JP2000193441A - 偏心測定方法及び偏心測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非球面を有する光学系の各面の偏心を精度良
く測定することができる偏心測定方法及び偏心測定装置
を得ること。 【解決手段】 回転対称の測定面を回転対称の軸が回転
軸に一致するように装着し、可干渉性の２つの光束を該
測定面の見かけの曲率中心に集光し、交差させ、該測定
面の互いに異なった領域に入射させ、該測定面で反射し
た２つの光束を重ね合わせて干渉縞を形成し、該測定面
を該回転軸を中心に回転させたときに生じる該干渉縞情
報の変動を光検出手段で検出することによって、該測定
面の該回転軸に対する偏心量を求める偏心測定方法にお
いて、光路中に設けた光束整形手段により、該２つの光
束の波面を整形していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏心測定方法及び
偏心測定装置に関し、特にレンズ面や反射面、そして非
球面等の回転対称な光学部材の各面の曲率中心の基準と
なる軸（例えば光学系の光軸）からの隔たり、即ち偏心
を測定するのに好適なものである。特に非球面の偏心を
測定すのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レンズや光学部材等の偏心を
測定する偏心測定装置が種々提案されている。

【０００３】最近の光学系はそれを構成するレンズとし
て、球面レンズの他に非球面レンズが収差補正の点から
多用されている。球面レンズの場合は、球面が点対称で
ある性質を利用して、比較的容易な方法で偏心測定が可
能であった。

【０００４】しかし、非球面レンズの非球面において
は、径方向（半径方向）の大きさによりその微小な領域
における曲率中心位置が互いに異なる為に、球面レンズ
のような方法では、偏心測定をすることができない。

【０００５】ここで非球面の曲率中心位置とは、非球面
上の注目している径方向における微小な領域において、
面に垂直な円錐面を考えたときの円錐面の頂点であり、
この径方向の領域における曲率半径は、円錐面の頂点と
注目している径方向の点までの距離である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の偏心測定装置で
は、測定面として球面のときは容易に測定することがで
きるが、非球面のときは径方向により曲率中心位置が異
なる為に精度良く測定することができなかった。

【０００７】本発明は球面の他に非球面の偏心を容易に
且つ、高精度に測定することができる偏心測定方法及び
偏心測定装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の偏心測
定方法は、回転対称の測定面を回転対称の軸が回転軸に
一致するように装着し、可干渉性の２つの光束を該測定
面の見かけの曲率中心に集光し、交差させ、該測定面の
互いに異なった領域に入射させ、該測定面で反射した２
つの光束を重ね合わせて干渉縞を形成し、該測定面を該
回転軸を中心に回転させたときに生じる該干渉縞情報の
変動を光検出手段で検出することによって、該測定面の
該回転軸に対する偏心量を求める偏心測定方法におい
て、光路中に設けた光束整形手段により、該２つの光束
の波面を整形していることを特徴としている。

【０００９】請求項２の発明の偏心測定方法は、請求項
１の発明において、前記光束整形手段は平行平面板を有
していることを特徴としている。

【００１０】請求項３の発明の偏心測定方法は、請求項
１の発明において、前記光束整形手段は光学ウエッジを
有していることを特徴としている。

【００１１】請求項４の発明の偏心測定方法は、請求項
１の発明において、前記光束整形手段は回折光学素子を
有していることを特徴としている。

【００１２】請求項５の発明の偏心測定方法は、請求項
１の発明において、前記光束整形手段は非球面レンズを
有していることを特徴としている。

【００１３】請求項６の発明の偏心測定方法は、請求項
１から５の発明において、前記２つの光束のうちの一方
の光束の光路中に設けたイメージローテータにより、該
一方の光束を１８０°回転させていることを特徴として
いる。

【００１４】請求項７の発明の偏心測定方法は、請求項
１又は６の発明において、前記光束整形手段は平行平面
板，光学ウエッジ，回折光学素子，そして非球面レンズ
のうちの少なくとも２つを有していることを特徴として
いる。

