JPH09101121A

JPH09101121A - 面形状測定装置

Info

Publication number: JPH09101121A
Application number: JP25858995A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Izeki; 敏之井関
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-10-05
Filing date: 1995-10-05
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定表面の傾斜や曲率の大小に拘らず、面形
状の測定を可能にする。【解決手段】非接触プローブ４０を、変位検出の基準定
点Ｑを通る基準軸ＡＸの回りに、基準平面ＰＬ内で回転
させるプローブ回転機構と、プローブ回転機構による非
接触プローブ４０の回転角：αを決定する回転角決定手
段２１１と、測定物０を保持し、基準平面ＰＬ内におい
て、基準定点Ｑに対し測定物０を相対的に変位させる２
次元並進機構と、２次元並進機構による測定物０の変位
量：ξ，ηを検出する変位検出手段１２２，１３２と、
回転角決定手段２１１により決定される非接触プローブ
の回転角：α、変位検出手段により決定される変位量：
ξ，ηおよび非接触プローブ４０により検出される基準
定点と被測定表面との基準平面内におけるずれ量：Δｒ
に基づき、測定物０の、基準平面ＰＬ内における被測定
表面形状を演算により特定する制御・演算手段６０を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は表面形状測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズやミラー等の光学素子への非球面
の利用が一般化しつつある。このため、非球面を採用し
た光学素子の非球面形状を測定することが、製品検査や
設計・試作の段階で必要となる。非球面形状を持つ光学
素子はプラスチック等の軟質の材料で形成される場合が
多く、このため被測定表面の形状測定は「非接触」であ
ることが好ましい。

【０００３】従来、物体の被測定表面の形状を非接触で
高精度に測定する面形状測定装置としては、光学式の非
接触プローブにより測定物の被測定表面を直線的に走査
する「直線走査方式」のものと、非接触プローブを、測
定物の被測定表面の曲率中心を回転中心として測定物に
相対的に回転させて被測定表面を走査する「円弧走査方
式」のものとが知られている。

【０００４】直線走査方式の面形状測定装置は、測定の
精度は高いが、光学式の非接触プローブは測定装置に固
定した空間内で常に一定の方向から被測定表面に光を照
射し、被測定表面からの反射光を検出するので、被測定
表面の傾斜が大きくなると被測定表面による反射光束が
非接触プローブに戻らなくなり測定不能となる。

【０００５】測定物の有する非球面は、ときとして面の
傾斜が６０度以上にもなる場合があり、このような大き
な傾斜を持つ表面形状は直線走査方式では測定できな
い。

【０００６】円弧走査方式の面形状測定装置は、被測定
表面の曲率半径が大きく、測定範囲も大きい場合には、
非接触プローブの回転半径が大きくなり測定装置の大型
化を招来し、平面に近い被測定表面を有する測定物は測
定できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑み、面形状測定装置において、被測定表面の傾斜
や曲率の大小に拘らず、面形状の測定を可能ならしむる
ことである（請求項１〜６）。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の面形状測定装
置は「光学式変位計である非接触プローブにより測定物
の被測定表面を走査して被測定表面の形状を測定する非
接触プローブ走査式の面形状測定装置」である。

【０００９】「光学式変位計である非接触プローブ」は
被測定表面に光を集光的に照射し、被測定表面からの反
射光により、照射光のデフォーカス量を検出できる。

【００１０】請求項１記載の面形状測定装置は、プロー
ブ回転機構と、回転角決定手段と、２次元並進機構と、
変位検出手段と、制御・演算手段とを有する。

【００１１】「プローブ回転機構」は、非接触プローブ
を、基準定点を通る基準軸の回りに、基準面内で回転さ
せる機構である。「基準定点」は、非接触プローブの変
位検出の０点として面形状測定装置の測定空間に固定的
な定点であり、従って基準定点を通る「基準軸」も上記
測定空間に固定的である。「基準平面」は上記基準定点
を通り基準軸に直交する平面である。

【００１２】「回転角決定手段」は、プローブ回転機構
による非接触プローブの回転角：αを決定する手段であ
る。

【００１３】「２次元並進機構」は、測定物を保持し、
基準平面内において、基準定点に対し測定物を２次元相
対的に変位させる機構である。

【００１４】「変位検出手段」は、２次元並進機構によ
る基準平面内における測定物の変位量：ξ，ηを検出す
る手段である。変位量：ξ，ηは直交座標で表しても、
曲座標で表しても良い。

