(57)【要約】【課題】測定の不確かさを軽減し、測定対象物の姿勢及び変位量についての測定精度を向上させ、かつ、高速応答が可能な三次元センサを提供する。【解決手段】光源２からの光を２分割し一方を参照光ｃ１として参照ミラー１０に照射し、他方を測定光ｃ２として測定対象物９に照射する第１のＰＢＳ３と、参照ミラー１０で反射した参照光ｃ１と測定対象物９で反射した測定光ｃ２とを２分割してそれぞれ干渉させる第２のＰＢＳ４と、一方の干渉光ｃ５を所定の測定直線１４上に導く第１の光学系５と、他方の干渉光ｃ６を光軸を法線とする平面にて９０度回転させて前記測定直線１４上に導く第２の光学系６と、測定直線１４上にて干渉光ｃ５，ｃ６を受光するラインイメージセンサ８とを備えた。【選択図】図１
2008096295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉の光を出射する光源と、この光源からの光を２分割し一方を参照光として参照ミラーに照射し、他方を測定光として測定対象物に照射する第１のビームスプリッタと、前記参照ミラーで反射した参照光と前記測定対象物で反射した測定光とを２分割してそれぞれ干渉させる第２のビームスプリッタと、第２のビームスプリッタの一方の干渉光を所定の測定直線上に導く第１の光学系と、他方の干渉光を回転させて前記測定直線上に導く第２の光学系と、前記測定直線上にて前記一方の干渉光と前記他方の干渉光とをそれぞれ受光するラインイメージセンサと、を備えたことを特徴とする三次元センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元センサにおいて、
前記第２の光学系は、前記第２のビームスプリッタからの他方の干渉光を前記測定直線と平行な軸にて略１８０度回転させつつ、前記測定直線および前記一方の干渉光が前記ラインイメージセンサへ入射する光路を含む平面にて略９０度回転させる光路を備えた、ことを特徴とする三次元センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元センサにおいて、
前記参照ミラーの反射面を、前記参照光の光軸に対して傾斜させる駆動手段を備えた、ことを特徴とする三次元センサ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の三次元センサにおいて、
前記測定対象物に装着され前記測定光を反射させる反射ミラーを備え、
この反射ミラーは、前記測定光の光束を予め定められた特性に変化させる光学変化面を備えた、ことを特徴とする三次元センサ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の三次元センサにおいて、
前記光源は、白色を出射する第１の光源と、特定波長を出射する第２の光源とを備えた、ことを特徴とする三次元センサ。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の三次元センサと、
前記測定光を反射させる反射ミラーと、この反射ミラーと一体に動作するスタイラスと、このスタイラスの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する接触部と、前記反射ミラーおよび前記スタイラスを三次元的に動作可能に支持する支持部と、を備えたことを特徴とする接触プローブ。
【請求項７】
請求項６に記載の接触プローブにおいて、
前記支持部には、前記スタイラスを前記被測定物表面から離間させるスタイラス変位手段が備えられている、ことを特徴とする接触プローブ。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の三次元センサと、
前記測定光を反射させる反射ミラーと、この反射ミラーと一体に動作するカンチレバーと、このカンチレバーの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する探針と、前記反射ミラーおよび前記カンチレバーを動作可能に支持する支持部と、を備えたことを特徴とする接触プローブ。
【請求項９】
請求項８に記載の接触プローブにおいて、
前記カンチレバーを前記被測定物表面から離間させるカンチレバー変位手段が備えられている、ことを特徴とする接触プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元センサおよび接触プローブに関する。例えば、測定対象物の姿勢および変位を測定する三次元センサおよびこれを備えた接触プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物表面を走査して被測定物の表面性状や立体的形状を測定する測定装置が知られている。例えば、三次元測定機、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機などが知られている。これらの測定機では、被測定物表面に接触する接触部を有する接触プローブが使用される（特許文献１）。
【０００３】
図１５に、三次元測定機で使用する接触プローブ３００の構成を示す。接触プローブ３００は、三次元測定機の駆動機構（図示省略）により、被測定物表面Ｓに沿って三次元的に移動される。接触プローブ３００は、先端に接触部３１２を有するスタイラス３１１と、スタイラス３１１の基端を支持するセンサ本体部３１３とを備えている。センサ本体部３１３は、スタイラス３１１をｘｐ，ｙｐ，ｚｐ方向の一定の範囲内で変位可能に支持するとともに、接触部３１２の変位量を検出する。
【０００４】
接触プローブ３００によって被測定物表面Ｓの形状などを測定するにあたっては、タッチ測定が例として挙げられる。
タッチ測定では、まず、駆動機構によって接触プローブ３００を移動させ、接触部３１２を被測定物表面Ｓの測定ポイントに当接させる。更に、接触部３１２を被測定物表面Ｓに押し込む方向に接触プローブ３００を移動させていき、接触部３１２の変位として所定の押込量（基準押込量）が検出されたところで、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検出する。接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検出した時点で、接触部３１２の座標をサンプリングし、その後、タッチバック動作により接触プローブ３００を被測定物表面Ｓから離間させ、改めて接触部３１２を次の測定ポイントに当接させる。このようなタッチ測定を繰り返し実行して、被測定物表面Ｓの形状や寸法を測定する。
【０００５】
三次元測定機では、接触部３１２を基準押込量分押し込むことにより接触を検出し、この押し込みによって接触部３１２が所定量変位されたときの接触部３１２の座標をサンプリングしていくため、接触プローブ３００での接触部３１２の変位量を正確に測定する必要がある。特に、接触プローブ３００での接触部３１２の変位量の測定精度が、三次元測定機の測定値の精密さを決定する。