【００１５】請求項８の発明の偏心測定装置は、請求項
１から７のいずれか１項記載の偏心測定方法を利用して
いることを特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の要部
概略図である。図中、３０はレーザ光源、２はレーザ光
源３０からの光束、１２は光束２を二つの光束２ａ，２
ｂに分割するハーフミラーと全反射ミラーとを有する光
束分割手段である。

【００１７】１７は２光束２ａ，２ｂのパワーを変動さ
せるズーム光学系、１は光束整形手段であり、波面を整
形している。１１は２光束集光交差横構、１８は２光束
を再び重ね合せるハーフミラー面と全反射ミラーとを有
する光束合成手段、１５ａ，１５ｂは変更手段であり、
光束を反射偏向している。

【００１８】１６は光束変更手段１５ａ，１５ｂを移動
させるスライド、３は被測定物の非球面である。４，５
は被測定物３の上面と下面である。上面４は非球面より
成り、下面５は球面より成っている。６は被測定面４の
領域４ａ，４ｂの曲率中心位置である。

【００１９】８は被測定物３を保持回転させる保持回転
手段、９は保持回転手段８の回転方位を検出する回転方
位（回転角）検出手段、１０は回転軸、１３は光検出手
段、１４は演算手段である。

【００２０】図１の装置構成による作用について説明す
る。被測定物３は保持回転手段８に、被測定物３の光軸
４ｃと保持回転手段８の回転軸１０が概ね一致するよう
に設置される。

【００２１】光源であるレーザー３０からの光束２は、
光束分割素子１２により、互いに可干渉性のある２つの
光束２ａ，２ｂに分割される。これら２光束は、焦点距
離可変のズーム光学系１７により、それぞれ、被測定面
４上の領域４ａ，４ｂにおいて、領域４ａ，４ｂの曲率
半径と２光束２ａ，２ｂの曲率が等しくなるように整形
され、光束整形手段１と光束合成手段１８を介して２光
束集光交差機構１１に向かう。

【００２２】２光束集光交差機構１１は紙面垂直な軸回
りに回転可能で、かつ、スライド１６上をｈ方向に移動
可能な偏向手段１５ａ，１５ｂより構成されている。

【００２３】２光束２ａ，２ｂは、２光束集光交差横構
１１内の偏向手段１５ａ，１５ｂを回転・移動させるこ
とにより、保持回転手段８に保持された被測定物３の被
測定面４の領域４ａ，４ｂの曲率中心位置６にほぼ集光
交差するように偏向される。

【００２４】２光束２ａ，２ｂが集光交差する位置は被
測定面４の領域４ａ，４ｂの曲率中心位置６にだいたい
一致しているので、被測定面４の領域４ａ，４ｂで反射
した２光束は、それまでの経路とほぼ同一光路を逆進し
て光束合成素子１８において重ね合わされ、干渉縞を生
じる。２光束の干渉縞は光検出手段１３で検出され、出
力信号が演算手段１４に送られる。

【００２５】光検出手段１３の出力信号を観測して、干
渉縞のコントラストが最大になるように２光束集光交差
機構１１の微調整を行えば、２光束２ａ，２ｂが集光交
差する位置は被測定面４の領域４ａ，４ｂの曲率中心６
にほぼ完全に一致させることができる。

【００２６】この状態で保持回転手段８を回転させると
被測定物３の回転に伴い、光検出手段１３からの出力信
号が変動するので、光検出手段１３の信号と回転方位検
出手段９からの信号を演算手段１４で処理することによ
って、被測定面４の偏心の大きさと方位を測定してい
る。

【００２７】次に本発明に係る偏心測定の原理について
詳述する。本発明は被測定物として非球面の偏心測定に
関して有効であるので、まず、図２に示した非球面の断
面概略図をもとに非球面の性質（形状）について説明す
る。