【００１５】「制御・演算手段」は、回転角決定手段に
より決定される非接触プローブの回転角：α、変位検出
手段により決定される変位量：ξ，ηおよび非接触プロ
ーブにより検出される基準定点と被測定表面との基準平
面内におけるずれ量：Δｒに基づき、測定物の「基準平
面内における被測定表面形状」を演算により特定すると
ともに、測定プロセスに従って、非接触プローブ、プロ
ーブ回転機構、回転角決定手段、２次元並進機構、変位
検出手段を制御する手段である。

【００１６】このように、請求項１記載の面形状測定装
置で測定されるのは「測定物の基準平面による仮想的な
断面形状」である。従って、この面形状測定装置によれ
ば、例えば「非球面レンズにおける非球面の光軸を含む
断面上における非球面形状」を測定できる。

【００１７】上記請求項１記載の面形状測定装置におい
て、２次元並進機構は、測定物回転機構と、第２の回転
角決定手段とを有することができる（請求項２）。

【００１８】「測定物回転機構」は、保持した測定物
を、基準軸に直交し基準定点を通る回転軸の回りに回転
させる機構である。

【００１９】「第２の回転角決定手段」は、測定物回転
機構による測定物の回転角：γを決定する手段である。

【００２０】請求項２記載の面形状測定装置では「測定
物回転機構、第２の回転角決定手段は制御・演算手段に
より制御」される。

【００２１】請求項２記載の面形状測定装置に於いて
は、制御・演算手段が「回転角決定手段により決定され
る非接触プローブの回転角：α、変位検出手段により決
定される変位量：ξ，η、非接触プローブにより検出さ
れる基準定点と被測定表面とのずれ量：Δｒおよび第２
の回転角決定手段により決定される回転角：γに基づ
き、測定物の「被測定表面の形状を演算により３次元的
に特定」するようにすることができる（請求項３）。

【００２２】上記請求項１または２または３記載の面形
状測定装置は、非接触プローブを基準定点を通り基準軸
に直交する方向へ変位させる「プローブ変位手段」を有
することができ、このプローブ変位手段を制御・演算手
段により制御するようにできる（請求項４）。この場
合、非接触プローブを「基準位置」に配備したとき、非
接触プローブの変位検出の０点が基準定点に合致する。

【００２３】上記請求項１〜４の任意の１に記載の面形
状測定装置においては、非接触プローブに「被測定表面
の傾斜を検出する傾斜検出機能」を持たせ、制御・演算
手段が「検出された傾斜に応じてプローブ回転機構を制
御」するようにできる（請求項５）。

【００２４】「被測定表面の傾斜」は、非接触プローブ
から被測定表面に照射される光束の光軸に直交する平面
に対する被測定表面の「光束照射部における傾き」であ
る。

【００２５】面形状測定の測定対象となる測定物が非球
面を持つ光学素子の場合、非球面は予め設計の段階で形
状が設定されるから、測定対象となる被測定表面の形状
は予めかなりの精度を持って知られている場合が多い。

【００２６】このような場合、制御・演算手段に回転角
決定手段を兼ねさせ、測定物の「既知の被測定表面の形
状」に基づき非接触プローブの回転角：αを演算的に決
定するようにすることができる（請求項６）。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を説明する。

【００２８】図１は請求項１記載の面形状測定装置を略
示している。

【００２９】符号０で示す測定物（説明の具体性のため
「非球面レンズ」とし、その非球面が被測定表面である
とする）は、保持手段１０の保持部１１に吸引吸着によ
り保持されている。

【００３０】保持手段１０は並進ステージ１２上に固設
されている。並進ステージ１２は並進ステージ１３上の
配備され、図のように設定された直角座標系のＸ方向に
並進移動可能である。

【００３１】並進ステージ１３は基台３０上に配備され
て、Ｙ方向（図面に直交する方向）並進移動可能であ
る。従って、並進ステージ１２，１３により測定物０を
ＸＹ面内で２次元的に変位させることができる。即ち、
保持手段１０とステージ１２，１３と基台３０とは「２
次元並進機構」を構成している。

