(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の形状に沿って走査するプローブを用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定機において、
被測定物を支持しかつ該被測定物に垂直方向となるＺ軸方向に対しての回転成分となるθ軸方向に移動可能に設けられたθステージと、前記プローブを前記被測定物に対して水平方向となるＲ軸方向に移動させるＲステージと、前記プローブを前記被測定物に対して垂直方向となるＺ軸方向に移動させるＺステージと、前記Ｒステージおよび前記ＺステージからなるＲ−Ｚステージ上に配設された前記プローブとを備えており、
前記プローブの被測定物に対する３次元座標位置におけるＺ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上に配設された前記プローブのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、およびＲ軸に対して平行でかつＺ軸上を通る位置に配置されたＺ基準ミラーを含む計測系と、
前記プローブの被測定物に対する３次元座標位置におけるＲ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上に配設された前記プローブのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、およびＺ軸に対して平行でかつＲ軸上を通る位置に配置されたＲ基準ミラーを含む計測系と、
前記θステージのＺ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上とは異なる位置に配置された前記θステージのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記Ｚ基準ミラーを含む計測系と、
前記θステージのＲ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上とは異なる位置に配置された前記θステージのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記Ｒ基準ミラーを含む計測系と、
前記θステージのθ軸方向の位置を検出する角度検出手段とを有することを特徴とする３次元形状測定機。
【請求項２】
前記プローブを、前記被測定物との距離が常に一定となるようにＺ軸方向に移動させながら前記被測定物の形状に沿って走査することで、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒ，θ，Ｚを同時に検出し、該３次元座標位置Ｒ，θ，Ｚを基にして前記被測定物の形状測定を行うことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定機。
【請求項３】
前記プローブのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器および前記θステージのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器は、前記プローブが移動可能なＲ−Ｚ面内のＲ軸方向にそれぞれ２台ずつ並べて配置することで、前記３次元座標位置におけるＺを検出し、
前記プローブのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器および前記θステージのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器は、前記プローブが移動可能なＲ−Ｚ面内のＺ軸方向にそれぞれ２台ずつ並べて配置することで、前記３次元座標位置におけるＲを検出し、
前記θステージのθ軸方向の位置を検出する角度検出手段は、前記θステージを構成する回転機構のロータ部のラジアル方向に配置されたスケールおよび前記θステージ外部に固定されたスケール検出部であることを特徴とする請求項２記載の３次元形状測定機。
【請求項４】
前記プローブのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記プローブのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、前記θステージのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記θステージのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器は、全て同一のＲ−Ｚ面上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の３次元形状測定機。
【請求項５】
前記θステージはエアーベアリングによって構成され、該エアーベアリングのロータ部にはラジアル方向およびスラスト方向にθ基準ミラーを一体化して取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の３次元形状測定機。
【請求項６】
前記被測定物は軸対象形状であり、前記被測定物の軸と前記θステージのθ軸とをほぼ一致させるように支持されていることを特徴とする請求項１ない５いずれか１項記載の３次元形状測定機。
【請求項７】