【０００６】
上記特許文献１に開示した手法では、先端に接触部を有するスタイラスをｘｐ方向に移動可能に保持するｘスライダと、ｙｐ方向に移動可能に保持するｙスライダと、ｚ方向に移動可能に保持するｚスライダとを組み合わせ、これらスライダの移動量から、スタイラスの変位量を検出している。
また、このようなスライダを用いた機械的構成のほかに、ＰＳＤ(Position Sensitive Light Detector，位置検出素子)や、ＱＰＤ(quadratic photo diode，４分割フォトダイオード)を用いて、スタイラスの姿勢や変位量を測定する測定装置も提案さている（特許文献２参照）。
【０００７】
更に、干渉計の原理を利用して、測定対象物の姿勢や変位を測定する測定装置も提案されている（特許文献３参照）。これは、光源からの光を測定光と反射光とに分割し、反射ミラーで反射した反射光と、測定対象物表面で反射した測定光とを干渉させることで、反射ミラーまでの光路長と、測定対象物表面までの光路長との差で干渉縞を生じさせ、この干渉縞を撮像するもので、２つのラインイメージセンサを光軸を法線とする平面にて直交する方向に配置して干渉縞を撮像し、その干渉縞の移動から測定対象物の姿勢を測定するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開2000-39302号公報
【特許文献２】特願2006-27716号
【特許文献３】特公平2-6002号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した手法では、次のような課題がある。
第１に、上述した手法では、近時の高速測定へのニーズに対応することが困難である。第２に、ＰＳＤやＱＰＤでは、測定対象となるスタイラスなどの姿勢情報が少なく、このために測定の不確かさを軽減することができない、という問題がある。第３に、従来の干渉計を利用した手法では、校正および調整の作業負荷が高く、三次元計測機等で利用するには実際上の困難がある。
【００１０】
本発明の目的は、測定の不確かさを軽減し、測定対象物の姿勢および変位量についての測定精度を向上させ、かつ、高速応答が可能な三次元センサおよびこれを備えた接触プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による三次元センサは、可干渉の光を出射する光源と、この光源からの光を２分割し一方を参照光として参照ミラーに照射し、他方を測定光として測定対象物に照射する第１のビームスプリッタと、前記参照ミラーで反射した参照光と前記測定対象物で反射した測定光とを２分割してそれぞれ干渉させる第２のビームスプリッタと、第２のビームスプリッタの一方の干渉光を所定の測定直線上に導く第１の光学系と、他方の干渉光を回転させて前記測定直線上に導く第２の光学系と、前記測定直線上にて前記一方の干渉光と前記他方の干渉光とをそれぞれ受光するラインイメージセンサと、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記光源は、レーザーやＬＥＤが例として挙げられる。また、測定直線は、ラインイメージセンサの受光位置であり、数学上の直線ではなく、実際には長方形である。ビームスプリッタは、例えば、直角プリズム２つを重ね合わせ両者の斜面間に半透明膜を施したものや、半透鏡とプリズムとを別の位置で組み合わせた光学系を挙げることができる。また、参照光と測定光との干渉は、ここでは、参照光と測定光との光路長の差による干渉である。
このような構成によれば、第２の光学系が、他方の干渉光を回転させて測定直線上に導くため、測定直線上では、一方の干渉光と、一方の干渉光から回転した他方の干渉光とが入射する。ラインイメージセンサは、測定直線に入射する一方および他方の干渉光をそれぞれ受光する。つまり、第２の光学系が、他方の干渉光を回転させて測定直線上に入射させ、一方の干渉光と他方の干渉光とを同一のラインイメージセンサで測定することにより、上記目的を達することができる。
【００１３】
本発明による三次元センサは、上記のように構成され、機能・作用するため、単一のラインイメージセンサを用いて、干渉光の光軸を法線とする平面上のｘ軸の干渉縞数と、ｙ軸の干渉縞数とを光電変換により測定することができる。このため、参照光と測定光との光路長差である測定対象物の姿勢および変位量を光源の波長単位にて高精度に測定することができる。
また、エリアＣＣＤではなく、ラインイメージセンサ（例えば、ラインＣＣＤ）を使用することができるため、単位時間当たりの測定回数が多く、このため、高速応答を実現することができる。さらに、ラインイメージセンサ１つで測定できるため、安価であり、そして、素子の個体差や装着に応じた補正等にて、２つの素子間を同等するための校正および調整が不要であり、このため、直接に測定対象物の姿勢および変位を測定する外界センサとしてのみならず、接触プローブ等に組み込む内界センサとしても実用上安定して使用することができる。
なお、接触プローブとしては、スタイラスを使用するものや、カンチレバーを使用するものを例として挙げることができる。このようなスタイラスやカンチレバーを有する接触プローブの用途としては、三次元測定機や、走査型プローブ顕微鏡を挙げることができる。
【００１４】
また、本発明による三次元センサにおいて、前記第２の光学系は、前記第２のビームスプリッタからの他方の干渉光を前記測定直線と平行な軸にて略１８０度回転させつつ、前記測定直線および前記一方の干渉光が前記ラインイメージセンサへ入射する光路を含む平面にて略９０度回転させる光路を備えることが好ましい。
測定直線と平行な軸での略１８０度の回転は、光軸に直交するすべての直線のいずれかを軸として１８０度回転させることを含む。第２の光学系が、干渉光を略１８０度の回転により裏返しながら略９０度回転させる構成とすると、プリズム等の光学系の要素数を最小限とし、また、光路長を短くすることができる。これにより、三次元センサ全体をコンパクトとし、外界センサとしても微小な測定対象物の測定が可能となり、内界センサとしても接触プローブ自体をコンパクトとすることができる。
【００１５】
また、本発明による三次元センサにおいて、前記参照ミラーの反射面を、当該参照光の光軸に対して傾斜させる駆動手段を備える構成を採ることが好ましい。
駆動手段としては、例えば、駆動量に応じてピエゾ素子を積層したアクチュエータや、ねじ式の機械的調整によるものが挙げられる。このようにすれば、駆動手段による傾斜角度（ティルト）により分解能を調整することができ、また、参照ミラーの傾斜角度によって、一方の干渉光の干渉縞と他方の干渉光の干渉縞の幅を同一とする調整を行うことができる。
【００１６】
また、本発明による三次元センサにおいて、前記測定対象物に装着され前記測定光を反射させる反射ミラーを備え、この反射ミラーは、前記測定光の光束を予め定められた特性に変化させる光学変化面を備えることが好ましい。