【００３２】ステージ１２は、ステッピングモータ１２
１とリニヤエンコーダ１２２とを有し、Ｘ方向に於ける
並進変位はステッピングモータ１２１により行なわれ、
その変位量はリニヤエンコーダ１２２により検出され
る。

【００３３】ステージ１３は、ステッピングモータ１３
１とリニヤエンコーダ１３２とを有し、Ｙ方向に於ける
並進変位はステッピングモータ１３１により行なわれ、
その変位量はリニヤエンコーダ１３２により検出され
る。

【００３４】従って、リニヤエンコーダ１２２と１３２
とは「変位検出手段」を構成する。リニヤエンコーダ１
２２，１３２の出力はコンピュータ６０に入力し、ステ
ッピングモータ１２１，１３１はコンピュータ６０によ
り制御される。

【００３５】基台３０はその中央部に円筒状の孔３１が
穿設され、孔３１には円柱状の回転部材２１が摺動自在
に嵌装されている。回転部材２１の上部には回転ステー
ジ２０が一体化されている。

【００３６】回転部材２１はステッピングモータ２１０
により回転駆動され、その回転角はロータリエンコーダ
２１１により検出されるようになっている。

【００３７】回転ステージ２０の上には並進ステージ５
０が設けられ、その上部には非接触プローブ４０が固設
されている。

【００３８】並進ステージ５０はステッピングモータ５
１により図の上下方向、即ちＺ方向に並進移動可能であ
り、その変位量はリニヤエンコーダ５２により検出され
る。

【００３９】符号Ｑは「基準定点」を示している。基準
定点Ｑを通りＺ方向に平行な軸ＡＸは「基準軸」であ
る。回転部材２１は、その回転軸を基準軸ＡＸと合致さ
せている。

【００４０】ステッピングモータ２１０により回転部材
２１０を回転させると、回転ステージ２０と並進ステー
ジ５０を介して非接触プローブ４０が基準軸ＡＸの回り
に回転する。従って、ロータリエンコーダ２１１は「回
転角決定手段」を構成する。

【００４１】ステッピングモータ２１０と回転部材２１
と回転ステージ２０と並進ステージ５０とは「プローブ
回転機構」を構成する。

【００４２】ロータリエンコーダ２１１、リニヤエンコ
ーダ５２の出力はコンピュータ６０に入力し、ステッピ
ングモータ２１０，５１はコンピュータ６０により制御
される。

【００４３】コンピュータ６０にはまた非接触プローブ
４０の出力が入力する。

【００４４】符号ＰＬは、プローブ回転機構により非接
触プローブ４０が回転するとき、その基準線が掃引する
理想上の平面で「基準平面」であり、基準定点Ｑを含
む。

【００４５】並進ステージ５０は微調整用であってＺ方
向の変位領域は小さい。この並進ステージ５０は、プロ
ーブ回転手段により回転される非接触プローブ４０の基
準線の掃引する面を、上記基準平面ＰＬと合致させるた
めの調整を行なうためのものであり、基準プローブ４０
の回転が、正確に基準平面ＰＬ内で起きるように装置が
組み立てられるならば並進ステージ５０は不要である
が、実際には、基準プローブの回転が起こる平面と基準
平面との間に組立て誤差等が存在することが多いので、
上記の如き調整を行なうために設けられている。

【００４６】即ち、並進ステージは原理的には不要であ
る。

【００４７】コンピュータ６０は「制御・演算手段」を
構成する。

【００４８】図２（ａ）は、図１の実施の形態における
非接触プローブ４０の実施の１形態を略示している。

【００４９】光源であるＬＤ４０１から放射された光束
はコリメータレンズ４０２で平行光束化され、ビームス
プリッタ４０３により反射され、ビームスプリッタ４０
４を透過し、対物レンズ４０５により収束光束となって
測定物０の被測定表面に向かって照射される。図１に即
した上の説明で「非接触プローブ４０の基準線」は対物
レンズ４０５の光軸を意味する。

【００５０】測定物０の被測定表面で反射された光は
「戻り光」となって対物レンズ４０５から入射し、一部
はビームスプリッタ４０４，４０３を透過して位置セン
サ(Position Sensitive Device)４０９に入射する。