【００２８】図中、４は非球面、４ｃは非球面軸、４
ａ，４ｂは非球面４上の非球面軸４ｃを中心とする径方
向の輪帯状の微小な領域である。

【００２９】ここで、微小な領域４ａ，４ｂはレーザ光
が入射するときの該レーザ光のスポット径に相当し、そ
こでの曲率中心を求めることができる程度の大きさであ
る。

【００３０】４ｄは非球面４上の領域４ａ，４ｂに対応
する球面、６は球面４ｄの曲率中心である。７は非球面
４上の注目している領域４ａ，４ｂにおける垂直な円錐
面の断面であり、領域４ａ，４ｂの一点から曲率中心６
までの長さは球面４ｄの曲率半径に相当している。

【００３１】図２に示すように、非球面は、径により異
なる曲率中心と曲率を持つ球面の集合であると見ること
ができる。非球面４上の径方向の領域４ａ，４ｂに注目
すると、領域４ａ，４ｂにおける垂直な円錐面７を考え
れば、円錐面７の頂点が、領域４ａ，４ｂを通過する球
面４ｄの曲率中心６に相当する。領域４ａ，４ｂを通過
する球面４ｄの曲率半径は、円錐面７の頂点６と注目し
ている領域４ａ，４ｂとの距離ということになる。

【００３２】非球面４の径方向の大きさｈにおける内接
球面の曲率半径ｒ（ｈ）は、回転対称な非球面の非球面
形状Ｘ（ｈ）を、

【００３３】

【数１】 として

【００３４】

【数２】 となる。

【００３５】ここで、ｈは非球面の径方向の大きさ、Ｒ
は近軸曲率半径、ｋは円錐係数、Ａ₃ ‥‥は非球面係
数、Ｘ′（ｈ）は非球面形状Ｘ（ｈ）のｈによる微分で
ある。

【００３６】このように、非球面では、異なる径におい
て、数式２に示したような曲率半径を持つ球面が考えら
れる。

【００３７】図２には有限個の径について、曲率中心６
ａ〜６ｄを示しているが、実際には、非球面４上の任意
の径に対してそれぞれ異なる曲率中心と曲率半径を持っ
た球面を想定できるので、非球面４の偏心を測定すると
きは、非球面を球面に分解して、 各球面の偏心を測定
することになる。

【００３８】そして、各球面の曲率中心位置は非球面軸
４ｃを形成するので、測定した各径の球面の曲率中心位
置により決定される直線が非球面軸４ｃということにな
る。

【００３９】図１は非球面上のある径に対応する球面の
偏心測定について示している。回転保持手段８上に置か
れ、回転軸１０を中心に回転している被測定物３の非球
面４の領域４ａ，４ｂにおける偏心測定、測定する径方
向の領域が決まれば、数式２により測定径に対応する球
面が決定する。

【００４０】領域４ａ，４ｂの場合は、対応する球面が
球面４ｄで、曲率中心が位置６である。この領域４ａ，
４ｂに対応する非球面４に、光源３０より射出され、光
束分割手段１２で可干渉性の二光束に分けられた光２
ａ，２ｂを照射している。

【００４１】このとき、二光束集光交差機構１１を調整
することで、領域４ａ，４ｂに対応する球面４ｄの曲率
中心位置６に集光交差するように、可干渉光束２ａ，２
ｂを入射させている。二光束２ａ，２ｂは非球面４の領
域４ａ，４ｂで反射して、ほぼ同一光路を逆進し、光束
合成素子１８で重ね合わせられ、干渉縞を形成し、光検
出手段１３で検出される。

【００４２】被測定物３は、回転軸１０を中心に回転し
ているので、領域４ａ，４ｂに対応する球面４ｄに偏心
がある場合は、重ね合わせによって形成される干渉縞が
変動する。

【００４３】回転角検出手段９で検出される回転軸の回
転角と干渉縞の変動を演算手段１４に入力することで、
回転軸１０に対する領域４ａ，４ｂにおける球面４ｄの
偏心、つまり、回転軸１０に対する球面４ｄ（即ち領域
４ａ，４ｂ）の曲率中心６のずれ量と方向が測定される
こととなる。

