JP2002116018A

JP2002116018A - 球面形状測定装置

Info

Publication number: JP2002116018A
Application number: JP2000310020A
Authority: JP
Inventors: Norio Kimura; 紀夫木村; Yoshinori Murasugi; 芳徳村杉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物を複数の位置で測定した複数の測定
データを演算処理することによって測定値の信頼性を向
上させ、高精度な球面形状の測定を可能にする。【解決手段】被測定物Ｗの球面に当接するように配設
されたリング５と、リング５の下面側から突出する軸方
向へ移動自在な測定子６を備える電気マイクロ９と、リ
ング５の上方部位に上下方向へ移動自在に配設され被測
定物Ｗを一定の測定圧で加圧する加圧手段Ｐと、電気マ
イクロ９から送信される被測定物Ｗに関する複数の測定
データを蓄積するとともに該複数の測定データを演算処
理して平均化しその結果を代表値として出力する演算処
理装置３０とを具備し、被測定物Ｗを回転させて測定位
置を変えて３箇所以上での測定を行い、複数の測定デー
タを演算処理して平均化することによって、測定値のば
らつきを０．５μｍ程度以下とすることができ、高精度
な球面形状の測定を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、凹球面または凸球
面を有する光学レンズ等の被測定物の球面形状を測定す
る球面形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、凹球面や凸球面を有する光学レン
ズ等の被測定物の球面形状の測定には、図４に示すよう
な簡易球面計が一般に用いられている。図４において、
簡易球面計１００は、一端側に開放部１０１ａを有する
円筒状のリング１０１と、リング１０１の底壁部１０１
ｂに固定部材１０４を介して取り付けられたダイヤルゲ
ージ１０２と、軸方向に移動自在な測定子１０３を備え
ている。

【０００３】この種の簡易球面計１００の測定原理を、
凸球面を有する被測定物の球面形状を測定する場合を例
に挙げて説明する。

【０００４】（１）図４の（ａ）に示すように、マスタ
ーゲージとなる球面原器Ｗｏに簡易球面計１００のリン
グ１０１の開放部１０１ａの内周縁部および測定子１０
３を押し当てて、ダイヤルゲージ１０２の目盛りの０点
調整を行う。

【０００５】（２）次いで、図４の（ｂ）に示すよう
に、球面原器Ｗｏに代えて被測定物Ｗに０点調整を行っ
た簡易球面計１００のリング１０１の開放部１０１ａの
内周縁部および測定子１０３を押し当てて、ダイヤルゲ
ージ１０２の目盛りを読み取る。すなわち、ダイヤルゲ
ージ１０２の目盛りには、被測定物Ｗとリング１０１と
の接触点１０７で形成される円断面に対する被測定物Ｗ
の頂点と測定子１０３との接触点１０８の高さＹと、球
面原器Ｗｏとリング１０１との接触点１０５で形成され
る円断面に対する球面原器Ｗｏの頂点と測定子１０３と
の接触点１０６の高さＸとの差Ｚ（＝Δｈ）が表れる。

【０００６】ここで、Ｙ−Ｘ＝＋Ｚの場合は、凸球面形
状が小さいことを示し、Ｙ−Ｘ＝−Ｚの場合は、凸球面
形状が大きいことを示す。

【０００７】なお、凹球面の場合は、リング１０１の開
放部１０１ａの外周縁部が、凹球面に当接される点が、
前述した凸球面の場合と異なるだけであるので、その説
明は省略する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の技術では、簡易球面計を片方の手で把持すると
ともに、被測定物を他方の手に把持して、両者を互いに
押し付けて測定を行うため、測定を繰り返すたびに、リ
ングと被測定物とを互いに押し付ける力すなわち測定圧
が変動することは避けられず、この測定圧の変動に起因
して、リングまたは被測定物の変形量が変動して測定値
にばらつきが発生する。また、被測定物の表面には微少
な凹凸があるが、前述した測定圧の変動に起因して、リ
ングと被測定物との接触点における被測定物表面の損傷
程度が変動し、測定値にばらつきが発生する。加えて、
測定作業者が異なる場合には、前記測定圧には個人差が
生じるために測定値に個人差が生じる。このような測定
圧の変動や個人差による測定値のばらつきは１．０μｍ
〜５．０μｍとなる。