【００５１】ビームスプリッタ４０４に入射した戻り光
の一部はビームスプリッタ４０４に反射され、集光レン
ズ４０４により収束傾向を与えられ、シリンダレンズ４
０７により一方向的に集光され、非点収差を与えられて
受光素子４０８に入射する。

【００５２】受光素子４０８は所謂「４分割受光素子」
であって、図２（ｂ−１）に示すように受光面が４部分
ｅ，ｆ，ｇ，ｈに分割され、各受光部ｅ，ｆ，ｇ，ｈか
ら受光出力：Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを出力する。

【００５３】受光素子４０８に入射する光束のスポット
形状は、対物レンズ４０５から測定物０に向かって照射
される収束光束の集光部が、被測定表面の手前であると
きは図２（ｂ−１）のように「横長の楕円状」であり、
被測定表面の後方である場合には同図（ｂ−３）のよう
に「縦長の楕円状」であり、集光部が被測定表面に合致
している場合には、（ｂ−２）のように「円形状」であ
る。

【００５４】従って上記出力：Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈから、信
号：Ｉ＝{(E+F)-(G+H)}/(E+F+G+H)を生成すると、信
号：Ｉは上記集光部と被測定表面とのずれ量：Δ（図２
（ｃ）参照）に対し、図２（ｄ）のように変化するの
で、信号：Ｉによって、ずれ量：Δを知ることができ
る。

【００５５】一方、被測定表面の傾斜により戻り光の方
向が対物レンズ４０５の光軸に対し傾いた場合には、位
置センサ４０９に入射する光束の入射位置が図２（ａ）
の上下方向にずれるので、位置センサ４０９の出力によ
り「被測定表面の傾斜」を知ることができる（請求項
５）。

【００５６】非接触プローブ４０９における、受光素子
４０８に於ける前記出力：Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈおよび位置セ
ンサ４０９の出力が、制御・演算手段であるコンピュー
タ６０（図１）に入力され、コンピュータ６０は前記信
号：Ｉを生成する。また位置センサ４０９の出力により
被測定表面の傾斜を検出する。

【００５７】なお図２において符号４１０は非接触プロ
ーブ４０のケーシングを示す。

【００５８】非接触プローブ４０の回転が基準平面ＰＬ
内で起きるように調整された状態において、対物レンズ
４０５から射出する収束光束は基準定点Ｑに集光する。

【００５９】以下、測定物０の「基準平面内における被
測定表面形状」の測定プロセスを説明する。説明の具体
性のため、測定物（非球面レンズ）０の非球面形状は設
計上の形状が既知であるとする。

【００６０】図１に戻ると、先ず、測定物０を保持手段
１０の保持部１１に吸引吸着により保持する。このとき
測定物０の保持部１１に対する保持態位を調整し（必要
とあれば調整治具を用いる）、測定物０の光軸が図１に
おけるＸ軸に平行となるようにする。

【００６１】コンピュータ６０は、予め与えられた測定
物０の形状データに基づき、並進ステージ１２，１３を
制御して、測定物０の被測定表面の基準部分（光軸と非
球面との交点）を基準定点Ｑに合致させ、このときの上
記基準部分を非球面表示におけるＸ，Ｙ方向の原点（Ｘ
＝０，Ｙ＝０）として記憶する。

【００６２】続いて、コンピュータ６０は並進ステージ
５０を制御し、非接触プローブ４０の回転が基準平面Ｐ
Ｌ内で起きるように調整し、且つ、非接触プローブ４０
の前記基準線を測定物０の光軸に合致させる。以上が準
備段階である。準備段階が終了した状態を図３（ａ）に
示す。

【００６３】この状態で非接触プローブ４０を動作させ
ると、非接触プローブ４０から収束光束が測定物０の被
測定表面０１に照射されるが、被測定表面０１の基準部
分は基準定点Ｑに合致しているので、上記収束光束は被
測定表面０１上に集光し、このとき前記信号：Ｉ＝０で
ある。また位置検出素子４０９（図３(ａ)）により検出
される被測定表面０１の傾斜も０である。

【００６４】続いてコンピュータ６０は並進ステージ１
２，１３を制御し、測定物０をＸ方向へ「ξ₁」、Ｙ方
向へ「η₁」だけ変位させる。この変位は、図１におけ
るリニヤエンコーダ１２２，１３２（変位検出手段を構
成する）により検出され、測定物０が実際に変位量：ξ
₁，η₁を実現したとき変位量：ξ＝ξ₁，η＝η₁として
決定される。