被測定物の形状に沿って走査するプローブを前記被測定物の水平方向となるＲ軸方向へ、前記被測定物を前記被測定物の垂直方向となるＺ軸方向に対しての回転成分となるθ軸方向へ、同時にあるいは各々単独で移動させ、該移動時に前記プローブを前記被測定物との距離が常に一定となるように移動させながら前記被測定物の形状に沿って全面を走査し、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒ，Ｚ，θを同時に検出し、前記３次元座標位置Ｒ，Ｚ，θを基に前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ１，Ｐ２においてそれぞれ検出されるＲ座標Ｒ１，Ｒ２と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＺ方向成分の距離Ｄ１と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の間のＺ方向成分の距離Ｄ２とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＲ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＲ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するラジアル方向の軸ぶれ量により補正することで算出し、
前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｚは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ３，Ｐ４においてそれぞれ検出されるＺ座標Ｚ１，Ｚ２と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＲ方向成分の距離Ｄ３と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の間のＲ方向成分の距離Ｄ４とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＺ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＺ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するスラスト方向の面ぶれ量により補正することで算出し、
前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置θは、前記被測定物のθ軸方向の座標位置により算出することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項８】
前記被測定物が軸対象形状であり、前記被測定物の軸と前記θ軸方向の回転軸となるＺ軸とをほぼ一致させるように合わせ込みを行なった後に形状測定を実施することを特徴とする請求項７記載の３次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部品や金型などの物体表面形状を高精度に測定する３次元形状測定機およびその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学部品や金型などの物体表面形状を高精度に測定する方法として、３次元形状測定機の利用が広く知られている。一般に３次元形状測定機は接触型もしくは非接触型のプローブを被測定物に近づけ、両者がほぼ一定の距離もしくは一定の力関係になるようプローブ位置を制御させた上で被測定物上をスキャンさせて形状測定を行なうものである。
【０００３】
この種の測定機としては、特開平０９−３１１０２４号公報や特開平０４−２９９２０６号公報等に記載された形状測定機が知られており、従来の形状測定機の一例としては、例えば図９に図示するような構成を備えている。同図において、１０１は図示しない支持台に固定された被測定物、１０３はＸステージであり、その上にＺステージ１０４が搭載され、Ｚステージ１０４上に変位計１０２が配置されている。すなわち、変位計１０２はＸ−Ｚ軸方向への移動が可能となっている。また、Ｚステージ１０４上にはＺ軸用レーザ測長器１０９ｃおよびＸ軸用レーザ測長器１０９ｇが配置されており、位置固定のＺ基準ミラー１０５およびＸ基準ミラー１０６とそれぞれのレーザ測長器１０９ｃ，１０９ｇ間の距離を検出して、変位計１０２のＺ軸座標位置およびＸ軸座標位置を測定している。ここではＸステージ１０３およびＺステージ１０４の移動時に発生するピッチング成分やヨーイング成分の影響によるアッベ誤差を排除するように、それぞれのレーザ測長器の測長光路の中心軸が、変位計１０２の測定点を通り、それぞれのステージの移動軸と平行になるように取り付けられている。被測定物１０１に変位計１０４を近づけ、両者間の距離が０．５μｍ以内になるようサーボをかけた状態でのＸおよびＺ軸座標位置を測定する。これによりＸ軸座標位置Ｘ１  でのＺ軸座標位置Ｚ１  が求められたことになる。次に、Ｘステージ１０３を動かして変位計１０２をＸ軸方向に移動させ、同様にＸ２  ，Ｚ２  を測定する。このように変位計１０２を被測定物１０１に沿って動かすことによりＸ断面形状が求められる。
【０００４】