光学変化面とは、例えば、反射ミラーを凹面鏡または凸面鏡とする際の凹凸面や、反射面に放射形状等のパターンを蒸着させる際には、そのパターンを指す。これらの構成では、一方および他方の干渉光の中心位置（基準点）を干渉縞上にのせることができ、従って、干渉縞からの姿勢等の計算が単純化され、また、測定対象物の測定平面内での移動（ドリフト）も測定することができる。この反射ミラーは、三次元センサを外界センサとする際には測定対象物に装着する。
この光学変化面による基準点と、参照ミラーの傾斜とを組み合わせ、ラインイメージセンサの単位長さあたりの分解能にあわせて、測定の用途に応じた干渉縞を得ることもできる。
【００１７】
また、本発明による三次元センサにおいて、前記光源は、白色を出射する第１の光源と、特定波長を出射する第２の光源とを備える構成が好ましい。
このようにすれば、参照ミラーを微小移動させつつ白色光にて基準となる姿勢を測定しておき、その後、単色光で測定することで、姿勢および変位量について絶対値を得ることができる。
【００１８】
本発明による接触プローブは、上述したいずれかの三次元センサと、前記測定光を反射させる反射ミラーと、この反射ミラーと一体に動作するスタイラスと、このスタイラスの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する接触部と、前記反射ミラーおよび前記スタイラスを三次元的に動作可能に支持する支持部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この接触プローブは、上述した効果を奏する他、接触部の位置をスタイラスの姿勢および変位量として測定することができ、これを干渉計による光源波長程度の長さを基準として測定することができ、また、高速応答が可能であることから、接触プローブとしての性能を向上させることができる。これにより、三次元測定機の動作速度を向上させつつ、測定値のサンプリング周波数を高めることで、測定精度を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明による他の接触プローブは、前記測定光を反射させる反射ミラーと、この反射ミラーと一体に動作するカンチレバーと、このカンチレバーの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する探針と、前記反射ミラーおよび前記カンチレバーを動作可能に支持する支持部と、を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した効果を奏する他、カンチレバーの探針を測定対象物に当接させて、相対移動させることで変位量を測定し、また、走査型プローブ顕微鏡にて、カンチレバーの変位量を高速かつ高精度に測定することができる。とくに、走査型プローブ顕微鏡の接触プローブとする際には、測定対象物が微小であることから、接触プローブのコンパクト化が求められているところ、単一のラインセンサの使用により、接触プローブの物理的構成を小さくすることができる。
【００２１】
また、本発明の接触プローブにおいて、さらに、前記スタイラスを前記被測定物表面から離間させるスタイラス変位手段、あるいは、前記カンチレバーを前記被測定物表面から離間させるカンチレバー変位手段が備えられていることが好ましい。
例えば、スタイラス変位手段としては、ピエゾ素子を積層した圧電素子によるアクチュエーターを例として挙げることができる。三次元センサは、接触部の変位量を測定することができるため、三次元測定でのタッチ測定や倣い測定に際して、この接触部を例えば測定対象物表面の平面の法線方向に離脱させる機能を得ることができる。これにより、高精度で、高応答で、かつ自律的な動作が可能な接触プローブを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【００２３】
＜第１実施形態＞
（基本構成）
図１〜図３に、本発明の第１実施形態による三次元センサの構成例を示す。図１を参照して基本構成を、図２を参照してアイソレーターを含む光学特性を、図３を参照して解析結果を説明する。
図１に示すように、三次元センサ１は、可干渉の光を出射する光源２と、この光源２からの光（光束）を２分割し一方を参照光ｃ１として参照ミラー１０に照射し、他方を測定光ｃ２として測定対象物９に照射する第１のビームスプリッタ３と、参照ミラー１０で反射した参照光ｃ１と測定対象物９で反射した測定光ｃ２とを２分割してそれぞれ干渉させる第２のビームスプリッタ４と、第２のビームスプリッタ４の一方の干渉光ｃ５を所定の測定直線１４上に導く第１の光学系５と、他方の干渉光ｃ６を光軸を法線とする平面にて９０度回転させて測定直線１４上に導く第２の光学系６と、測定直線１４上にて一方の干渉光ｃ５と他方の干渉光ｃ６とをそれぞれ受光するラインイメージセンサ８と、を備えている。
【００２４】
光源２は、コヒーレント（可干渉）の光を照射する。光源２には、発光ダイオード（ＬＥＤ），レーザー，スーパールミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ）などが用いられている。
第１のビームスプリッタ３および第２のビームスプリッタ４は、直角プリズムを斜面で接合し、この斜面に半透明膜を付したものが用いられている。また、光源２と第１のビームスプリッタ３との間に、光源２からの光を平行光とするビームエクスパンダを配置してもよい。
第１のビームスプリッタ３の半透明膜３１で反射した一方の光は参照光ｃ１となり参照ミラー１０で反射する。参照ミラー１０は、参照光ｃ１の光路を法線とする面から任意の角度で傾けられている。参照ミラー１０で反射した反射光は、第１のビームスプリッタ３を透過したのち、第２のビームスプリッタ４に入射する。第１のビームスプリッタ３の半透明膜３１を透過した他方の光は測定光ｃ２となり、測定対象物９にて反射し、この反射光はビームスプリッタ３の半透明膜３１を反射し、第２のビームスプリッタ４に入射する。つまり、本実施形態の三次元センサ１は、マイケルソン干渉計の構成を基礎としている。
【００２５】
参照光ｃ１と測定光ｃ２とは、第２のビームスプリッタ４に入射し、第２のビームスプリッタ４の半透明膜４１にて透過および反射しつつ、干渉する。第２のビームスプリッタの半透明膜４１を透過する一方の干渉光ｃ５は、第１の光学系５にて測定直線１４に導かれる。他方の干渉光ｃ６は、第２の光学系６にて回転されて測定直線１４に導かれる。
【００２６】
第１の光学系５および第２の光学系６は、次のように構成されている。ここで、参照ミラー１０から第１のビームスプリッタ３および第２のビームスプリッタ４に至る方向をｙ軸、光源２から第１のビームスプリッタ３および測定対象物９に至る方向をｚ軸、ｙ軸とｚ軸とに直交する方向をｘ軸とする。この座標系では、測定直線１４は、ｘ軸と平行である。なお、この座標系は、図１５に示すｘｐ軸、ｙｐ軸及びｚｐ軸と同一である。
【００２７】