【００６５】即ち変位検出手段により変位量：ξ，ηが
決定される。変位量：ξ₁，η₁は、非球面形状に応じ、
点（Ｘ＝ξ₁，Ｙ＝η₁）が非球面近傍に位置するように
設定する。上記変位が行なわれた状態を図３（ｂ）に示
す。

【００６６】上記変位により、被測定表面０１の、非接
触プローブ４０による被照射部は非接触プローブ４０の
基準線に対して傾斜するので、コンピュータ６０は位置
センサ４０９の出力に基き、プローブ回転機構であるス
テッピングモータ２１０（図１）を駆動して、上記傾斜
がなくなる位置に非接触プローブ４０を回転する。

【００６７】このときの回転角：α＝α₁は「回転角決
定手段」であるロータリエンコーダ２１１（図１）によ
り決定される。

【００６８】この状態において、被測定表面０１は、図
３（ｃ）に示すように基準定点：Ｑからずれており、ず
れ量：Δｒは、非接触プローブ４０の前記受光素子４０
８の出力から信号：Ｉを生成することにより決定され
る。

【００６９】決定されたずれ量：Δｒにより、基準定
点：Ｑと被測定表面０１とは、Ｘ方向に「Δｒ・ｃｏｓ
α₁」、Ｙ方向に「Δｒ・ｓｉｎα₁」ずれている。

【００７０】従って、前記：Δｒに基づき並進ステージ
１２，１３をコンピュータ６０で制御して、測定物０を
Ｘ方向に「Δｒ・ｃｏｓα₁」だけ変位させ、Ｙ方向に
「Δｒ・ｓｉｎα₁」だけ変位させると、被測定表面０
１は基準定点Ｑに合致する。このときの基準定点Ｑにお
ける被測定表面のＹ座標は「Ｙ₁＝η₁＋Δｒ・ｓｉｎα
₁」であり、座標：Ｙ₁に対する非球面量は「Ｘ₁＝ξ₁＋
Δｒ・ｃｏｓα₁」である。このようにして座標：Ｙ₁に
対する非球面量Ｘ₁が知れる。

【００７１】Ｘ₁，Ｙ₁は上記の如くコンピュータ６０で
「Ｙ₁＝η₁＋Δｒ・ｓｉｎα₁，Ｘ₁＝ξ₁＋Δｒ・ｃｏ
ｓα₁」を演算しても良いし、Δｒに基づき、これが０
となるように並進ステージ１２，１３を制御し、その際
の並進ステージ１２，１３の補正変位量：Δｘ，Δｙを
Ｘ₁，Ｙ₁に加算する演算で求めても良い。

【００７２】続いて上記状態（非球面上のＸ₁，Ｙ₁が基
準定点Ｑにある）から並進ステージ１２，１３を制御し
て、測定物０をＸ方向にΔξ，Ｙ方向にΔη変位させ、
そのときの変位量ξ＝ξ₂＝Ｘ₁＋Δξ、η＝η₂＝Ｙ₁＋
Δηを検出する。またプローブ回転機構を回転して位置
検出素子の検出する傾斜が０となるように非接触プロー
ブ４０を回転させ、そのときの回転角：α＝α₂を決定
する。

【００７３】そして非接触プローブ４０により決定され
るずれ量：Δｒとξ₂，η₂、α₂を用いて「Ｘ₂＝ξ₂＋
Δｒ・ｃｏｓα₂，Ｙ₂＝η₁＋Δｒ・ｓｉｎα₂」を演算
し、非球面上の点：Ｘ₂，Ｙ₂が基準定点Ｑに位置するよ
うにする。

【００７４】このようにして座標：Ｙ₂における非球面
量：Ｘ₂が知れる。以後は、上記のプロセスを繰り返せ
ば良い。このようにして、図３（ｄ）に示すように測定
物０の被測定表面のＹ方向に関する形状、即ち「基準面
内における形状」を知ることができる。

【００７５】図４（ａ）は請求項２，３記載の発明の実
施の１形態を略示している。繁雑を避けるため、混同の
虞れがないと思われるものについては図１（ａ）におけ
ると同一の符号を付した。