【０００９】このような問題点を解決するために、本出
願人は、特開平９−８９５０８号公報（特願平７−２７
１９２６号）において、球面形状定圧測定装置を提案し
ている。この球面形状定圧測定装置によれば、前述した
測定圧の変動や個人差による測定値のばらつきに関する
問題点を解決することができる。しかしながら、前記の
球面形状定圧測定装置は、被測定物の測定表面の形状に
生じるうねりや段等が０．５μｍより小さいものであっ
て精研削や研磨加工レンズ等の被測定物においては前記
のような問題点を解決することができるが、粗摺りレン
ズ等においては、被測定物の測定表面の形状に生じるう
ねりや段が１μｍを超えるものがあり、このような被測
定物においてはその測定位置により測定値にばらつきが
生じる。この測定値のばらつきは０．５μｍ〜５．０μ
ｍとなり、どの測定値を正しい値として取るか判別でき
ず、０．５μｍ程度の高い精度が要求される光学レンズ
粗摺り加工時等における球面形状の測定には用いること
ができないという問題点があった。

【００１０】そこで、本発明は、前述した従来技術の有
する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、被測
定物の球面を複数の位置で測定し、測定された複数の測
定データを演算処理することによって測定値の信頼性を
向上させ、高精度な球面形状の測定を可能にする球面形
状測定装置を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の球面形状測定装置は、被測定物の球面に当
接される開放部を上向きにして配設されたリングと、該
リングの下面側から前記開放部へ向かって突出する軸方
向へ移動自在な測定子を備え、前記リングの下方部位に
配設された微小変位計と、前記リングの上方部位に上下
方向へ移動自在に配設された加圧手段と、前記微小変位
計により被測定物の複数の位置で測定された複数の測定
データを蓄積するとともに該複数の測定データを演算処
理してその結果を代表値として出力する演算処理装置と
を具備することを特徴とする。

【００１２】本発明の球面形状測定装置において、前記
演算処理装置は、被測定物に関する複数の測定データを
平均化しその結果を代表値として出力することが好まし
い。

【００１３】本発明の球面形状測定装置において、被測
定物に関する複数の測定データは、該被測定物の測定位
置を３箇所以上変えて測定された測定データであること
が好ましい。

【００１４】本発明の球面形状測定装置において、前記
加圧手段は、前記リング上に載置される被測定物に一定
の測定圧を加えるための重りが交換自在に取り付けられ
ることが好ましい。

【００１５】

【作用】本発明によれば、開放部を上向きにして配設さ
れたリング上に球面を下向きにして載置した被測定物に
対し加圧手段による重力で被測定物を押圧し、加圧手段
の重量によって定まる一定の測定圧を加えた状態で被測
定物の球面形状を測定することができ、測定作業者が変
わっても個人差をなくすことができ、さらに、被測定物
を回転させて測定位置を変えて３箇所以上での測定を行
い、各測定データを演算処理して平均化し、その結果を
代表値とすることによって、測定値のばらつきを０．５
μｍ程度以下とすることができ、高精度な球面形状の測
定を可能にする。

【００１６】

【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。

【００１７】図１は、本発明に係る球面形状測定装置の
概略的な正面図であり、図２および図３は、本発明に係
る球面形状測定装置により球面原器および被測定物を測
定する手順を示す説明図である。

【００１８】図１に図示する球面形状測定装置におい
て、ベース１上には下部支柱２が立設されており、下部
支柱２の上端には前方へ突出する支持台３が一体的に設
けられ、支持台３の自由端近傍に形成された取付孔３ａ
には、リング取付台４の小径部（不図示）が着脱自在に
嵌挿されており、支持台３の先端面に螺合されるセット
ねじ４ａの先端をリング取付台４の小径部（不図示）に
当接させることにより、リング取付台４は支持台３に固
定されている。