第１の光学系５は、例えば、第２のビームスプリッタ４の半透明膜４１を透過した入射光を入射面（ｙｚ面）に平行な面内でｘ軸を軸として２回９０度曲げる。この第１の光学系５は、入射面（ｙｚ面）に垂直な面（ｘｙ面）をｘ軸を軸として４５度傾けた反射面５１，５２を平行に２面有する第１のプリズムによって構成されている。
【００２８】
第２の光学系６は、第２のビームスプリッタ４からの他方の干渉光ｃ６を測定直線１４と平行なｘ軸を軸として１８０度回転させつつ、ｘｙ平面にて略９０度回転させる光路を備える。この１８０度の回転は、説明としては、干渉光ｃ６を裏返すものである。具体的には、第２の光学系６は、第２のビームスプリッタ４の半透明膜４１で反射した入射光を２回９０度曲げる。第２の光学系６は、１回目の９０度の反射のために、入射面（ｙｚ面）をｙ軸を軸として４５度傾けた反射面６１を有する第２のプリズム６Ａと、２回目の９０度の反射のために入射面（ｙｚ面）をｚ軸を軸として４５度傾けた反射面７１を有する第３のプリズムとによって構成されている。
【００２９】
ラインイメージセンサ８は、受光位置である測定直線１４上に配置され、一方および他方の干渉光ｃ５，ｃ６を別の場所にてそれぞれ受光し、これらによる干渉縞を光電変換する。ラインイメージセンサ８のデータ読取周波数（ラインレート）は、エリアＣＣＤのデータ読取周波数（エリアレート）と比較すると数１０ [kHz] と約三桁速いため、ＱＰＤ等と比較して、大幅に高速な測定が可能である。
【００３０】
ここで、第１のビームスプリッタ３で分光された光は、参照ミラー１０と測定対象物９とに照射されるが、その光路長は同一となるように設定されている。すなわち、参照ミラー１０からラインイメージセンサ８までの光路長と、測定対象物９の反射面からラインイメージセンサ８までの光路長とが同じになるように設定されている。第１のビームスプリッタ３の半透明膜３１からの光路パスを同一とすることで、光源の不安定性や、光学系周辺の環境変化や、振動等に対してロバストとなっている。一般にマイケルソンタイプの干渉計を用いる場合、デッドパス間で生じる光の特性変化は相殺されるため、光源の波長安定性は問わない。よって、光源２としては、上述のように、例えばフォトダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。
【００３１】
（アイソレーター）
三次元センサ１の光学的雑音（ゴースト）を除去するために、アイソレーターが用いられている。例えば、干渉計の光学素子の裏面などからの不要な反射光があると、干渉縞に混入し雑音（ゴースト）となる。これを避けるために、光源２と測定対象物９の反射面との間に、アイソレーターが挿入されている。アイソレーターは、通常、直線偏光子とλ／４板とを組み合わせる。直線偏光子は、電磁波である光の横波の振動方向を直線とし、振動方向が不規則な光を直線偏光とするものである。直線偏光子は、特定の方向の直線偏光を透過し、他を反射する。
【００３２】
ビームスプリッタの半透明膜に直線偏光子の機能を加えたものを偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）という。図１に示す例では、第１のビームスプリッタ３および第２のビームスプリッタ４として、ＰＢＳを用いている。ＰＢＳは、半透明膜に垂直な面を入射面と考えたときの入射面に平行なｐ偏光をほぼ１００％透過し、一方、入射面に垂直なｓ偏光をほぼ１００％反射させる。
λ／４板は、偏光の振動面に対して４５度の方位角をもつ。λ／４板は、直線偏光が入射されると、その振幅方向を４５度回転させて円偏光とし、この円偏光が入射されると、振幅方向さらに４５度回転させて直線偏光とする。また、λ／２板は、直線偏光の方位角をλ／２板の回転角の２倍だけ回転させる。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態の三次元センサ１は、第１のビームスプリッタ３と参照ミラー１０との間の光軸上に配置された第１のλ／４板１１と、第１のビームスプリッタ３と測定対象物９との間の光軸上に配置された第２のλ／４板１２とを有する。また、三次元センサ１は、第１のビームスプリッタ３と第２のビームスプリッタ４との間に、例えば回転角を２２．５度とするλ／２板１３を有する。このλ／２板は、偏光方向を４５度回転させる。
【００３４】
この構成によると、三次元センサ１は、偏光を用いて、光学ノイズ（ゴースト）低減効果を得ることができる。
まず、光源２から偏光方向が不規則な光が第１のビームスプリッタ３に入射すると、第１のビームスプリッタ３の半透明膜３１にて、ｐ偏光が透過し直線偏光（測定光ｃ２）となり、この直線偏光（測定光ｃ２）はλ／４板１２にて円偏光（測定光ｃ２）となる。測定対象物９で反射した円偏光（測定光ｃ２）は、再度λ／４板１２を透過する際にｓ偏光（測定光ｃ２）となり、第１のビームスプリッタ３で反射し、λ／２板１３に入射する。
光源２から入射する光は、第１のビームスプリッタ３の半透明膜３１にて、ｓ偏光が反射し直線偏光（参照光ｃ１）となり、この直線偏光（参照光ｃ１）はλ／４板１１にて円偏光（参照光ｃ１）となる。参照ミラー１０で反射した円偏光（参照光ｃ１）は、再度λ／４板１１を透過する際に、ｐ偏光（参照光ｃ１）となり、第１のビームスプリッタ３を透過し、λ／２板１３に入射する。
【００３５】
第１のλ／４板１１および第２のλ／４板１２により、参照光ｃ１と測定光ｃ２とは直交した偏光ビームｃ３となり、さらに、それらが２２．５度回転させられたλ／２板１３により４５度傾けられ、偏光ビームｃ４となる。第２のビームスプリッタ４では参照ミラー１０からの反射光（参照光ｃ１）、測定対象物９からの反射光（測定光ｃ２）の各々の垂直成分（ｐ偏光）のみが通過し、各々の水平成分（ｓ偏光）は反射する。ここでの光のロスは原理的にない。
この第２のビームスプリッタ４で始めて、垂直成分による干渉と、水平成分による干渉が生じる。すなわち、直交した偏光ビームｃ３をλ／２板１３で４５度回転させつつ、それを再度ｐ偏光とｓ偏光とに分離して透過及び反射させることで、参照光と測定光とを干渉させる。
【００３６】
第２のビームスプリッタ４の半透明膜４１を透過した干渉光ｃ５は第１の光学系５に入射し、第２のビームスプリッタ４で反射した干渉光ｃ６は第２の光学系６に入射する。第１の光学系５ではそのままの位置関係で干渉光ｃ５を測定直線１４に導き、第２の光学系６は光軸を軸として９０度回転させた位置関係で干渉光ｃ６を測定直線に導く。
【００３７】
すなわち、第２の光学系６では、第２のビームスプリッタ４の半透明膜４１での反射光はｘ軸を軸として９０度曲がり、プリズム６Ａの反射面６１にてｙ軸を軸として９０度曲がる。さらに、プリズム６Ｂの反射面７１にてｚ軸を軸として９０度曲がる。この過程で、説明の為の光束の位置関係（アドレス）の変化として示すように、第１の干渉光ｃ６の位置関係を時計回りに９０度回転させた状態ではなく、第１の干渉光ｃ６をｘ軸で１８０度回転させ、それを時計回りに９０度回転させた状態となる。