【００４４】同様にして、他の径の領域に対応する球面
に関しても、各球面の曲率中心位置で集光交差するよう
な二光束を照射して、各球面の曲率中心位置の回転軸１
０からのずれ量の測定を行うことで、非球面の各径の領
域における偏心を測定している。

【００４５】本実施形態の偏心測定装置において、被測
定物が非球面の場合には、被測定面４からの反射後の光
束の波面は球面波ではなくなり、２光束を重ね合せると
干渉縞の本数が多くなる。この為、被測定物３の回転に
伴う干渉縞の変動をモニタするのが難しくなる場合があ
る。

【００４６】このことを図３を用いて説明する。図３は
この図は非球面４上のある径３７に光束を照射した状態
を説明する図である。簡単のため光束２ａだけを図示し
ている。

【００４７】図中、３５と３６は光束２ａの有効領域の
境界を表わしており、３４は主光線を表わしている。

【００４８】６は非球面４の径３７における曲率中心位
置であり、光束２ａは曲率中心位置６に集光するよう
に、非球面４に照射されている。３１，３２は、非球面
４上の光束２ａの有効領域の境界３５，３６があたって
いるところにおける曲率中心位置である。１０は非球面
４の非球面軸である。

【００４９】光束２ａは径３７の曲率中心位置６に集光
するように図１のズーム光学径１７で整形されて被測定
面４に照射される。このとき、主光線３４は非球面４に
垂直入射するので、元来た光路をたどるが、光束２ａ内
のそれ以外のところは、例えば境界３５，３６のよう
に、非球面４に垂直に入射せず、反射後の光束は元来た
光路をたどらないことになる。このため、非球面４で反
射後の光束２ａは非球面４の形状に対応した非球面波と
なる。

【００５０】このことは、図３では不図示の光束２ｂで
も同様であり、光束２ｂの非球面反射後の波面も非球面
波となる。

【００５１】非球面で反射後、光束合成手段１８で重ね
合わされた２光束２ａ，２ｂの波面の模式図を図４に示
す。非球面反射後の２光束２ａ，２ｂの波面は非球面波
となり、かつ、互いに進行方向回りに１８０度回転した
状態となっている。このような２光束を干渉させると、
干渉縞の本数が非常に多数となる。このため、被測定物
３の回転に伴う干渉縞の変動を検出するのが難しくな
る。

【００５２】そこで本実施形態では、被測定面４の形状
に合わせて、平行平板や楔、非球面や回折光学素子、ま
たはイメージローテータ等より構成される光束整形手段
１により、光束の彼面を整形することで、被測定物が非
球面であっても干渉縞の本数を減らして高精度に偏心測
定を行っている。

【００５３】図５は本実施形態の光束整形手段１の要部
概略図である。図中、２０（２０ａ，２０ｂ）は平行平
板ガラスであり、紙面に垂直な軸回りに回転可能となっ
ている。

【００５４】ズーム光学系１７でパワーを持った２光束
２ａ、２ｂが、この平行平板２０を透過すると、コマ成
分を持つようになる。このコマ成分が非球面４で反射後
に生じるコマ成分と相殺する方向になるように平行平板
２０を回転させて波面を整形することで、２光束の干渉
縞の本数を低減させている。このことにより、被測定物
３の回転に伴う干渉縞の変動を高精度に検出することを
可能としている。

【００５５】図６は本発明の実施形態２に係る光束整形
手段１の要部概略図である。図中、２１（２１ａ，２１
ｂ）は光学ウエッジであり、各光束に付き複数個の光学
ウエッジが設置されている。