【００１９】リング取付台４の上端面には、被測定物Ｗ
の球面に当接される開放部を上向きにしたリング５がね
じ等の手段により着脱自在に取り付けられ、リング取付
台４を貫通する中心孔には、後述する電気マイクロ９の
測定子６が遊嵌される。

【００２０】支持台３の下方部位の下部支柱２の前面に
は、スライドテーブル７が図示しないガイドを介して上
下動自在に配設されており、スライドテーブル７に突設
されたホルダ８には、リング５の下面側から開放部へ向
かって突出する軸方向に移動自在の測定子６を備えた電
気マイクロ９が支持されている。また、スライドテーブ
ル７の側面には当接部材７ａが突設され、この当接部材
７ａの下面には下部支柱２に突設されたブラケット１０
に支持されたマイクロメータ１１の軸部材１１ａの先端
面が当接されている。これにより、マイクロメータ１１
の軸部材１１ａを伸縮させてスライドテーブル７を上下
方向へ移動させることができ、リング５上に載置される
被測定物Ｗの球面に対する測定子６の高さを適宜位置決
めすることができるように構成されている。つまり、微
小変位計である測定子６を有する電気マイクロ９は、上
下方向へ移動自在な位置決め手段によって支持されてお
り、測定子６の上下方向の位置を被測定物Ｗの球面形状
に対応して変更できるように構成されている。

【００２１】電気マイクロ９は、測定子６の変位を電気
信号に変換して該電気信号をデータ処理及び表示装置２
０に伝達し、データ処理及び表示装置２０は伝えられた
電気信号を処理して測定子６の微小変位をその表示部に
表示する。また、データ処理及び表示装置２０は、変位
値に処理した測定データを外部からの命令により送出で
きる機能も備えており、演算処理装置３０に接続されて
いる。

【００２２】演算処理装置３０は、外部に押しボタンで
あるスイッチ（Ｓｗ₁ ）３１とスイッチ（Ｓｗ₂ ）３２
を有し、スイッチ（Ｓｗ₁ ）３１と（Ｓｗ₂ ）３２が押
されると入出力部（Ｉ／Ｏ）３３を介して中央演算部
（ＣＰＵ）３４にその信号が伝達される。なお、スイッ
チ（Ｓｗ₁ ）３１は測定データを蓄積するための指令を
出すスイッチであり、スイッチ（Ｓｗ₂ ）３２は蓄積さ
れた測定データの演算処理を開始させるための指令を出
すためのスイッチである。中央演算部（ＣＰＵ）３４
は、予め定められた動作命令が書き込まれている読み出
し専用メモリ（ＲＯＭ）３５からの命令を受け、それに
従って入出力部（Ｉ／Ｏ）３７を介しデータ処理及び表
示装置２０へ命令を送り測定データを読み込む。また、
演算処理装置３０は、各種データに関して読み書き可能
なメモリ（ＲＡＭ）３６を用いて演算処理を行い、その
結果を表示ドライバ３８によって液晶等からなる表示部
３９に表示するように構成されている。

【００２３】支持台３上に立設された上部支柱１２に
は、支持台３から上方へ所定の間隔をおいた部位に加圧
手段Ｐを上下動自在に支持するためのスライド軸支持部
材１８が支持台３とほぼ平行して突出されている。

【００２４】加圧手段Ｐは、スライド軸支持部材１８の
自由端近傍部位に摩擦抵抗が微小であるボールスプライ
ン（不図示）を介して上下動自在に支持されたスライド
軸１３と、スライド軸１３の下端に着脱可能に取り付け
られ、下端面側から突出する小径の当接部１５を有する
加圧ヘッド１４と、スライド軸１３の上部に一体的に設
けられた頭部部材１６と、頭部部材１６の上面から上方
へ突出する小径部（不図示）に交換自在に嵌挿されるリ
ング状の重り１７とから構成されている。なお、リング
状の重り１７は、複数個の重量の異なる重りを準備して
おき、被測定物に対応する重量の重りを選択して加圧手
段Ｐに取り付けることにより、一定の押圧力（測定圧）
を得ることができる。また、加圧ヘッド１４には加圧手
段Ｐを上下させるために把持するためのハンドル１４ａ
が取り付けられている。さらに、加圧手段Ｐには、頭部
部材１６に枢軸１９ａを介して回動自在に枢支された棒
状のストッパ１９を設け、スライド軸１３を上方位置に
引き上げてストッパ１９を図１に示すようにスライド軸
１３と平行するように直立させると、ストッパ１９の自
由端（下端面）がスライド軸支持部材１８の上面に当接
し、スライド軸１３が自由落下しないようにロックする
ロック手段が設けられている。