また、従来の他の形状測定機としては、図１０に図示するように構成されたものがある。同図において、２０３はＸステージであり、その上にＹステージ２０８、さらにその上にＺステージ２０４が搭載されており、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直な平面、すなわち、ＹＺ面、ＸＺ面、ＸＹ面上にそれぞれＸ基準ミラー２０６、Ｙ基準ミラー２０７、Ｚ基準ミラー２０５が配置されている。Ｚステージ２０４上には被測定物２０１とＺステージ２０４上の特定点の距離Ｚ１  を検出するプローブ２０２、Ｚステージ２０４上の特定点と位置固定のＺ基準ミラー２０５の距離Ｚ２  を検出する測定手段２０９ｃ、Ｚステージ２０４上の特定点と位置固定のＸ基準ミラー２０６の距離Ｘを検出する測定手段２０９ｇ、Ｚステージ２０４上の特定点と位置固定のＹ基準ミラー２０７の距離Ｙを検出する測定手段２０９ｉ（なお、測定手段２０９ｉは図１０には影となるために図示されていない。）が配置されている。したがって、Ｚステージ２０４上に配置したプローブ２０２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。このように、プローブ２０２を被測定物２０１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次元形状を測定できることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図９に図示するような形状測定機では、被測定物のＸ−Ｚ断面形状についてアッベ誤差を考慮した構成となっており、高精度測定が期待できるけれども、被測定物あるいは光プローブをＹ軸方向に移動させる手段が備えられていないため、被測定物の３次元形状の測定ができないという問題点がある。
【０００６】
図１０に図示するような３次元形状測定機では、次のような問題点があげられる。すなわち、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸に対してそれぞれ垂直なＹＺ面、ＸＺ面、ＸＹ面上に基準ミラーを各々配置しているが、これらの基準ミラーは通常２次元上にλ／１０〜λ／２０程度の平面度をもつ基準面が必要となるため、製作方法や製作日数、コスト面などの影響により、大型なものを製作することは困難であった。したがって、被測定物の測定範囲が制約を受けることになる。さらに、プローブはＸもしくはＹ断面上を移動させることにより、例えば軸対象レンズ等はＸ−Ｚ面もしくはＹ−Ｚ面において、Ｘ方向もしくはＹ方向の変化に対してＺ方向の変化が大きい測定物は、プローブの移動速度が上げられず、測定時間が長くなってしまう。また、図９に図示する形状測定機において、Ｙステージを付設し変位計をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動可能にするとしても、同様の問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、被測定物の３次元形状を高精度にかつ短時間で測定することが可能な３次元形状測定機および３次元形状測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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３次元形状測定機は、被測定物の形状に沿って走査するプローブを用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定機において、
被測定物を支持しかつ該被測定物に垂直方向となるＺ軸方向に対しての回転成分となるθ軸方向に移動可能に設けられたθステージと、前記プローブを前記被測定物に対して水平方向となるＲ軸方向に移動させるＲステージと、前記プローブを前記被測定物に対して垂直方向となるＺ軸方向に移動させるＺステージと、前記Ｒステージおよび前記ＺステージからなるＲ−Ｚステージ上に配設された前記プローブとを備えており、前記プローブの被測定物に対する３次元座標位置におけるＺ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上に配設された前記プローブのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、およびＲ軸に対して平行でかつＺ軸上を通る位置に配置されたＺ基準ミラーを含む計測系と、前記プローブの被測定物に対する３次元座標位置におけるＲ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上に配設された前記プローブのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、およびＺ軸に対して平行でかつＲ軸上を通る位置に配置されたＲ基準ミラーを含む計測系と、前記θステージのＺ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上とは異なる位置に配置された前記θステージのＺ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記Ｚ基準ミラーを含む計測系と、前記θステージのＲ軸方向の位置を検出する、前記Ｒ−Ｚステージ上とは異なる位置に配置された前記θステージのＲ軸方向の位置を検出するレーザ測長器、および前記Ｒ基準ミラーを含む計測系と、前記θステージのθ軸方向の位置を検出する角度検出手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の３次元形状測定機においては、前記プローブを、前記被測定物との距離が常に一定となるようにＺ軸方向に移動させながら前記被測定物の形状に沿って走査することで、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒ，θ，Ｚを同時に検出し、該３次元座標位置Ｒ，θ，Ｚを基にして前記被測定物の形状測定を行うことが好ましい。
【００１０】