【００５６】各光学ウエッジ２１ａ，２１ｂは光束２
ａ，２ｂの回りに回転可能で、かつ紙面に垂直な軸回り
にも回転可能となっている。

【００５７】ズーム光学系１７を透過後の２光束２ａ，
２ｂが、複数枚からなる光学ウエッジ２１を透過する
と、コマ成分を持つようになる。このコマ成分が２光束
の非球面４で反射後に生じるコマ成分と相殺する方向に
なるように、ウエッジ２１を光束回りに回転させて、ウ
エッジ角度を調整し、かつ、ウエッジを紙面に垂直な軸
回りに回転させることで、波面を整形し、２光束の干渉
縞の本数を低減させている。

【００５８】このことにより、被測定物３の回転に伴う
干渉縞の変動を高精度に検出することを可能としてい
る。

【００５９】図７は本発明の実施形態３に係る光束整形
手段１の要部概略図である。

【００６０】図中、２２は回折光学素子である。被測定
面４で反射後の２光束２ａ，２ｂの波面が、光検出手段
１３の入射時にほぼ同一に近い状態になるように、回折
光学素子２２で２光束２ａ、２ｂの波面の整形を行う。

【００６１】これにより２光束の干渉縞の本数を低減さ
せている。これにより被測定物３の回転に伴う干渉縞の
変動を高精度に検出することを可能としている。

【００６２】図８は本発明の実施形態４に係る光束整形
手段１の要部概略図である。図中、２３は非球面レンズ
である。

【００６３】被測定面４で反射後の２光束２ａ，２ｂの
波面が、光検出手段１３において同一に近い状態になる
ように、非球面レンズ２３で２光束２ａ，２ｂの波面の
整形を行う。これにより２光束の干渉縞の本数を低減さ
せている。これにより、被測定物３に伴う干渉縞の変動
を検出することが可能となる。

【００６４】実施例１から４において、示した光束整形
手段は各図に示した実施形態に限るものではなく、例え
ば、平行平板、光学ウエッジ、回折光学素子、非球面レ
ンズ、さらには球面レンズ、光学プリズム等のうちから
少なくとも２つを任意組み合わせて、干渉縞の本数を軽
減させる構成としてもよい。

【００６５】また、図１の実施形態では、ズーム光学径
１７の後に光束整形手段１が設置されているが、光検出
手段１３において、被測定物３の回転に伴う干渉縞の変
動が観測できるならば、光束整形手段１はどこにあって
も構わない。

【００６６】すなわち、被測定面４への入射前の光束の
波面を整形してもよいし、反射後の波面を整形してもよ
い。また、入射前と反射後の両方において整形してもか
まわない。

【００６７】また、複数枚のレンズ面の測定時におい
て、被測定面が光学的に奥にある場合は、被測定物から
の戻り光は主にコマ成分を持った非球面波となる。この
ような場合でも、光検出手段１３において、反射した２
光束の干渉縞の本数が十分に小さくなるように、光束整
形手段１を調整して、偏心測定を行うことも可能であ
る。

【００６８】図９は本発明の実施形態５の要部概略図で
ある。図９は図１の構成において、光束整形手段１に加
え、像を１８０°回転させるイメージローテータ２４を
光束合致手段１８の光束２ａの側に設置した構成となっ
ているのが異なっており、その他の構成は同じである。

【００６９】非球面４からの反射後の２光束２ａ，２ｂ
は図４のように、光線の進む方向回りに互いに１８０度
回転した状態になっているので、イメージローテータ２
４により、光束の一方を１８０°回転させて、２光束２
ａ，２ｂの波面を一致させる。

【００７０】このことにより、２光束の波面が一致し、
干渉縞の本数を低減させている。これにより被測定物３
の回転に伴う干渉縞の変動をモニタすることを可能とし
ている。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば以上の構成により、球面
の他に非球面の偏心を容易に且つ、高精度に測定するこ
とができる偏心測定方法及び偏心測定装置を達成するこ
とができる。

【００７２】又本発明によれば、被測定物の形状に合わ
せて、平行平板や光学ウエッジ、非球面や回折光学素子
等より構成される光束整形手段を用いることにより、光
束の波面を整形することで、被測定物が非球面であって
も、干渉縞の本数を低減せしめ、高精度の偏心測定を可
能にしている。