これは、ｚ軸で１８０度回転させ、反時計回りに９０度回転させると表記してもよい。このような「裏返し」を含む光路とすると、２回の反射で測定直線１４に導くことができる。この点、第１の光学系５でも同一回数の反射をさせつつ測定直線１４に導くことができる。
【００３８】
このような光学系により、１つの測定直線１４に２つの干渉光ｃ５，ｃ６を導きつつ、他方の干渉光ｃ６の光束となる円を一方の円から９０度回転させることができる。これにより、１つのラインイメージセンサ８で、干渉光の円の直交する直径近傍の干渉縞を光電変換することができる。そして、測定対象物９のｘｙ平面でのドリフトを拘束する際には、この干渉光の円の中心位置は変化せず、ラインイメージセンサ８は常に円の直径位置の干渉縞を受光する。
なお、偏光させる光学素子として、λ／４板と偏光ビームスプリッタとの組み合わせを用いたが、これに限定されず、例えば、ワイヤグリットポラライザを使った方法としても良いし、直線偏光素子を用いてもよい。
【００３９】
（干渉縞と信号処理）
第２のビームスプリッタ４にて分光された一方の干渉光ｃ５および他方の干渉光ｃ６はラインイメージセンサ８上に照射される。これを参照ミラー１０側からみると、図３（Ａ）に示すような相対関係となる。説明のための１から４のアドレスを示すように、図３（Ａ）の図中左側の干渉縞ｃ６がｘ軸に関する測定対象物９の姿勢の情報を示し、図中右側の干渉縞ｃ５がｙ軸に関する姿勢情報となる。
【００４０】
予め参照ミラー１０を光軸を法線とする平面から任意の角度θで傾斜させると、図３（Ａ）に示す干渉縞が作られる。この干渉縞の数により、ｘｙ平面での姿勢を計算することができる。また、図３（Ｂ）に示すように、ｚ軸方向の変位量については、測定対象物の基準位置で測定しておき、ラインイメージセンサ８での基準となる干渉縞の位置と、計測空間での位相情報（干渉縞の次数）とを記憶し、個々の測定ではこの基準となる干渉縞の位置と測定した干渉縞の位置（縞の座標値）との差εと、計測空間の位相情報とに基づいて算出することができる（フリンジカウンティング）。参照ミラー１０を傾けない際には、干渉縞の間隔は光源の波長λ／２となる。予め参照ミラー１０を傾斜させる際には、光電変換した測定値から傾斜による直線成分を差し引いてから干渉縞のラインイメージセンサ上の座標値により測定対象物の基準位置からの変位量を求める。
【００４１】
干渉縞の次数は、波長λ／２の倍数となるため、干渉縞の次数と波長の倍数である長さとの関係が定まる。参照ミラー１０を傾斜させている際には、測定範囲内での干渉縞の数が増加するが、この傾斜による直線成分を干渉縞の次数に応じて減算し、測定対象物９の変位量に応じた測定値を得ることができる。また、連続的に測定する際には、干渉縞の移動を画像処理により追跡し、縞次数を自動的に与えてもよい。
【００４２】
姿勢変化の情報としては、例えば図３（Ａ）に示す図中左側の干渉縞からｘ軸周りのローテーションｘθと、ｚ軸方向の直動成分ｚとを算出し，図３（Ａ）に示す図中右側の干渉縞からｙ軸周りのローテーションｙθとｚ軸方向の直動成分ｚとを得ることができる。よって、このラインイメージセンサ８に投影される干渉縞解析により、ｘθ，ｙθおよびｚを抽出できる。このときの解析手法は、上記フリンジカウンティングを含め位相解析や他の手法でも良い。
【００４３】
上記のように、ラインイメージセンサ８から抽出される各成分の分解能は、干渉縞のパターンの間隔に依存する。干渉縞のパターンは参照ミラー１０の姿勢に依存するため、参照ミラー１０の姿勢を調整することによって、分解能を決定することが可能となる。例えば、ｘθ，ｙθに関し、同じ分解能を得たい場合は、干渉縞がｘ＝ｙとなるように、ｘｙ面で斜め４５度となる縞パターンとなる傾斜角度とすればよい。
【００４４】
＜第１実施形態の変形例＞
（光学素子の一体化）
図４は、図１および図２に示した三次元センサ１を一体化したものである。各光学素子（３，１１，１２，１３，４，５，６）は、接着により一体化されている。このような構成により、三次元センサ１のコンパクト化を図ることができる。また、光学要素および光路に空気が介在しないので、より安定した測定ができる。
【００４５】
（測定対象物上の反射ミラー）
三次元センサ１を内界センサとして使用する際には、測定対象物に測定光ｃ２を反射させる反射ミラー９Ａを装着するとよい。三次元センサ１としては、反射ミラー９Ａが測定対象物９（図４参照）となる。さらに、反射ミラー９Ａが、測定光ｃ２の光束を予め定められた特性に変化させる光学変化面を備えると、干渉縞のパターンを種々変化させることができる。
【００４６】
図１に示す例では、測定対象物９の表面はプレーンミラーであるとしていた。このため、ｘｙ面内でのミラーのドリフト（変位）を検知できない。これを解決する手段としては、測定対象物に取り付ける反射ミラー９Ａを、凹面鏡（Concave Mirror）や凸面鏡（Convex Mirror）、放射パターン蒸着鏡（Radial patterned mirror）のように平らではない形状を幾何的に与え、また、パターンを蒸着する方法が挙げられる。凹面鏡や凸面鏡の場合に、ｚ軸周りのローテーションを除く５自由度の検出が可能となる。放射パターンの場合には、６自由度の検出が可能となる。
【００４７】
放射状パターンを蒸着した際の干渉縞の一例を図５（Ａ）に、凹面鏡とした際の干渉縞の一例を図５（Ｂ）に示す。反射鏡に物理的で幾何的な形状を付与する方法は干渉縞に直接影響を与えるため、幾何的に変化を与えない手法である蒸着法と比較して高分解能化を図ることができる。一方、蒸着法は安価に行うことができる。
【００４８】
（白色光源の利用）
上述した図５までの説明は、測定対象物の基準位置と、変位した後の測定対象物の位置の相対姿勢変化を捉えるものであったが、図６に示すように、２つの異なる波長の光源を用いれば、絶対姿勢を計測することが可能となる。光源２としては、白色を出射する第１の光源１５と、特定波長を出射する第２の光源１６とを備える。例えば、第１の光源１５に白色光を用いた場合、基準位置での参照ミラー１０の絶対姿勢を測定し、これを記憶させ、その後は、１波長の第２の光源１６を用いて相対測定すれば効率的な絶対測定が可能となる。
【００４９】
白色干渉では、物体の参照面光路長差が０の場所のみ、白色の縞が観測される。すなわち、参照光ｃ１と測定光ｃ２の光路長の差が０の場所を測定することができる。そして、駆動手段１９により、参照ミラー１０の位置を光軸に沿って移動させ、または傾斜させ、この白色の縞ができる位置を求めることで、絶対的な測定をすることができる。この白色干渉と、高精度な参照ミラー１０の移動や傾斜により、三次元センサ１での長さの絶対測定を行うことができる。
なお、反射ミラー９Ａは、測定の前提とする自由度に応じて、支持部３０により三次元の変位方向や回転が制限されている。
【００５０】
（参照ミラーを傾斜させる駆動手段の併用）