本発明の３次元形状測定機においては、前記θステージはエアーベアリングによって構成され、該エアーベアリングのロータ部にはラジアル方向およびスラスト方向にθ基準ミラーを一体化して取り付けられていることが好ましい。
【００１１】
そして、本発明の３次元形状測定方法は、被測定物の形状に沿って走査するプローブを前記被測定物の水平方向となるＲ軸方向へ、前記被測定物を前記被測定物の垂直方向となるＺ軸方向に対しての回転成分となるθ軸方向へ、同時にあるいは各々単独で移動させ、該移動時に前記プローブを前記被測定物との距離が常に一定となるように移動させながら前記被測定物の形状に沿って全面を走査し、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒ，Ｚ，θを同時に検出し、前記３次元座標位置Ｒ，Ｚ，θを基に前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ１，Ｐ２においてそれぞれ検出されるＲ座標Ｒ１，Ｒ２と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＺ方向成分の距離Ｄ１と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の間のＺ方向成分の距離Ｄ２とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＲ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＲ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するラジアル方向の軸ぶれ量により補正することで算出し、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｚは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ３，Ｐ４においてそれぞれ検出されるＺ座標Ｚ１，Ｚ２と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＲ方向成分の距離Ｄ３と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の間のＲ方向成分の距離Ｄ４とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＺ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＺ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するスラスト方向の面ぶれ量により補正することで算出し、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置θは、前記被測定物のθ軸方向の座標位置により算出することを特徴とする。
【００１２】
本発明の３次元形状測定方法においては、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｒは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ１，Ｐ２においてそれぞれ検出されるＲ座標Ｒ１，Ｒ２と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＺ方向成分の距離Ｄ１と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の間のＺ方向成分の距離Ｄ２とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＲ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＲ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するラジアル方向の軸ぶれ量により補正することで算出し、前記被測定物に対する前記プローブの３次元座標位置Ｚは、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ３，Ｐ４においてそれぞれ検出されるＺ座標Ｚ１，Ｚ２と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の中間および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるＲ方向成分の距離Ｄ３と、前記両位置Ｐ３，Ｐ４の間のＲ方向成分の距離Ｄ４とからアッベ誤差を考慮して算出される前記プローブのＺ軸方向の座標位置を、前記被測定物のＺ軸方向の座標位置から算出される前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するスラスト方向の面ぶれ量により補正することで算出することが好ましい。
【００１４】
本発明の３次元形状測定方法においては、前記被測定物が軸対象形状である場合、前記被測定物の軸と前記θ軸方向の回転軸となるＺ軸とをほぼ一致させるように合わせ込みを行なった後に形状測定を実施することが好ましい。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、座標軸をＲ−θ−Ｚ系として、被測定物に対して平行に移動するＲステージ、被測定物の垂直方向に移動するＺステージ、Ｚ方向を回転軸とするすなわち被測定物の垂直方向を回転軸とするθステージとから構成し、被測定物の形状をＲ−Ｚ面内における２次元上で形状測定を行なうことにより、光プローブ位置検出手段となるレーザ測長器に使用されるＲ基準ミラーおよびＺ基準ミラーは、ほぼ１次元上（一直線上）の範囲のみ使用されることになるので、基準ミラーの幅を小さくでき、このため製作が容易になるとともに基準ミラーの平面度の向上が期待できる。