【００７３】また、光束の一方にイメージローテータを
配置し、２光束の波面形状を同一とすることで、干渉縞
本数をさらに低減せしめ、よりＳ／Ｎ比の高い偏心測定
が可能な偏心測定方法及び偏心測定装置を達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の偏心測定装置の構成を示
す図

【図２】本発明に係る偏心測定方法の説明図

【図３】本発明に係る偏心測定方法の説明図

【図４】本発明に係る偏心測定方法の説明図

【図５】本発明の実施形態１に係る光束整形手段の説明
図

【図６】本発明の実施形態２に係る光束整形手段の説明
図

【図７】本発明の実施形態３に係る光束整形手段の説明
図

【図８】本発明の実施形態４に係る光束整形手段の説明
図

【図９】本発明の実施形態２の偏心測定装置の構成を示
す図

【符号の説明】

１ 光束整形手段 ２ 光束 ２ａ，２ｂ ２分割された光束 ３ 被測定物 ４ 被測定非球面 ５ 被測定物の保持面 ６ 被測定面の曲率中心位置 ８ 保持回転手段 ９ 回転方位検出手段 １０ 回転軸 １１ ２光束集光交差機構 １２ 光束分割手段 １３ 光検出手段 １４ 演算手段 １５ａ，１５ｂ 偏向手段 １６ａ 一軸スライド １７ ズーム １８ 光束合成手段 ２０ 平行平板 ２１ 光学ウエッジ ２２ 回折光学素子 ２３ 非球面レンズ ２４ イメージローテータ ３０ レーザー光源 ３１ 曲率中心位置 ３２ 曲率中心位置 ３４ 光束２ａの主光線 ３５ 光束２ａの境界 ３６ 光束２ａの境界 ３７ 非球面４上の主光線３４の入射位置 ４１ 非球面 ４２ 非球面軸 ４３ 曲率半径 ４４ 非球面上の一つの径 ４５ 内接球面 ４６ 径４４の曲率中心位置 １０３ 被測定物 １０４ 被測定物の被測定面 １０５ 被測定物の反対側の面 １０６ 被測定面１０４の曲率中心位置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転対称の測定面を回転対称の軸が回転
   軸に一致するように装着し、可干渉性の２つの光束を該
   測定面の見かけの曲率中心に集光し、交差させ、該測定
   面の互いに異なった領域に入射させ、該測定面で反射し
   た２つの光束を重ね合わせて干渉縞を形成し、該測定面
   を該回転軸を中心に回転させたときに生じる該干渉縞情
   報の変動を光検出手段で検出することによって、該測定
   面の該回転軸に対する偏心量を求める偏心測定方法にお
   いて、光路中に設けた光束整形手段により、該２つの光
   束の波面を整形していることを特徴とする偏心測定方
   法。
2. 【請求項２】 前記光束整形手段は平行平面板を有して
   いることを特徴とする請求項１の偏心測定方法。
3. 【請求項３】 前記光束整形手段は光学ウエッジを有し
   ていることを特徴とする請求項１の偏心測定方法。
4. 【請求項４】 前記光束整形手段は回折光学素子を有し
   ていることを特徴とする請求項１の偏心測定方法。
5. 【請求項５】 前記光束整形手段は非球面レンズを有し
   ていることを特徴とする請求項１の偏心測定方法。
6. 【請求項６】 前記２つの光束のうちの一方の光束の光
   路中に設けたイメージローテータにより、該一方の光束
   を１８０°回転させていることを特徴とする請求項１か
   ら５のいずれか１ 項の偏心測定方法。
7. 【請求項７】 前記光束整形手段は平行平面板，光学ウ
   エッジ，回折光学素子，そして非球面レンズのうちの少
   なくとも２つを有していることを特徴とする請求項１又
   は６の偏心測定方法。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか１ 項記載の
   偏心測定方法を利用していることを特徴とする偏心測定
   装置。