図６に示すように、三次元センサ１が、参照ミラー１０の反射面を、参照光ｃ１の光軸に対して傾斜させる駆動手段１９を備えるようにしてもよい。この参照ミラー１０の傾斜（ティルト）により、干渉縞の縞数を変化させることができる。従って、第１に、光学系の設置誤差等を調整し、一方の干渉光ｃ５と他方の干渉光ｃ６の干渉縞の分解能を一致させるために、この参照ミラー１０の傾斜を調整することができる。第２に、ラインイメージセンサ８の分解能と、測定の目的とに応じて、傾斜角度の調整により測定分解能を定めることができる。駆動手段１９としては、駆動量に応じてピエゾ素子を積層したアクチュエータを用いてもよいし、機械的にねじにより微調整する駆動機構としてもよい。
【００５１】
（光学素子配置の変形例）
図７に、第１実施形態の光学要素の他の配置構成を示す。
図７に示す三次元センサ１は、第１実施形態の三次元センサ１（図１，図２に示す三次元センサ）に対して、第１のλ／４波長板１１、第２のλ／４波長板１２およびλ／２板１２が省略されている点が異なる。また、第１実施形態の三次元センサでは、第１のビームスプリッタ３および第２のビームスプリッタ４に偏光ビームスプリッタを用いたが、図７ではビームスプリッタを用いた点が、第１実施形態とは異なる。
このような光学要素の配置によれば、偏光による分離を行わない分ゴーストが発生し、分解能が低下するが、安価である利点がある。
なお、図７に示す三次元センサ１についても、図４に示すように、各光学素子を接着などにより一体化することもできる。
【００５２】
また、参照ミラー１０に駆動手段１９を併設しても良い。図７に示す例では、測定対象物を接触プローブとし、接触プローブは、スタイラス３１１と、接触部３１２を備えている。三次元センサ１は、スタイラス３１１と固着された反射ミラー９Ａを備える。説明のために反射ミラー９Ａに付した１から４のアドレスは、図７に示す光学系では、ラインイメージセンサ８にて図示する位置関係となる。
この図７に示す構成でも、三次元センサとして、上記の効果を奏する。
【００５３】
（ラインイメージセンサを２つ使用する比較例）
図８に、ラインイメージセンサを２つ使用する比較例を示す。この例では、第２のＰＢＳ４に第１のラインイメージセンサ８Ａと、第２のラインイメージセンサ８Ｂとを装着している。第１のラインイメージセンサ８Ａおよび第２のラインイメージセンサ８Ｂは、干渉光の中心位置を通り、干渉光を円とした際に直交する２つの直径が入射する位置に配置される。ラインイメージセンサ８Ａ，８Ｂを２つ使用することで、第１の光学系および第２の光学系を不要としているが、この構成では、ラインイメージセンサ８Ａ，８Ｂの設置誤差をそれぞれ別途調整しなければならない点が不利となる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
（スタイラス）
図９に、図４に示した三次元センサ１を内界センサとして、スタイラスに装着した接触プローブの一例を示す。
この接触プローブ３００は、三次元センサ１と、測定光ｃ２を反射させる反射ミラー９１と、この反射ミラー９１と一体に動作するスタイラス３１１と、このスタイラス３１１の先端に装着され被測定物表面に近接または当接する接触部３１２と、反射ミラー９１およびスタイラス３１１を三次元的に動作可能に支持する支持部３０と、を備えている。
【００５５】
この接触プローブ３００の三次元センサ１は、図４に示したもので、さらに、参照ミラー１０を傾斜させる駆動手段１９や、光学変化面や、白色光源等を備えるようにしてもよい。
支持部３０は、スタイラス３１１を揺動可能に支持するとともに、その動作（自由度）を制限する弾性体を備えるとよい。弾性体としては、例えば、板ばねを採用することができるが、その構造は限定されるものではない。本実施例では、ｘθ，ｙθ,ｚにのみ自由度を有している。厳密には、ばねの平面方向（ｘ、ｙ）と、スタイラス軸回転方向ｚθの自由度は拘束されている弾性体構造とする。また、接触プローブ３００の設置は、軸対象構造であることが望ましい。
【００５６】
幾何的にこれらの３つの自由度でスタイラス先端の空間的な自由度は確保されるため、三次元測定機用の接触プローブ３００としての機能に問題はない。スタイラス３１１および反射ミラー９１の姿勢を検出するには、例えば、ｘθ，ｙθについては、干渉縞数の解析により、ｚ直動については、フリンジカウントにより可能である。なお、反射ミラー９１が光学変化面を有さずプレーンな場合、ｘｙ平面内直動やｚローテーションには無感となる。上記の通り、支持部３０は、この無感な自由度を拘束する。
【００５７】
図９に示す接触プローブ３００により、タッチプローブと、倣いプローブとの両方に応用可能である。また、接触部３１２の法線ベクトル等を利用して、倣いのアクティブ化（能動化）も可能である。このため、粗さ計用、輪郭測定機用、真円度測定機用など、どのプローブにも適用することができる。そして、図９に示す接触プローブでは、ＰＳＤ(Position Sensitive Light Detector，位置検出素子)やＱＰＤ(quadratic photo diode，４分割フォトダイオード)の姿勢情報の少なさによる測定の不確かさを軽減し、測定精度を向上させることができる。
【００５８】
（三次元測定機）
図１０および図１１に、三次元測定システムの構成例を示す。図１０および図１１に示すように、三次元測定システム１００は、三次元測定機２００と、接触プローブ３００と、ジョイスティック１１１を有する操作部１１０と、三次元測定機の動作を制御するモーションコントローラー５００と、モーションコントローラーを介して三次元測定機２００を駆動制御するともに測定値を解析するホストコンピュータ６００とを備えている。
【００５９】
三次元測定機２００は、接触プローブ３００と、定盤２１０と、定盤２１０に立設され接触プローブ３００を三次元的に移動させる駆動機構２２０と、駆動機構２２０の駆動量を測定する駆動センサ２３０（図１１参照）とを備えている。駆動機構（スケール部）２２０は、定盤２１０の両側端から定盤２１０の面に略垂直方向であるＺｍ方向に高さを有するとともに定盤２１０の側端に沿ったＹｍ方向へスライド可能に設けられた二本のビーム支持体２２１と、２本のビーム支持体２２１の上端にて支持されＸｍ軸方向に長さを有するビーム２２２と、ビーム２２２にＸｍ方向にスライド可能に設けられＺｍ軸方向にガイドを有するコラム２２３と、コラム２２３内をＺｍ軸方向にスライド可能に設けられ下端にて接触プローブ３００のスタイラス３１１を保持するスピンドル２２４とを備えている。
【００６０】
ホストコンピュータ６００は、図１０に示すように、ハードウエア資源として、入力手段１２０と、計算機本体１３０と、ディスプレイ１４０と、印刷手段１５０とを備えている。また、ホストコンピュータ６００の計算機本体１３０は、図１１に示すように、ハードウエア資源として、プログラムに従って演算し結果をメモリ等に格納するＣＰＵ６５０と、データを記憶するメモリ６１０と、データバス６６０とを備えている。メモリ６１０は、測定対象物の形状データと、接触プローブ３００が接触するための予め定められた基準押込量と、タッチ測定等に際して使用する測定ポイントとを記憶する。また、ホストコンピュータ６００は、ＣＰＵ６５０がプログラムを実行することによる一定の機能として、形状データから三次元測定機の接触プローブ３００を移動させる移動ベクトルデータを生成し出力する移動ベクトル指令部６３０と、モーションコントローラー５００から入力される測定値をサンプリングするデータサンプリング部６２０と、このサンプリングした測定値を信号処理することで測定対象物の形状を解析する形状解析部６４０とを備えている。
