JP2005265586A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物の位置調整を高精度に行うことによって、測定再現性と生産効率の向上を図ることができる干渉計を提供すること。
【解決手段】 干渉計１は，レーザ光源ユニット３と、測定基準とされる基準面２ａと、レーザ光源ユニット３からの光を基準面２ａ方向に反射及び基準面２ａからの反射光を透過させるビームスプリッタ７と、基準面２ａからの反射光と測定対象とされる被検レンズ５からの反射光との間で生じる干渉縞を撮像する干渉縞撮像ユニット６と、干渉縞を解析する干渉縞解析装置８とを備えて光学部品の面形状や透過波面特性を測定する干渉計であって、被検レンズ５をＸＹＺの３軸方向に移動させる粗動機構１３と、干渉縞解析装置の解析結果に基づき、粗動機構１３よりも高精度に被検レンズ５をＸＹＺの３軸方向に移動させる微動機構１５とを有する被検レンズ保持ステージ１０を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、干渉計に関する。

干渉計の構成として、図３に示すように、同一の光軸Ｃ上に配置された、基準レンズ１０１、コリメータレンズ１０２、ビームスプリッタ１０３、及び、干渉縞観察手段１０４と、ビームスプリッタ１０３の側方に光軸Ｃと直交する位置に配されたレーザ光源系１０５とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
このような干渉計を用いて被検レンズ１０７の面形状や透過波面特性を測定する場合、まず、被検面１０７ａを基準レンズ１０１側にし、レンズ保持機構１０８にて３点で保持する。この状態で、基準レンズ１０１の焦点位置と被検レンズ１０７の被検面１０７ａとの局率中心とが一致するように位置調整する。

この状態で、レーザ光源系１０５より出射した可干渉光をビームスプリッタ１０３、コリメータレンズ１０２を通過させ、基準レンズ１０１に照射する。ここで、一部の可干渉光は基準レンズ１０１面で反射し、その他は、基準レンズ１０１を通過して、被検レンズ１０７の被検面１０７ａに照射される。被検面１０７ａによる反射光と基準レンズ１０１による反射光によって、被検面１０７ａの面形状に応じた干渉縞が発生する。発生した干渉縞を干渉縞観察手段１０４を通じて観察者が観察する。

この干渉計によれば、被検レンズ１０７をレンズ保持機構１０８で３点保持することで、被検レンズ１０７の自重でレンズ位置を安定させることができる。したがって、被検レンズ１０７と基準レンズ１０１との相対位置を一度調整しておくことによって、その後は位置調整する必要がなく、同一種の被検レンズ１０７を連続的に測定することができる。
特開平６−３２１９号公報（第１図）

しかしながら、近年、被検レンズの高精度化やレンズ系や曲率の小径化に伴い、被検レンズの位置調整バラツキによる測定誤差が増加してきたために、より精密な位置調整をする必要が生じている。にもかかわらず、上記従来の干渉計では、熟練作業者が測定結果に含まれる位置調整誤差の値を見て位置調整した後、再度測定をするという作業を何度も繰り返すことになり、位置調整に要する時間が増加して、実質的な測定時間よりも位置調整に要する時間のほうが長くなってしまい、作業効率が上がらないという問題がある。また、多品種の被検レンズを測定する場合に品種変更毎に被検レンズの位置調整を行う必要がある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、被検物の位置調整を高精度に行うことによって、測定再現性と生産効率との向上を図ることができる干渉計を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る干渉計は、可干渉光源系と、測定基準とされる基準面と、前記可干渉光源系からの光を前記基準面方向に反射及び基準面からの反射光を透過させる光路分岐手段と、前記基準面からの反射光と測定対象とされる被検物からの反射光との間で生じる干渉縞を撮像する干渉縞撮像手段と、前記干渉縞を解析する干渉縞解析手段とを備えて光学部品の面形状や透過波面特性を測定する干渉計であって、前記被検物をＸＹＺの３軸方向に移動させる粗動機構と、前記干渉縞解析手段の解析結果に基づき、前記粗動機構よりも高精度に前記被検物をＸＹＺの３軸方向に移動させる微動機構とを有する被検物保持機構を備えていることを特徴とする。

この干渉計は、被検物保持機構の粗動機構によって干渉縞が観察できるように被検物の位置をある程度調整して、基準面と被検物との干渉縞を観察することができる。そして、これによって基準面と被検物との位置ずれ量を定量的に算出することができ、干渉縞解析手段と連動した微動機構によって、位置ずれ量をなくす方向に被検物を高精度に移動することができる。