【００２５】次に、以上のように構成される球面形状測
定装置を用いて凸球面を有する被測定物の球面を測定す
る手順について、図２および図３をも参照して説明す
る。

【００２６】（１）図２の（ａ）に示すように、加圧ヘ
ッド１４に突設されたハンドル１４ａを把持して加圧手
段Ｐを上方へ引き上げ、ストッパ１９を直立させて加圧
手段Ｐが落下しないようにロックし、頭部部材１６の小
径部に所定の重量を有するリング状の重り１７を嵌挿し
て取り付ける。

【００２７】（２）その後、マイクロメータ１１を作動
させて電気マイクロ９を保持するスライドテーブル７を
上下方向に移動させ、電気マイクロ９の測定子６の上下
方向の位置を調整して、測定子６を適宜の高さに位置決
めするとともに、図２の（ｂ）に示すように、球面原器
Ｗｏをその凸球面を下向きにしてリング５上に載置す
る。

【００２８】（３）ストッパ１９を枢軸１９ａを支点と
して回動させてロックを解除し、ハンドル１４ａを把持
して加圧手段Ｐを下降させ、加圧ヘッド１４の当接部１
５の下端面を球面原器Ｗｏの裏面に当接させてハンドル
１４ａから手を離す。これにより、図２の（ｃ）に示す
ように、重り１７の重量によって定まる一定の押圧力
（測定圧）によって球面原器Ｗｏがリング５に押し付け
られ、球面原器Ｗｏは、第１の接触点Ｔ₁ でリング５に
当接するとともに、第２の接触点Ｔ₂ で測定子６に当接
する。このとき、測定子６の微小変位は、電気マイクロ
９により電気信号に変換されて、該電気信号は、測定デ
ータとして、電気マイクロ９に接続されたデータ処理及
び表示装置２０に伝達され、データ処理及び表示装置２
０は伝えられた電気信号を処理して測定子６の微小変位
をその表示部に表示する。

【００２９】そして、上述した従来の簡易球面計と同様
に、第１の接触点Ｔ₁ で形成される円断面に対する第２
の接触点Ｔ₂ の高さＸに対するデータ処理及び表示装置
２０の表示について目盛りの０点調整を行う。

【００３０】（４）その後、ハンドル１４ａを把持して
加圧手段Ｐを上方へ引き上げるとともに、ストッパ１９
を直立状態にして加圧手段Ｐが落下しないようにロック
し、次いで、図３の（ａ）に示すように、リング５より
球面原器Ｗｏを取り外す。

【００３１】（５）そして、図３の（ｂ）に示すよう
に、被測定物Ｗをその凸球面を下向きにしてリング５上
に載置する。

【００３２】（６）その後、ストッパ１９を枢軸１９ａ
を支点として回動させてロックを解除し、ハンドル１４
ａを把持して加圧手段Ｐを下降させ、加圧ヘッド１４の
当接部１５の下端面を被測定物Ｗの裏面に当接させてハ
ンドル１４ａから手を離す。これにより、図３の（ｃ）
に示すように、重り１７の重量によって定まる一定の押
圧力（測定圧）によって被測定物Ｗがリング５に押し付
けられ、被測定物Ｗは、第１の接触点Ｔ₁ でリング５に
当接するとともに、第２の接触点Ｔ₂ で測定子６に当接
し、第１の接触点Ｔ₁ で形成される円断面に対する第２
の接触点Ｔ₂ の高さＹを測定する。このとき、上記
（３）によってデータ処理及び表示装置２０は目盛りの
０点調整が行われているため、該データ処理及び表示装
置２０の表示部には、前述した従来の簡易球面計と同様
に、ＹとＸとの差Ｚ（＝Δｈ）が表示される。

