光学式変位センサを移動させ，前記光学式変位セン
   サと前記被検面との相対位置を変化させる移動手段と，
   前記移動手段の変位を測定する変位測定手段と，前記変
   位測定手段で測定した前記移動手段の変位から前記被検
   面の傾斜角を求める傾斜角演算手段と，被検面の傾斜角
   に対する前記フォーカスエラー信号の０位の誤差の関係
   と被検面の傾斜角に対する前記フォーカスエラー信号の
   感度の関係とを十分な精度を有する校正球を用いて予め
   求めかつ校正値として記憶し，前記傾斜角演算手段で求
   めた傾斜角と前記校正値とに基づいて前記移動手段の誤
   差変位を求める誤差演算手段と，前記変位測定手段で測
   定した変位と前記誤差演算手段で求めた誤差変位とを足
   し合わせる合算手段と，を備えることを特徴とする形状
   測定装置。
2. 【請求項２】 対物レンズで集光させた光束を被検面に
   照射し，その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号
   を出力すると共に前記被検面の傾斜角を求める光学式変
   位センサと，少なくとも２自由度で前記光学式変位セン
   サを移動させ，前記光学式変位センサと前記被検面との
   相対位置を変化させる移動手段と，前記移動手段の変位
   を測定する変位測定手段と，被検面の傾斜角に対する前
   記フォーカスエラー信号の０位の誤差の関係と被検面の
   傾斜角に対する前記フォーカスエラー信号の感度の関係
   とを十分な精度を有する校正球を用いて予め求めかつ校
   正値として記憶し，前記光学式変位センサで求めた傾斜
   角と前記校正値とに基づいて前記移動手段の誤差変位を
   求める誤差演算手段と，前記変位測定手段で測定した変
   位と前記誤差演算手段で求めた誤差変位とを足し合わせ
   る合算手段と，を備えることを特徴とする形状測定装
   置。
3. 【請求項３】 対物レンズで集光させた光束を被検面に
   照射し，その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号
   を出力する光学式変位センサと，少なくとも２自由度で
   前記光学式変位センサを移動させ，前記光学式変位セン
   サと前記被検面との相対位置を変化させる移動手段と，
   前記移動手段の変位を測定する変位測定手段と，前記変
   位測定手段で測定した前記移動手段の変位から前記被検
   面の傾斜角を求める傾斜角演算手段と，十分な精度を有
   する校正球を用いて被検面の傾斜角に対する前記フォー
   カスエラー信号の０位の誤差の関係を求める原点誤差演
   算手段と，前記校正球の複数の位置で前記フォーカスエ
   ラー信号と前記移動手段の変位との関係を求め，被検面
   の傾斜角に対する前記フォーカスエラー信号の感度の関
   係を求める感度誤差演算手段と，前記原点誤差演算手段
   で求めた関係と前記感度誤差演算手段で求めた関係と前
   記傾斜角演算手段で求めた傾斜角とに基づいて，前記移
   動手段の誤差変位を求める誤差演算手段と，前記変位測
   定手段で測定した変位と前記誤差演算手段で求めた誤差
   変位とを足し合わせる合算手段と，を備えることを特徴
   とする形状測定装置。
4. 【請求項４】 対物レンズで集光させた光束を被検面に
   照射し，その反射光束に基づいてフォーカスエラー信号
   を出力すると共に前記被検面の傾斜角を求める光学式変
   位センサと，少なくとも２自由度で前記光学式変位セン
   サを移動させ，前記光学式変位センサと前記被検面との
   相対位置を変化させる移動手段と，前記移動手段の変位
   を測定する変位測定手段と，十分な精度を有する校正球
   を用いて被検面の傾斜角に対する前記フォーカスエラー
   信号の０位の誤差の関係を求める原点誤差演算手段と，
   前記校正球の複数の位置で前記フォーカスエラー信号と
   前記移動手段の変位との関係を求め，被検面の傾斜角に
   対する前記フォーカスエラー信号の感度の関係を求める
   感度誤差演算手段と，前記原点誤差演算手段で求めた関
   係と前記感度誤差演算手段で求めた関係と前記光学式変
   位センサで求めた傾斜角とに基づいて，前記移動手段の
   誤差変位を求める誤差演算手段と，前記変位測定手段で
   測定した変位と前記誤差演算手段で求めた誤差変位とを
   足し合わせる合算手段と，を備えることを特徴とする形
   状測定装置。