また、本発明に係る干渉計は、前記干渉計であって、前記微動機構が、圧電素子を備え、所定時間以上の間前記干渉縞解析手段からの動作指令がない場合に、前記圧電素子への印加電圧を停止、若しくは、圧電素子の定格電圧よりも低い電圧とする電圧制御手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明に係る干渉計は、前記干渉計であって、前記印加電圧が、前記定格電圧の２０％以下であることが好ましい。
この干渉計は、圧電素子によって被検物を移動させるので、印加電圧の調整によって高精度に移動させることができる。また、所定時間で電圧供給を停止、若しくは、定格電圧よりも十分低い電圧とすることによって、圧電素子を長寿命として干渉計の寿命を長くすることができる。

本発明によれば、熟練作業者が行っている位置調整と測定との繰り返し作業を大幅に削減することができ、測定再現性と生産効率とを向上させることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る干渉計１は、干渉縞測定の基準となる基準面２ａを有する参照レンズ２と、可干渉性の高いレーザ光源から出射される光から収差分を取り除いて所定の光束径の可干渉光を出射するレーザ光源ユニット（可干渉光源系）３と、基準面２ａと測定対象となる被検レンズ（被検物）５の被検面５ａとによって発生する干渉縞を画像データに変換する干渉縞撮像ユニット（干渉縞撮像手段）６と、レーザ光源ユニット３から出射されたレーザ光を参照レンズ２方向に折り曲げて反射するとともに、参照レンズ２方向からの反射光（干渉縞）を干渉縞撮像ユニット６方向に透過するビームスプリッタ（光路分岐手段）７と、干渉縞を解析する計算処理部８ａを有する干渉縞解析装置（干渉縞解析手段）８と、被検レンズ５を保持してＸＹＺの３軸方向に移動させる被検レンズ保持ステージ（被検物保持機構）１０と、干渉縞解析装置８の解析結果及び指示に連動して参照レンズ２を移動させる参照レンズ微動ユニット１１とを備えている。
被検レンズ５と参照レンズ２とビームスプリッタ７と干渉縞解析装置８とは、光軸Ｃ上に配設されている。
なお、光軸Ｃ方向をＺ軸とし、Ｚ方向に直交する平面を形成する軸をＸＹ軸とする。

レーザ光源ユニット３は、光源であるレーザ発振器３ａと、レーザ発振器３ａの出射光束から収差分を除去するスペーシャルフィルタユニット３ｂと、スペーシャルフィルタユニット３ｂからの発散光を平行光にするコリメータレンズ３ｃとを備えている。
干渉縞撮像ユニット６は、結像レンズ６ａと、ＣＣＤカメラ６ｂとを備えている。
干渉縞解析装置８はパソコン等で構成され、干渉計全体の制御と干渉縞解析動作を行うとともに、測定対象となる被検レンズ５の曲率等のレンズデータを予め格納し、作業者が簡便に選択できるようにされている。

被検レンズ保持ステージ１０は、被検レンズ５を保持してＸＹ軸方向に移動させるＸＹステージ１１と、光軸Ｃ方向に移動させるＺステージ１２と、各ステージ１１、１２をＸＹＺの３軸方向に移動させる粗動機構１３と、干渉縞解析装置８の解析結果及び指示に基づき、粗動機構１３よりも高精度に各ステージ１１、１２をＸＹＺの３軸方向に移動させる微動機構１５とを備えている。
粗動機構１３は、ＸＹステージ１１と接続されてこれをＸ軸方向に手動で移動させるＸ軸マイクロメータヘッド１３ａと、ＸＹステージ１１と接続されてこれをＹ軸方向に移動させるＹ軸マイクロメータヘッド１３ｂと、Ｚステージ１２と接続されてこれをＺ軸方向に移動させるＺ軸マイクロメータヘッド１３ｃとを備えている。
微動機構１５は、ＸＹステージ１１と接続されてこれをＸ軸方向に手動で移動させるＸ軸用圧電素子１５ａと、ＸＹステージ１１と接続されてこれをＹ軸方向に手動で移動させるＹ軸用圧電素子１５ｂと、Ｚステージ１２と接続されてこれをＺ軸方向に手動で移動させるＺ軸用圧電素子１５ｃと、各圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃに印加電圧を供給する圧電素子用電源１６とを備えている。
参照レンズ微動ユニット１１も、微動機構１５と同様の構成とされている。