【００１６】
そして、位置検出手段における測定誤差はＲ−Ｚ面内の２次元上についてのみ考慮すればよく、ステージのピッチング成分誤差は測長補正するものの、ヨーイングおよびローリング成分は影響度がかなり小さくなるので補正項目を少なくでき、測定誤差を減少させることができる。また、被測定物の形状が軸対象の場合、被測定物の軸とθステージの回転軸をほぼ一致させて被測定物を回転させると、被測定物の同一半径上の形状はほぼ一定となるので、プローブ等の測定位置検出手段の走査スピードを早くでき、測定時間の短縮を図ることができる。
【００１７】
以上のように、本発明によれば、被測定物の３次元形状を高精度にかつ短時間で測定することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の３次元形状測定機の要部を概略的に示す斜視図であり、図２は、本発明の３次元形状測定機の要部の概略的な側面図であり、図３は、本発明の３次元測定機におけるＲ−Ｚ面上の光プローブおよびレーザ測長器の配置関係を示す配置構成図である。
【００２０】
図１および図２において、１はθステージ７に載置される軸対象の非球面レンズ等の被測定物であり、２は被測定物１の形状に沿って走査するプローブであり、本実施例ではレンズ等に傷を付けない非接触の光プローブとしているが、接触式のプローブを用いることも可能である。３は被測定物１に対して平行に移動するＲステージ、４は被測定物１の垂直方向に移動するＺステージである。したがって、Ｒステージ３およびＺステージ４上に配設される光プローブ２は、Ｒ−Ｚ方向に移動可能な構成である。５はＲ軸に対して平行でかつＺ軸上を通る位置に配置したＺ基準ミラー、６はＺ軸に対して平行でかつＲ軸上を通る位置に配置したＲ基準ミラーである。７はθステージとなるエアーベアリング部であって、被測定物１をθ軸方向に回転させる手段であり、固定側のハウジング部７Ａと回転側のロータ部７Ｂとから構成される。ロータ部７Ｂ上にはθ基準ミラー１２ａ，１２ｂ（図３および図４も参照）が配置される。９は位置検出手段となるレーザ測長器であり、９ａ，９ｂはＺステージ４上でＺ方向に離間して配置されるＲ測定用のレーザ測長器、９ｃ，９ｄはＺステージ４上でＲ方向に離間して配置されるＺ測定用のレーザ測長器、９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈはＲ−Ｚステージ３，４外に配置されるθ測定用のレーザ測長器である。１０は後述するスケール１１（図３および図４参照）のスケール検出部（ロータリエンコーダ）で、θステージ７の角度検出手段である。２９はＲステージ３およびＺステージ４を搭載する架台である。
【００２１】
図３にはＲ−Ｚ同一平面上における光プローブとその位置検出手段となるレーザ測長器の配置関係を示す配置構成図を図示し、ＲＤ１はレーザ測長器９ａとＲ基準ミラー６間の距離を示し、ＲＤ２はレーザ測長器９ｂとＲ基準ミラー６間の距離を示し、Ｒステージ３の移動量および移動時に発生する測定誤差補正に使用する。ＺＤ１はレーザ測長器９ｃとＺ基準ミラー５間の距離を示し、ＺＤ２はレーザ測長器９ｄとＺ基準ミラー５間の距離を示し、Ｚステージ４の移動量および移動時に発生する測定誤差補正に使用する。θＤ１，θＤ２はθステージ７のスラスト面に設けてあるθ基準ミラー１２ａとＺ基準ミラー５間の距離を示し、θステージ７のスラスト方向のぶれ量（面ぶれ）の検出に使用し、また、θＤ３，θＤ４はθステージ７のラジアル面に設けてあるθ基準ミラー１２ｂとＲ基準ミラー６ａ間の距離を示し、θステージ７のラジアル方向のぶれ量（軸ぶれ）の検出に使用する。このように、本発明においては、光プローブ２および光プローブ位置検出手段となるレーザ測長器９は全てＲ−Ｚ面の同一平面上に配置している。
【００２２】
なお、図３において、Ｄ１はレーザ測長器９ａ，９ｂの中間と光プローブ２のキャッツアイポイント間のＺ方向成分の距離、Ｄ２はレーザ測長器９ａ，９ｂ間のＺ方向成分の距離、Ｄ３はレーザ測長器９ｃ，９ｄの中間と光プローブ２の中心線までのＲ方向成分の距離、Ｄ４はレーザ測長器９ｃ，９ｄ間のＲ方向成分の距離、Ｄ５はレーザ測長器９ｅ，９ｆ間のＲ方向成分の距離を示す。
【００２３】
図４は、θステージであるエアーベアリング部の拡大図であり、θステージ７は、固定側のハウジング部７Ａと回転側のロータ部７Ｂとから構成され、そのロータ部７Ｂ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基準ミラーを作製し、スラスト方向のθ基準ミラーを１２ａ、ラジアル方向のθ基準ミラーを１２ｂとする。また、ラジアル方向にはスケール１１が貼り付けられており、スケール検出部１０を用いてθステージ７の角度を検出することができる。
【００２４】
