JP2000266524A - ３次元形状測定機およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 ３次元形状測定機の座標軸をＲ−θ−Ｚ
系とし、被測定物１をθステージ７に載置し、光プロー
ブ２をＲステージ３およびＺステージ４上に配設し、光
プローブ位置検出手段としてのレーザ測長器９（９ａ〜
９ｈ）はすべてを同一のＲ−Ｚ面内に配置して、被測定
物１の形状を前記Ｒ−Ｚ面内における２次元上で形状測
定を行なうようにする。レーザ測長器９に使用されるＲ
およびＺ基準ミラー５，６はその幅を小さくでき、製作
が容易になるとともにその平面度を向上させることがで
き、また、レーザ測長器９による測定誤差も２次元上に
ついてのみ考慮すれば良く測定誤差を減少させることが
できる。

Description

【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０９−３
１１０２４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１０
４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１０
９ｃ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１０
３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２０
１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２０９
ｇ、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、該θステージ上の前記被測定物に対して水平方向
となるＲ軸方向に移動可能に設けられたＲステージと、
被測定物に対して垂直方向となるＺ軸方向に移動可能に
設けられたＺステージを備え、前記プローブは前記Ｒス
テージおよび前記Ｚステージ上に配設され、前記Ｒステ
ージ、前記θステージおよび前記Ｚステージの各々に設
けられた位置検出手段は全て同一のＲ−Ｚ面上に配置さ
れていることを特徴とする。

【０００９】本発明の３次元形状測定機においては、前
記Ｒステージおよび前記Ｚステージ上に４台のレーザ測
長器が配置され、該レーザ測長器は、前記Ｒステージお
よび前記Ｚステージ上に配設された前記プローブが自由
に移動可能なＲ−Ｚ面内のＲ軸方向およびＺ軸方向にそ
れぞれ２台ずつ配置されており、前記プローブは、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
動しながら前記被測定物の形状に沿って走査しうるよう
に構成され、前記プローブにより前記被測定物の全面を
走査する際に前記プローブの３次元座標位置のＲ，θ，
Ｚを同時に検出し、該３次元座標位置におけるＲは、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
基準ミラーとＺ軸方向に並べて配置された２台のレーザ
測長器とから算出され、前記３次元座標位置におけるＺ
は、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基準ミラーとＲ軸方向に並べて配置された２台の
レーザ測長器とから算出され、そして、前記３次元座標
位置におけるθ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器とから
算出され、前記プローブの３次元座標のＲ，θ，Ｚを基
にして前記被測定物の形状測定を行なうことが好まし
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用いて被測
定物の３次元形状を測定する測定方法において、前記プ
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、前記プローブ
の３次元座標位置のＲ，θ，Ｚを同時に検出し、検出さ
れた前記３次元座標のＲ，θ，Ｚを基に前記被測定物の
３次元形状を測定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、
前記プローブの３次元座標におけるＲ座標の算出に際し
て、同一のＲ−Ｚ面内において異なる２か所の位置Ｐ
１，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Ｄ
１と、前記両位置Ｐ１，Ｐ２の間のＺ方向成分の距離Ｄ
２とからアッベ誤差を考慮したＲ座標値Ｒを算出し、そ
して、前記プローブの３次元座標位置におけるＺ座標の
算出に際して、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Ｚ
１，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たＺ座標値Ｚを算
出することが好ましい。

【００１３】本発明の３次元形状測定方法においては、
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およびラジアル方向の軸ぶれ量を検
出し、前記プローブの３次元座標位置におけるＺ座標値
には前記面ぶれ量を補正値として考慮し、前記プローブ
の３次元座標位置におけるＲ座標値には前記軸ぶれ量を
補正値として考慮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同一の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、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１２
ａ，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、９
ｅ，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１２
ａ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，９
ｂ間のＺ方向成分の距離、Ｄ３はレーザ測長器９ｃ，９
ｄ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２
０ａ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，９
ｂ，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１５
ｃ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１
６ｃ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１５
ｃ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１６
ｃ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】

【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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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、該θステージ上の前記被測定物
   に対して水平方向となるＲ軸方向に移動可能に設けられ
   たＲステージと、被測定物に対して垂直方向となるＺ軸
   方向に移動可能に設けられたＺステージを備え、前記プ
   ローブは前記Ｒステージおよび前記Ｚステージ上に配設
   され、前記Ｒステージ、前記θステージおよび前記Ｚス
   テージの各々に設けられた位置検出手段は全て同一のＲ
   −Ｚ面上に配置されていることを特徴とする３次元形状
   測定機。
2. 【請求項２】 前記Ｒステージおよび前記Ｚステージ上
   に４台のレーザ測長器が配置され、該レーザ測長器は、
   前記Ｒステージおよび前記Ｚステージ上に配設された前
   記プローブが自由に移動可能なＲ−Ｚ面内のＲ軸方向お
   よびＺ軸方向にそれぞれ２台ずつ配置されており、前記
   プローブは、前記被測定物との距離が常に一定となるよ
   うにＺ軸方向に移動しながら前記被測定物の形状に沿っ
   て走査しうるように構成され、前記プローブにより前記
   被測定物の全面を走査する際に前記プローブの３次元座
   標位置のＲ，θ，Ｚを同時に検出し、該３次元座標位置
   におけるＲは、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基準ミラーとＺ軸方向に並べて配置さ
   れた２台のレーザ測長器とから算出され、前記３次元座
   標位置におけるＺは、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基準ミラーとＲ軸方向に並べて
   配置された２台のレーザ測長器とから算出され、そし
   て、前記３次元座標位置におけるθ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
   ケール検出器とから算出され、前記プローブの３次元座
   標のＲ，θ，Ｚを基にして前記被測定物の形状測定を行
   なうことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定
   機。
3. 【請求項３】 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または
   ２記載の３次元形状測定機。
4. 【請求項４】 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測定方法に
   おいて、 前記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、前記プ
   ローブの３次元座標位置のＲ，θ，Ｚを同時に検出し、
   検出された前記３次元座標のＲ，θ，Ｚを基に前記被測
   定物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形
   状測定方法。
5. 【請求項５】 前記プローブの３次元座標におけるＲ座
   標の算出に際して、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たＲ座標値Ｒ
   を算出し、そして、前記プローブの３次元座標位置にお
   けるＺ座標の算出に際して、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たＺ
   座標値Ｚを算出することを特徴とする請求項４記載の３
   次元形状測定方法。
6. 【請求項６】 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およびラジアル方向
   の軸ぶれ量を検出し、前記プローブの３次元座標位置に
   おけるＺ座標値には前記面ぶれ量を補正値として考慮
   し、前記プローブの３次元座標位置におけるＲ座標値に
   は前記軸ぶれ量を補正値として考慮することを特徴とす
   る請求項４または５記載の３次元形状測定方法。
7. 【請求項７】 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を特徴とする請求項４ないし６のい
   ずれか１項に記載の３次元形状測定方法。