【００６１】
モーションコントローラー５００は、移動ベクトル指令部６３０からの移動ベクトルや、操作部１１０からの指令データに応じて、三次元測定機２００を駆動制御する駆動制御部５１０と、三次元測定機２００の駆動センサ２３０の出力をカウントする５２０と、接触プローブ３００の三次元センサ１の出力を信号処理しｘθ，ｙθ，ｚに変換するプローブ信号処理部５３０と、プローブ信号処理部５３０の出力値に応じて接触プローブ３００の接触の有無を判定するとともに駆動カウンタ５２０およびプローブ信号処理部５３０の出力をホストコンピュータ６００に出力する接触検知部５５０とを備えている。プローブ信号処理部５３０は、ｘθ，ｙθ及びｚに変えて、接触部３１２の変位量であるΔｘ，Δｙ及びΔｚを算出するようにしてもよい。
【００６２】
図１０および図１１に示す三次元測定システム１００は、測定対象物の設計上の形状を形状データとして予め記憶しておき、この形状データから駆動機構２２０による接触プローブ３００の移動を制御し、測定対象物の表面近傍まで接触プローブ３００を移動させる。その後、基準押込量分、接触部３１２を押し込むことで接触を検知し、タッチ測定または倣い測定等により、駆動機構２２０を駆動して接触プローブ３００を移動させることで、測定対象物の形状等を三次元的に測定する。駆動センサ２３０は、駆動機構２２０による接触プローブ３００の移動量を出力する。接触プローブ３００の三次元センサ１は、上述した第１実施形態の手法により、ｘθ、ｙθ及びｚとを出力する。このｘθ、ｙθは、スタイラス３１１の長さを予め測定しておくことで、容易に接触部３１２の変位量Δｘ，Δｙ，Δｚに変換できる。ホストコンピュータ６００の形状解析部６４０は、測定対象物の形状は、駆動センサ２３０の出力と、三次元センサ１の出力とを加算することで、測定対象物表面の位置を算出する。
【００６３】
（接触プローブの離間）
図１０および図１１に示す三次元測定システムでは、接触部３１２を基準押込量だけ押し込みながらタッチ測定し、または倣い測定することで、測定対象物の表面形状を安定して確実に測定する。しかし、基準押込量を極度に超過して接触部３１２を押し込むと、また、高速に倣い測定する際に測定終了ポイントを経過した後にも押し込みを継続すると、測定対象物や接触部３１２にダメージを与えかねず、このため、測定の高速化等の障害要因となっていた。
【００６４】
この点、本願の出願人は、倣い測定等の終了時点にて、接触部３１２を強制的に被測定対象物表面から離間させることのできる接触プローブを開発し、出願している。この接触プローブ３００のアクティブ化による離間は、本願の三次元センサ１の出力を用いても実施することができる。すなわち、第１実施形態による三次元センサ１は、反射ミラー９Ａの姿勢を検出することができ、すなわち、接触面の法線ベクトルを抽出することができるため、例えば、法線ベクトルを用いた倣いプローブ（倣い測定に用いる接触プローブ）の能動化が可能である。この場合、図１２および図１３に示すように、支持部４２０に、前記スタイラス３１１を被測定物表面から離間させるスタイラス変位手段４４１，４４２，４４３を装備するとよい。スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３としては、圧電素子を有するアクチュエータを例として挙げることができる。
【００６５】
図１２に示す支持部４２０は、円形状の金属プレートであり、周辺部が図示しないハウジングにより支持され、スピンドル２２４に装着される。このハウジング内に三次元センサ１が収納される。この支持部４２０は、３本の切込み線４２２を有し、３本の切込み線４２２は支持部４２０の中心を点対称の中心として対称に設けられている。各切込み線４２２は、それぞれ、円弧部４２３と、直線部４２４とを有し、支持部４２０の中心方向を内側とする略くの字状に曲がっている。そして、一の切込み線の円弧部４２３の内側に他の切込み線４２２の直線部４２４が位置する。
【００６６】
この切込み線４２２により、支持部４２０の金属プレート全体で板ばねとなり、ｚ軸の上下動と、スタイラス３１１のｘｙ平面からの傾斜可能に支持される。そして、接触部３１２に力が働かない際には、スタイラス３１１を基準位置に復帰させる。一方、ｘｙ平面内での直動や、ｚ軸を軸とする回転は拘束される。
【００６７】
図１２および図１３に示すように、本実施形態による接触プローブ３００は、円弧部４２３と直線部４２４との間に、スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３を備えている。このスタイラス変位手段４４１，４４２，４４３は、図示しないハウジングにより下端が支持されている。このスタイラス変位手段４４１，４４２，４４３は、例えば、多数のピエゾ素子等の圧電素子の薄板を積層して構成しており、電圧の印加により駆動する変位量を変化させることができる。従って、３つのスタイラス変位手段４４１，４４２，４４３のそれぞれを個別に駆動することで、支持部４２０の切込み線４２２により変形させ、スタイラスをｚ方向に変位させ、ｘｙ方向に傾けることができる。
【００６８】
図１１を参照すると、モーションコントローラー５００は、プローブ駆動制御部５４０を備えている。プローブ駆動制御部５４０は、測定対象物表面の平面の法線で、接触部３１２の中心を通る法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出部５４１と、接触部３１２を強制的に法線ベクトル方向に一定量離間させるために、各スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３の駆動量を算出する分配量算出部５４２と、分配量算出部５４２によって算出された駆動量に従って各スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３を駆動制御するアクチュエーター駆動部５４３を備えている。
【００６９】
法線ベクトル算出部５４１は、三次元センサ１のｘθ，ｙθを接触部３１２の変位量であるΔｘ，Δｙに変換し、さらにｚ軸での変位量Δｚを得る。このΔｘ，Δｙ，Δｚの座標値は、法線ベクトルの法線方向である。法線ベクトルＮは、次式で表される。
【００７０】
Ｎ＝（Δｘ，Δｙ，Δｚ）／｜Ｖ｜
ここで、Ｖ＝（Δｘ，Δｙ，Δｚ）
【００７１】