図５には、光プローブの詳細な構成を示し、同図において、１３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り、レーザ光源１３から出射した光束は、ビームエキスパンダ１４で光束を拡大された後、偏光ビームスプリッタ１５ａで反射光波と透過光波に分けられる。反射光波はλ／４板１６ａ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。この測定光波は、照射した光束のエリアにおける、被測定物１のＺ方向の面情報を持つことになる。反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ／４板１６ａ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１５ａで今度は透過することになる。もう一方の透過光波は、λ／４板１６ｂ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１７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１６ｂ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１５ａで今度は反射することになる。偏光ビームスプリッタ１５ａで測定光波と参照光波が重なり合い、４５°方位の偏光板１８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１５ｂ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１９で検出されることになる。ラインセンサ１９は通常数十〜数千チャンネル数を持つが、ここでは高周波数対応の数十チャンネルのものを使用する。また、複数のラインセンサのチャンネルから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の設計形状から傾斜角を算出し、被測定物に対して法線方向すなわち正反射する光束の光線追跡により、その光束がラインセンサ上のどのチャンネルに取り込まれるかあらかじ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。また、ビームスプリッタ１５ｂ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２１で取り込み、参照信号となる。
【００２５】
図６はＺ軸サーボの構成を示す構成図であり、光プローブ２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Ｚステージ４を移動させる。その状態における干渉光波から検出した測定信号および参照信号は、位相計３０に入力されてその位相差を算出し、コンピュータ３１に記憶するとサーボロックが開始状態となる。次に、Ｒステージ３やθステージ７を同時にもしくは単独で移動させ、そのとき得られる位相差と記憶させている位相差を比較し、Ｚサーボコントローラ３２では常にその偏差がゼロとなるようにＺステージ４を移動させる（サーボロック状態）。これにより被測定物１と光プローブ２間の距離を常に一定に保つことが可能となる。
【００２６】
図７の（ａ）および（ｂ）にレーザ測長器の構成を示し、図７の（ａ）はレーザ測長器９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの構成図であり、レーザ測長器と１つの基準ミラー間の距離を測定する。図７の（ｂ）はレーザ測長器９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈの構成図であり、２つの基準ミラー間の距離を測定する。ここではともに、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。図７の（ａ）において、１３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１３から出射した光束は、偏光ビームスプリッタ１５ｃ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２２ａ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１５ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１６ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー５，６（例えばＺ基準ミラー５等）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１６ｃ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１５ｃで今度は透過し、コーナーキューブ２２ｂで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１５ｃおよびλ／４板１６ｃを通り、基準ミラー５，６に戻ってくる。再度反射した測定光波は、λ／４板１６ｃ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１５ｃで反射することになる。ここで測定光波と参照光波が重なり、偏光板１８を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２８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、すなわ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。