【００７６】この実施の形態においては「２次元並進機
構」における保持手段１０Ａが保持部１１Ａを有する
「エアスピンドル」であり、ステッピングモータ５０に
より測定物０を光軸（基準軸ＡＸに直交し基準定点Ｑを
通る回転軸）の回りに回転させることができ、且つその
回転角：γを「第２の回転角決定手段」であるロータリ
エンコーダ５１により決定できるようになっている。

【００７７】ロータリエンコーダ５１の出力はコンピュ
ータ６０に入力され、ステッピングモータ５０はコンピ
ュータ６０により制御される。

【００７８】保持手段１０Ａとステッピングモータ５０
は「測定物回転機構」を構成する。

【００７９】このように測定物０（非球面レンズ）を光
軸の回りに回転できるようにすると、例えば、測定物０
に対して、前述のようにして基準平面内における被測定
表面形状を測定した後（図４（ｂ）における直線４−１
方向の形状）、測定物回転機構により測定物０を光軸の
回りに所望の角：γだけ回転させて上記と同様の測定を
行なうことにより図４（ｄ）に示すように、先に測定し
た方向に対して角：γだけ傾いた方向（直線４−２の方
向）における形状を測定することができる。

【００８０】例えば、角：γを９０度に設定すれば「非
球面レンズの光軸を含み、互いに直交する平面による断
面内の表面形状」を測定できるし、γを等間隔に変化さ
せれば「光軸を含み放射状に交わる多数の平面による断
面内の表面形状」を測定でき、結局非球面形状を３次元
的に測定することができる（請求項４）。

【００８１】図５は請求項２，３，４，５記載の発明の
実施の１形態を略示している。図５（ａ）において、図
４（ａ）におけると同一の符号を付したものは、図４
（ａ）におけると同一のものである。図４に示す実施の
形態と同様、図５に示す実施の形態でも、２次元並進機
構は「測定物回転機構」と「第２の回転角決定手段」と
を有し、これらは制御・演算手段であるコンピュータ６
０により制御される。

【００８２】図４に示す実施の形態との差異は、図５
（ａ）の実施の形態には、非接触プローブ４０を基準定
点Ｑを通り基準軸ＡＸに直交する方向へ変位させる「プ
ローブ変位手段」として並進ステージ７０が並進ステー
ジ５０Ａ上にあることにある。並進ステージ５０Ａは図
１、図４における並進ステージ５０と同様の目的で設け
られている。

【００８３】並進ステージ７０はステッピングモータ７
１とその回転角を検知するリニヤエンコーダ７２とを有
し、リニヤエンコーダ７１の出力はコンピュータ６０に
入力する。

【００８４】以下、この実施の形態による測定物０の
「被測定表面の３次元形状の測定」を説明する。

【００８５】非球面レンズである測定物０を、図３の実
施の形態と同様に、保持手段１０Ａの保持部に保持さ
せ、その被測定表面の頂部が基準定点Ｑを占め、光軸が
非接触プローブ４０の基準線（図２（ａ）における対物
レンズ４０５の光軸）と一致するように位置調整する
（準備段階）。この状態を図６（ａ）に示す。

【００８６】準備段階が終了したら図１の実施の形態と
同様、並進ステージ１２，１３を駆動制御して図６
（ｂ）に示す如く測定物０をＸ方向に「ζ₁」、Ｙ方向
に「η₁」だけ変位させ、この状態で「プローブ回転機
構」により被接触プローブ４０を回転させ、非接触プロ
ーブ４０の検出する被測定表面の傾斜が０となるように
非接触プローブの位置を調整し、このときの回転角：α
＝α₁をロータリエンコーダ２１１で決定する。

【００８７】コンピュータ６０は、非接触プローブ４０
からの出力により前述の信号：Ｉを生成し、信号：Ｉが
０となるよう並進ステージ７０を制御し、このときの非
接触プローブ４０の変位量：Δｒをリニヤエンコーダ７
２の出力により決定する。