【００３３】（７）上記（６）で測定データＺがデータ
処理及び表示装置２０の表示部に表示された時点で、ス
イッチ（Ｓｗ₁ ）３１を押すと、Ｓｗ₁ ３１が押された
ことを示す信号がＩ／Ｏ３３を介しＣＰＵ３４に伝達さ
れる。ＣＰＵ３４は、予めプログラムされた命令を保持
するＲＯＭ３５からの命令によってＳｗ₁ ３１が押され
たことを検知する。このようにＳｗ₁ ３１が押されたこ
とを検知したＣＰＵ３４は、ＲＯＭ３５の命令に従っ
て、Ｉ／Ｏ３７からデータ処理及び表示装置２０に現在
の測定データＺを出力するように命令を出し、この命令
を受け取ったデータ処理及び表示装置２０は測定データ
Ｚを出力する。この測定データＺはＩ／Ｏ３７を介して
ＣＰＵ３４に取り込まれ、ＲＡＭ３６に一時蓄積され
る。

【００３４】（８）続いて、加圧手段Ｐを上方に引き上
げ、被測定物Ｗを一定角度だけ回転させて、上記（６）
の処理を行い、同様に測定する。

【００３５】（９）さらに、上記（７）の処理を行い、
新たな測定データＺをＲＡＭ３６に蓄積する。

【００３６】（１０）同様に、上記（８）および（９）
を繰り返し、少なくとも１２０度程度毎に回転させて３
箇所あるいはそれ以上の箇所で測定して、各測定データ
ＺをＲＡＭ３６に蓄積する。

【００３７】（１１）少なくとも３箇所での測定データ
Ｚを取得した後に、スイッチ（Ｓｗ ₂ ）３２を押すと、
Ｓｗ₂ ３２が押されたことを示す信号がＩ／Ｏ３３を介
してＣＰＵ３４に伝達され、ＣＰＵ３４は、ＲＯＭ３５
の命令に従い、ＲＡＭ３６に蓄積されている複数の測定
データＺ（＝Δｈ）を取り出し、これらの測定データＺ
を演算処理して平均化し、この値をもって当該被測定物
の代表値とする。この演算処理して得られた代表値は表
示ドライバ３８を介して表示部３９に表示される。この
ように、被測定物の複数の位置で測定して得られた複数
の測定データを演算処理して平均化し、これを代表値と
することにより、被測定物の測定値のばらつきを少なく
して、高精度に球面形状の測定を行うことが可能とな
る。

【００３８】なお、演算処理装置３０は、複数の測定デ
ータの平均値を演算処理するとともに、これらの複数の
測定データの最大最小値、ばらつき値、標準偏差等も演
算処理することができ、これらの演算処理の結果をドラ
イバ３８を介して表示部３９に適宜表示することができ
ることはいうまでもない。

【００３９】次に、本発明の球面形状測定装置を用いて
複数のレンズについて前述したように測定処理した際の
具体例を表１、表２および表３を用いてさらに説明す
る。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】表１は、レンズ（１）〜（４）についてそ
れぞれ任意の位置で１０回測定した際の測定値を示し、
表１における「平均（ａ）」は各レンズにおける１０回
の測定値の平均値を示し、同じく「範囲（ｂ）」は各レ
ンズにおける１０回の測定値の最大と最小の差を示し、
同じく「偏差（ｃ）」は各レンズの１０回測定での標準
偏差を示す。また、ダン・クセ等の量は、レンズ（１）
が２μｍ、レンズ（２）が１．５μｍ、レンズ（３）が
２．５μｍ、レンズ（４）が１．５μｍであった。表１
から、「範囲（ｂ）」が０．７μｍ以上あり、測定の再
現性が悪いことが分かる。