同様に２つの基準ミラー間の距離を測定するレーザ測長器を図７の（ｂ）で説明する。同図において、レーザ光源１３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１５ｃ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２２ａ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１５ｃを透過することになる。一方の反射光波は、λ／４板１６ｃを通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー５，６（例えばＺ基準ミラー５等）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１６ｃ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１５ｃで今度は透過し、λ／４板１６ｄを通って、基準ミラー１２ａ，１２ｂ（例えばθ基準ミラー１２ａ等）で反射し元の光路を戻る。再びλ／４板１６ｃに入射した測定光波は、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１５ｃで今度は反射してコーナーキューブ２２ａに入射する。測定光波はコーナーキューブ２２ａで２度反射して再び偏光ビームスプリッタ１５ｃに入射し、ここで反射する。この後、測定光波はλ／４板１６ｄを通って再び基準ミラー１２ａ，１２ｂ（例えばθ基準ミラー１２ａ等）で反射し、λ／４板１６ｄおよび偏光ビームスプリッタ１５ｃおよびλ／４板１６ｃを透過して、再度基準ミラー５，６（例えばＺ基準ミラー５等）に入射し、反射する。基準ミラーで反射した測定光波は、再度λ／４板１６ｃを通過することで往きと比べて９０°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ１５ｃで今度は反射する。ここで測定光波と参照光波が重なり、偏光板１８を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ２８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、すなわちここでは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。
【００２７】
次に、以上のように構成された３次元形状測定機による具体的な測定方法について説明する。
【００２８】
被測定物である軸対象非球面レンズ１はその軸をθステージ７の回転軸とほぼ一致するようにθステージ７上にセッティングされる。これにより、被測定物側でのθ軸回転および光プローブ側でのＲ−Ｚ軸走査を組み合わせることで、光プローブ２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。光プローブ２をθ軸の回転中心に移動させ、その後にＺステージ４を下げて被測定物１に近づけていき、光プローブ２の光束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物１に入射する状態でサーボロックを開始する。このときのレーザ測長器９ａ〜９ｈおよびロータリエンコーダ１０の出力値を取り込み、それぞれＲＤ１ｏ  ，ＲＤ２ｏ  ，ＺＤ１ｏ  ，ＺＤ２ｏ  ，θＤ１ｏ  ，θＤ２ｏ  ，θＤ３ｏ  ，θＤ４ｏ  ，ＲＥｏ  としてコンピュータに記憶させておく。次に、サーボロック状態のまま、Ｒステージ３およびθステージ７を単独でもしくは同時に移動させ、測定したい点（ｉ＝１〜ｎ、ｉ：取込順）でレーザ測長器９ａ〜９ｈおよびロータリエンコーダ１０の出力値を同時に取り込み、それぞれＲＤ１ｉ  ，ＲＤ２ｉ  ，ＺＤ１ｉ  ，ＺＤ２ｉ  ，θＤ１ｉ  ，θＤ２ｉ  ，θＤ３ｉ  ，θＤ４ｉ  ，ＲＥｉ  として記憶させておく。同様にして被測定物１の全面に光プローブ２を走査させてｎ組のデータを取り込み、例えば次に示すような演算処理を行なう。
【００２９】
【数１】
0003604944.tif 000002
【００３０】
このような演算処理により、各測定点での３次元座標を高精度に算出することができる。したがって、ｎ組の３次元座標データを用いて、高精度な被測定物の３次元形状が表現できることになる。
【００３１】
図８には、本発明の３次元測定機によるＲ−θ断面上で見た３パターンのデータ取込み例を図示する。なお、図８における軸については、一般によく使われているＸ−Ｙ座標系に変換して示している。本発明では、Ｒステージおよびθステージを同時に動かしながらデータを等間隔で取り込めば、図８の（ａ）に示すような渦巻きデータとして検出することができ、また、Ｒステージもしくはθステージを単独で動かしながらデータを等間隔で取り込めば、図８の（ｂ）に示すような同心円データとして検出することができる。また、一般に３次元測定機等でよく用いられる格子データ（図８の（ｃ））は、Ｒステージおよびθステージの移動量を格子状に合わせるか、も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である。
【００３２】
本発明では、被測定物の形状が軸対象の場合、渦巻きデータによってデータ検出を行なうと、θステージや微小なＲステージ移動に対して、サーボロック状態によって移動する光プローブのＺ方向移動量はきわ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なう場合は、Ｒステージ移動後にその状態を保持しておき、その後θステージ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、同様にθステージ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のＺ方向移動量はきわ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。