【００８８】この「Δｒ」を用い、並進ステージ１２，
１３により測定物０をＸ方向に「Δｒ・ｃｏｓα₁」、
Ｙ方向に「Δｒ・ｓｉｎα₁」、補正変位すると、基準
定点Ｑにある非球面の座標：Ｙ₁，Ｘ₁は「Ｙ₁＝η₁＋Δ
ｒ・ｓｉｎα₁，Ｘ₁＝ξ₁＋Δｒ・ｃｏｓα₁」で与えら
れる。このときのＹ₁を図５（ｂ）に示す。

【００８９】こののち並進ステージ７０により非接触プ
ローブ４０を−Δｒだけ変位させると、非接触プローブ
４０による集光光束は再び基準定点Ｑに収束する。この
状態を図６（ｃ）に示す。この状態において、測定物０
を「測定物回転機構」により所定の角：γだけ回転し、
その回転角：γをロータリエンコーダ５１により決定す
る。

【００９０】この回転ののち、前記信号：Ｉが０となる
ように並進ステージ７０の変位を制御し、そのときの非
接触プローブ４０の変位量：Δｒを検出する。

【００９１】すると、この状態において、非接触プロー
ブ４０からの光束が収束している非球面の３次元座標：
Ｘ₁₂，Ｙ₁₂，Ｚ₁₂は、Ｘ₁₂＝Ｘ₁＋Δｒ・ｃｏｓα₁ Ｙ₁₂＝（Ｙ₁＋Δｒ・ｓｉｎγ）ｃｏｓα₁ Ｚ₁₂＝（Ｙ₁＋Δｒ・ｓｉｎγ）ｓｉｎα₁ を演算することにより求められる。このようにして得ら
れる非球面上の位置を図５（ｂ）に符号Ｐで示す。

【００９２】以下、回転角：γを、例えば等間隔に２
γ，３γ，．．．と変化させ、その都度並進ステージ７
０により非接触プローブ４０の変位量：Δｒを検出して
上記と同様の演算（上記γの代わりに２γ，３γ，．．
等を代入する）により、測定物０の非球面の光軸から半
径：Ｙ₁の円形部分における非球面形状を測定できる。

【００９３】上記円形部分の測定が終了したら（このと
き被測定物０は光軸の回りに１回転している）前述と同
様にして、光軸からの距離Ｙ₂の位置における非球面部
分を基準定点Ｑに持ち来し（図５（ｂ）参照）、その状
態から測定物回転機構により測定物０を所定の回転角：
γづつ回転させて、その都度上記と同様の演算により光
軸から半径：Ｙ₂を持った円形部分の被測定表面の形状
を測定する。

【００９４】以後このプロセスを繰り返して行なうこと
により、図５（ｂ）に示すように測定物０の被測定表面
形状を「同心円状」に測定でき、結局、被測定表面形状
を３次元的に測定することができる。

【００９５】なお、円形部分の測定を行なうとき、回転
角を切り替えても並進ステージ１２，１３は動作させ
ず、各回転角における「Δｒ」の測定は専ら並進ステー
ジ７０による非接触プローブ４０の変位量検出により行
なう。

【００９６】このように、非測定表面を同心円状に測定
する測定は、図４に示す実施の形態でも実現することが
できる。しかし同じ半径の円形部分を測定する際に、各
回転角ごとに非接触プローブ４０の検出するΔｒに応じ
て、一々、並進ステージ１２，１３を制御して被測定表
面を基準定点Ｑに位置させる動作を行なわせると測定に
時間が掛かる。その点、図５の実施の形態では円形部分
の測定の際、直接に非接触プローブ４０の変位量により
「Δｒ」を決定するので測定の能率が良い。

【００９７】上に説明した実施の各形態では、非接触プ
ローブが位置検出素子という形態で「被測定表面の傾斜
を検出する傾斜検出機能」を持つので、この傾斜検出機
能により検出された傾斜に応じて、プローブ回転機構を
制御することにより非接触プローブから照射される収束
性光束の光軸が非測定表面に直交するようにできた。

【００９８】しかし、測定物の非測定表面の形状が既知
であるならば、２次元並進機構により測定ポイントを移
動させる際、変位量：ξ，ηに応じて、非接触プローブ
の基準線が新しい測定ポイントにおいて非測定表面に実
質的に直交するように、回転角：αを「非球面形状を用
いた計算により」決定することができる。

【００９９】即ち、制御・演算手段に回転角決定手段を
兼ねさせ、測定物の既知の被測定表面の形状に基づき非
接触プローブの回転角：αを決定することが可能である
（請求項６）。