【００４４】表２は、表１に示す１０回の測定値におい
て、１〜３回、４〜６回、７〜９回の各３回分の測定値
をそれぞれ平均化したものであって、ここでの「範囲
（ｇ）」は、１〜３回の平均値と４〜６回の平均値と７
〜９回の平均値の最大と最小の差である。このように表
２と表１において、各３回の測定値を平均すれば、それ
らの間にはばらつきが少なく、０．５μｍ程度以下とな
ることが分かり、精度の良い測定ができることが分か
る。

【００４５】また、表３は、表２の１〜３回の平均値
（ｄ）と表１の１０回の平均値（ａ）との差、４〜６回
の平均値（ｅ）と表１の１０回の平均値（ａ）との差、
７〜９回の平均値（ｆ）と表１の１０回の平均値（ａ）
との差を表したものであり、これらの各値は１０回の平
均値（ａ）に対して略０．３μｍ以下となる。

【００４６】このように、少なくとも３回の測定値Ｚ
（＝Δｈ）を平均化することで、１０回測定の平均値と
ほぼ同一となり、また、各平均値間のばらつきは小さ
く、精度の良い測定が可能であることが分かる。

【００４７】なお、凹球面を有する被測定物の場合は、
リング５の開放部の外周縁部が凹球面に当接する点のみ
が上述した凸球面の場合と異なるだけであるので、その
説明は省略する。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定物を回転させて測定位置を変えて３箇所以上での
測定を行い、得られた測定データを演算処理することに
よって平均化することで、測定値のばらつきを０．５μ
ｍ程度以下とすることができ、高精度の球面形状の測定
を可能にする。さらに、開放部を上向きにして配設され
たリング上に球面を下向きに載置した被測定物に対し加
圧手段による重力で被測定物を押圧し、加圧手段の重量
によって定まる一定の測定圧を加えた状態で被測定物の
球面形状を測定することができ、測定作業者が変わって
も個人差をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る球面形状測定装置の概略的な正面
図である。

【図２】図１に図示する球面形状測定装置により球面原
器を測定する手順を示す説明図である。

【図３】図１に図示する球面形状測定装置により被測定
物を測定する手順を示す説明図である。

【図４】従来の簡易球面計の構成とその測定原理を説明
する概略図である。

【符号の説明】

Ｗ被測定物Ｗｏ球面原器１ベース２下部支柱３支持台４リング取付台５リング６測定子７スライドテーブル９電気マイクロ１１マイクロメータ１２上部支柱１３スライド軸１４加圧ヘッド１４ａハンドル１５当接部１６頭部部材１７重り１８スライド軸支持部材１９ストッパ２０データ処理及び表示装置３０演算処理装置３１、３２スイッチ（Ｓｗ₁ 、Ｓｗ₂ ）３３Ｉ／Ｏ３４ＣＰＵ３５ＲＯＭ３６ＲＡＭ３７Ｉ／Ｏ３８表示ドライバ３９表示部Ｐ加圧手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物の球面に当接される開放部を上
向きにして配設されたリングと、該リングの下面側から
前記開放部へ向かって突出する軸方向へ移動自在な測定
子を備え、前記リングの下方部位に配設された微小変位
計と、前記リングの上方部位に上下方向へ移動自在に配
設された加圧手段と、前記微小変位計により被測定物の
複数の位置で測定された複数の測定データを蓄積すると
ともに該複数の測定データを演算処理してその結果を代
表値として出力する演算処理装置とを具備することを特
徴とする球面形状測定装置。
【請求項２】前記演算処理装置は、被測定物に関する
複数の測定データを平均化しその結果を代表値として出
力することを特徴とする請求項１記載の球面形状測定装
置。
【請求項３】被測定物に関する複数の測定データは、
該被測定物の測定位置を３箇所以上変えて測定された測
定データであることを特徴とする請求項１または２記載
の球面形状測定装置。
【請求項４】前記加圧手段は、前記リング上に載置さ
れる被測定物に一定の測定圧を加えるための重りが交換
自在に取り付けられることを特徴とする請求項１ないし
３のいずれか１項に記載の球面形状測定装置。