【００３３】
以上のように、本発明による３次元測定機および３次元測定方法において、被測定物をθステージに載置し、光プローブをＲステージおよびＺステージ上に設け、光プローブ位置検出手段はすべてをＲ−Ｚ面内に配置し、被測定物の形状をＲ−Ｚ面内における２次元上で形状測定を行なうことにより、光プローブ位置検出手段となるレーザ測長器に使用されるＲ基準ミラーおよびＺ基準ミラーは、ほぼ１次元上（一直線上）の範囲のみ使用されることになるので、基準ミラーの幅を小さくできる。このため製作が容易になるとともに基準ミラーの平面度の向上が期待できる。そして、位置検出手段における測定誤差はＲ−Ｚ面内の２次元上についてのみ考慮すればよい。すなわち、ステージのピッチング成分誤差は測長補正するものの、ヨーイングおよびローリング成分は影響度がかなり小さくなるので補正項目を少なくでき、測定誤差を減少させることができる。また、被測定物の形状が軸対象の場合、被測定物の軸とθステージの回転軸をほぼ一致させて被測定物を回転させると、被測定物の同一半径上の形状はほぼ一定となるので、プローブ等の測定位置検出手段の走査スピードを早くでき、測定時間の短縮を図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３次元測定機において、被測定物をθステージに載置し、プローブをＲステージおよびＺステージ上に設け、プローブ位置検出手段はすべてをＲ−Ｚ面内に配置し、被測定物の形状をＲ−Ｚ面内における２次元上で形状測定を行なうことにより、以下のような作用効果を得ることができる。
【００３５】
１．光プローブ位置検出手段となるレーザ測長器に使用されるＲ基準ミラーおよびＺ基準ミラーは、ほぼ１次元上（一直線上）の範囲のみ使用されることになるので、基準ミラーの幅を小さくできる。このため製作が容易になるとともに基準ミラーの平面度の向上が期待できる。
【００３６】
２．位置検出手段における測定誤差はＲ−Ｚ面内の２次元上についてのみ考慮すればよい。すなわち、ステージのピッチング成分誤差は測長補正するものの、ヨーイングおよびローリング成分は影響度がかなり小さくなるので補正項目を少なくでき、測定誤差を減少させることができる。
【００３７】
３．被測定物の形状が軸対象の場合、被測定物の軸とθステージの回転軸をほぼ一致させて被測定物を回転させると、被測定物の同一半径上の形状はほぼ一定となるので、プローブ等の測定位置検出手段の走査スピードを早くでき、測定時間の短縮がはかれる。
【００３８】
したがって、本発明の３次元測定機および３次元測定方法によれば、被測定物の３次元形状を高精度にかつ短時間で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元形状測定機の要部を概略的に示す要部概略図である。
【図２】本発明の３次元形状測定機の要部の概略的な側面図である。
【図３】本発明の３次元測定機におけるＲ−Ｚ面上の光プローブおよびレーザ測長器の配置関係を示す配置構成図である。
【図４】本発明の３次元測定機におけるθステージの一部を拡大して示す構成図である。
【図５】本発明の３次元測定機における光プローブの構成図である。
【図６】本発明の３次元測定機におけるＺ軸サーボの構成を示す構成図である。
【図７】本発明の３次元測定機におけるレーザ測長器の構成を示し、（ａ）はレーザ測長器と１つの基準ミラー間の距離を測定する際に使用するものであり、（ｂ）は２つの基準ミラー間の距離を測定する際に使用するものである。
【図８】本発明の３次元測定機によるデータ取り込み例を示し、（ａ）は渦巻きデータ、（ｂ）は同心円データ、（ｃ）は格子データである。
【図９】従来の形状測定機の一例を示す概略構成図である。
【図１０】従来の形状測定機の他の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１    被測定物（軸対象レンズ）
２    光プローブ
３    Ｒステージ
４    Ｚステージ
５    Ｚ基準ミラー
６    Ｒ基準ミラー
７    θステージ（エアーベアリング部）
７Ａ    ハウジング部
７Ｂ    ロータ部
９（９ａ〜９ｈ）    レーザ測長器
１０    角度検出手段（ロータリエンコーダ）
１１    スケール
１２ａ，１２ｂ    θ基準ミラー
１３    レーザ光源
１４    ビームエキスパンダ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ    偏光ビームスプリッタ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ    λ／４板
１７    参照平面ミラー
１８    偏光板
１９    ラインセンサ
２０ａ，２０ｂ    集光レンズ
２１    フォトディテクタ
２２ａ，２２ｂ    コーナーキューブ
３０    位相計
３１    コンピュータ
３２    Ｚサーボコントローラ
【図１】
0003604944.tif 000003
【図２】
0003604944.tif 000004
【図３】
0003604944.tif 000005
【図４】
0003604944.tif 000006
【図５】
0003604944.tif 000007
【図６】
0003604944.tif 000008
【図７】
0003604944.tif 000009
【図８】
0003604944.tif 000010
【図９】
0003604944.tif 000011
【図１０】
0003604944.tif 000012