【０１００】また、前記測定ポイントを１つの測定ポイ
ントから次の測定ポイントへ移す際の、変位量：Δξ，
Δηは、それ以前の測定ポイントから「外挿」で決定し
ても良いし、既知の非測定表面形状から計算で算出（制
御・演算手段が行なう）するようにしてもよい。

【０１０１】また非接触プローブにおける「ずれ量検
出」に周知の「非点収差法」を利用したが、これに限ら
ず周知のナイフエッジ法やフーコー法を利用できること
は言うまでもない。

【０１０２】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、非球面レンズや非球面ミラー等である測定物を２次
元的に並進変位させて測定ポイントを変えると共に、非
接触プローブを回転させて、非接触プローブからの光が
測定ポイントに、非測定表面に略直交するように入射さ
せるので、非測定表面の「曲率半径や傾斜」に拘らず非
測定表面の形状を確実に測定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。

【図２】図１の形態における非接触プローブとその機能
を説明するための図である。

【図３】図１の形態における面形状測定のプロセスを説
明するための図である。

【図４】請求項２，３記載の発明の実施の１形態を説明
するための図である。

【図５】請求項４記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。

【図６】図４の形態による面形状測定のプロセスを説明
するための図である。

【符号の説明】

０測定物１２，１３，５０並進ステージ２１回転部材２０回転ステージ４０非接触プローブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学式変位計である非接触プローブにより
測定物の被測定表面を走査して上記被測定表面の形状を
測定する非接触プローブ走査式の面形状測定装置におい
て、非接触プローブを、変位検出の基準定点を通る基準軸の
回りに、上記基準定点を通り基準軸に直交する基準平面
内で回転させるプローブ回転機構と、このプローブ回転機構による非接触プローブの回転角：
αを決定する回転角決定手段と、測定物を保持し、上記基準平面内において、上記基準定
点に対し上記測定物を相対的に変位させる２次元並進機
構と、この２次元並進機構による上記測定物の変位量：ξ，η
を検出する変位検出手段と、上記回転角決定手段により決定される非接触プローブの
回転角：α、上記変位検出手段により決定される変位
量：ξ，ηおよび上記非接触プローブにより検出される
上記基準定点と被測定表面との基準平面内におけるずれ
量：Δｒに基づき、測定物の、上記基準平面内における
被測定表面形状を演算により特定するとともに、測定プ
ロセスに従って、上記の非接触プローブ、プローブ回転
機構、回転角決定手段、２次元並進機構、変位検出手段
を制御する制御・演算手段とを有することを特徴とする
面形状測定装置。
【請求項２】請求項１記載の面形状測定装置において、２次元並進機構が、保持した測定物を、基準軸に直交し基準定点を通る回転
軸の回りに回転させる測定物回転機構と、この測定物回転機構による測定物の回転角：γを決定す
る第２の回転角決定手段とを有し、これら測定物回転機構、第２の回転角決定手段が制御・
演算手段により制御されることを特徴とする面形状測定
装置。
【請求項３】請求項２記載の面形状測定装置において、制御・演算手段が、回転角決定手段により決定される非
接触プローブの回転角：α、変位検出手段により決定さ
れる変位量：ξ，η、非接触プローブにより検出される
基準定点と被測定表面とのずれ量：Δｒおよび第２の回
転角決定手段により決定される回転角：γに基づき、測
定物の被測定表面の形状を演算により３次元的に特定す
ることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項４】請求項１または２または３記載の面形状測
定装置において、非接触プローブを基準定点を通り基準軸に直交する方向
へ変位させるプローブ変位手段を有し、このプローブ変位手段が制御・演算手段により制御され
ることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項５】請求項１または２または３または４記載の
面形状測定装置において、非接触プローブが、被測定表面の傾斜を検出する傾斜検
出機能を持ち、制御・演算手段が、上記検出された傾斜に応じてプロー
ブ回転機構を制御することを特徴とする面形状測定装
置。
【請求項６】請求項１または２または３または４記載の
面形状測定装置において、制御・演算手段が回転角決定手段を兼ね、測定物の既知
の被測定表面の形状に基づき非接触プローブの回転角：
αを決定することを特徴とする表面形状測定装置。