法線ベクトル算出部５４１は、倣い測定等の終了時に、法線ベクトルを算出し、分配量算出部５４２に出力する。そして、分配量算出部５４２は、この法線ベクトルＮと、各スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３の位置と、スタイラス３１１の長さとから、各スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３の駆動量を算出する。アクチュエーター駆動部５４３は、駆動量に応じた電圧を各スタイラス変位手段４４１，４４２，４４３に印加する。また、接触検知部５５０が、測定時に押込量を監視し、予め定められた押込量以上の押し込みとなる際に、測定を失敗として強制的に接触部３１２を離間させるようにしてもよい。この場合、接触検知部５５０の出力に応じて、プローブ駆動制御部５４０が各スタイラス変位手段４４１等を駆動し、接触部３１２を強制的に、能動的に離間させる。
【００７２】
上述のように、第２実施形態の接触プローブ３００は、三次元測定機の接触プローブとして有効に機能し、さらに、三次元センサ１が、高速にかつ精度良く接触子の位置やスタイラスの姿勢を測定できるため、三次元測定機の測定精度を向上させ、かつ、高速測定を可能とする。また、三次元センサ１が、スタイラスの姿勢等を測定できるため、接触プローブ３００の能動化が可能で、測定の状態に応じて接触部３１２を強制的に測定対象物表面から離間させることができる。この接触プローブ３００の能動化に際しても、三次元センサ１が高速測定可能なため、測定の異常を素早く検知し、被測定物や接触部３１２にダメージを与える可能性を十分に低減することができ、このことから、三次元測定機の安定した高速測定が可能となる。
【００７３】
＜第３実施形態＞
（カンチレバー）
図１４に、第１実施形態の三次元センサ１をカンチレバーに装着した接触プローブの一例を示す。
この接触プローブは、第１実施形態の三次元センサ１と、測定光ｃ２を反射させる反射ミラー９２と、この反射ミラー９２と一体に動作するカンチレバー７００と、このカンチレバー７００の先端に装着され被測定物表面に近接または当接する探針７０１と、反射ミラー９２およびカンチレバー７００を動作可能に支持する支持部としての支点７０２とを備える。なお、カンチレバー７００を被測定物表面から離間させるカンチレバー変位手段を設けるようにしてもよい。カンチレバー変位手段としては、例えば、支点７０２付近にカンチレバー７００の先端（探針７０１）が被測定物表面から離間する方向へカンチレバー７００を揺動させる機構などを設けることにより実現できる。
【００７４】
（変位量測定）
図１４に示す接触プローブは、探針７０１を測定対象物表面と相対移動させることで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置に使用することができる。この形状測定装置は、カンチレバー７００の上下動のみならず、たわみや回転も干渉縞にあらわれるため、上下動のみを測定する接触プローブと比較して、極めて高精度で安定した測定を行うことができる。
【００７５】
（走査型プローブ顕微鏡）
また、形状測定機用の接触プローブのみならず、走査型プローブ顕微鏡に装着されるカンチレバー７００の変位を測定することもできる。この場合、反射ミラー９２がカンチレバー７００の背面であり、素材がシリコンの場合、背面は概ね鏡面であるが表面に粗さがある。この粗さの影響はナノメートル・オーダーの測定を行う走査型顕微鏡に装着されるカンチレバーの問題の１つである。この場合でも、本実施形態による三次元センサ１は、干渉縞測定、つまり線測定であるため、平均化処理により問題を解決できる。
【００７６】
以上、このような構成を備える三次元センサによれば、次に示すような顕著な効果を奏することができる。
（１）単一のラインイメージセンサを使用するため、ラインイメージセンサの設置誤差の調整が容易である。
（２）ラインイメージセンサを用い、測定光と参照光の光学系を同一として測定環境の影響による誤差を低減したため、安定した高速測定が可能である。
（３）接触プローブの小型化によりプローブ固有振動数が高周波化した場合に求められる高応答化にも適応可能である。
（４）干渉縞を２つに分割しつつ、測定対象物や反射ミラーの姿勢であるｘθ、ｙθと、ｚ軸方向の変位量ｚを測定する際には、冗長した測定値を得ることができ、２つの干渉縞により別々に変位量ｚを算出して平均し、また、多数の測定値から測定対象物や反射ミラーの平面形状を前提として最小二乗法等により傾きを算出することができ、これによっても、正確な測定を行うことができる。
【００７７】
なお、本発明の三次元センサは、上記実施形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、マイケルソンタイプや、ミロータイプの干渉計ではなく、測定対象物とビームスプリッタとの間に半透明板を設けるフィゾータイプの干渉計を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、上述した三次元測定機や、走査型プローブ顕微鏡等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１実施形態での三次元センサの構成例を示す図。
【図２】第１実施形態の構成例で偏光の状態を示す図。
【図３】第１実施形態での測定値及び解析結果の一例を示す図。
【図４】第１実施形態の図１及び図２に示す構成を一体化した例を示す図。
【図５】第１実施形態において、反射ミラーが光学変化面を有する際の測定値の一例を示す図。
【図６】第１実施形態において、光源を２つ有する構成例を示す図。
【図７】第１実施形態の他の光学素子構成例を示す図。
【図８】第１実施形態の比較例を示す図。
【図９】第２実施形態での接触プローブの構成例を示す図。
【図１０】第２実施形態での三次元測定システムの構成例を示す斜視図。
【図１１】第２実施形態での同上三次元測定システムの構成例を示すブロック図。
【図１２】第２実施形態での接触プローブの支持部の構成例を示す平面図。
【図１３】第２実施形態での接触プローブの支持部の構成例を示す正面図。
【図１４】第３実施形態での接触プローブの構成例を示す図。
【図１５】従来の接触プローブの構成例を示す図。
【符号の説明】
【００８０】
１…三次元センサ、
２…光源
３…第１のビームスプリッタ
４…第２のビームスプリッタ
５…第１の光学系
６…第２の光学系
６Ａ，６Ｂ…プリズム
８…ラインイメージセンサ
９…測定対象物
９Ａ…反射ミラー
１０…参照ミラー
１５…第１の光源
１６…第２の光源
１９…駆動手段
３０…支持部
３００…接触プローブ
３１１…スタイラス
３１２…接触部
３１３…センサ本体部
４４１〜４４３…スタイラス変位手段
７００…カンチレバー
７０１…探針。
【図１】
2008096295.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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