次に、本実施形態に係る干渉計１の操作方法、及び、作用・効果について説明する。
まず、測定作業者は、干渉縞解析装置８でこれから測定を実施する被検レンズ５の図番、又は、型式を選択した後に、被検レンズ保持ステージ１０に被検レンズ５を設置・保持する。
干渉縞解析装置８は、この選択結果に基づき、予め格納されている被検レンズ５のレンズデータ（曲率等）を取得することで、被検レンズ５の解析結果から位置ずれ量を算出することが可能になる。

上記の状態で、レーザ発振器３ａからレーザ光を出射する。
出射されたレーザ光は、スペーシャルフィルタユニット３ｂで収差分が除去された発散光になり、コリメータレンズ３ｃによって所定の光束径の平行光となる。レーザ光源ユニット３から出射した平行光は、ビームスプリッタ７で出射方向と直角方向とに反射して参照レンズ２に照射される。照射されたレーザ光の一部は、さらに参照レンズ２で反射され、その他は参照レンズ２を透過して、被検レンズ５に照射される。

このとき、測定作業者は、被検レンズ保持ステージ１０のＸ軸マイクロメータヘッド１３ａ、Ｙ軸マイクロメータヘッド１３ｂ、及び、Ｚ軸マイクロメータヘッド１３ｃをそれぞれ手動操作してＸＹステージ１１及びＺステージ１２の位置移動を行って、被検レンズ５による反射光と参照レンズ２による反射光とによって干渉縞が発生するように、参照レンズ２と被検レンズ５との相対的な位置を調整する。

発生した干渉縞は、ビームスプリッタ７を直進透過して干渉縞撮像ユニット６の結像レンズ６ａでＣＣＤカメラ６ｂのＣＣＤ上に結像し、電気信号に変換されて干渉縞解析装置８に画像データとして取り込まれる。
この状態で、干渉縞解析装置８は、参照レンズ２と被検レンズ５との間の光路差が、レーザ発振器３ａのレーザ波長の１／４、２／４、３／４、４／４と変化するように、動作指令を参照レンズ微動ユニット１１に送出して参照レンズ２を光軸Ｃ上に移動して、それぞれの位置での干渉縞画像データを取り込む。

こうして、５箇所の画像データに対して、計算処理部８ａにて所定の演算処理を行うことで被検レンズ５の形状を算出するとともに、予め取得した被検レンズ５のレンズデータと比較することによって、参照レンズ２と被検レンズ５との位置ずれ量を算出する。
そして、計算処理部８ａは、この位置ずれ量が０になるように被検レンズ保持ステージ１０の各ステージ１１、１２の移動方向と移動量を算出し、圧電素子用電源１６に動作指令を送出して各圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃを所定量、動作させる。
その後、再び上述した干渉縞解析動作を実施し、干渉縞の解析動作と参照レンズ２と被検レンズ５との位置ずれ量が予め設定された範囲内になるように被検レンズ保持ステージ１０の位置制御とを繰り返す。

この干渉計１によれば、粗動機構１３による位置決め後は、被検レンズ５の精密な位置調整を自動で高精度に行うことができる。また、測定作業者が、予め被検レンズ５の図番、又は、型式を選択するようにされているので、位置調整に必要なレンズデータを個別に入力する必要がなく予め設定されたデータから選択できるため、パラメータの入力間違いを抑えて簡単に取扱うことができる。

次に、第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る干渉計２０が、所定時間以上の間干渉縞解析装置８からの動作指令がない場合に、各圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃへの印加電圧を停止、若しくは、圧電素子の定格電圧よりも低い電圧とする電圧制御手段２１を備えているとした点である。
電圧制御手段２１は、各圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃに電圧が印加された時間を計測する駆動時間監視タイマ２２と、この駆動時間を積算する駆動時間積算計２３とを備えており、圧電素子用電源２５に配されている。
なお、電圧制御手段２１は、干渉縞解析装置に設けても構わない。

この干渉計２０の操作方法、及び作用・効果について説明する。
本実施形態に係る干渉計２０においても、第１の実施形態と同様に、測定作業者は、被検レンズ保持ステージ１０の位置移動を行って、被検レンズ５による反射光と参照レンズ２による反射光とによって干渉縞が発生するように、参照レンズ２と被検レンズ５との相対的な位置を調整する。

干渉縞の測定前に、干渉縞解析装置８に対して測定開始コマンドを入力する。これによって、干渉縞解析装置８は圧電素子用電源２５に対して、各圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃが全動作量の半分の位置になるように動作指令を送出する。この状態で、駆動時間監視タイマ２２が駆動時間の計測を開始し、駆動時間積算計２３が駆動時間の積算を開始する。
そして、被検レンズ５と参照レンズ２との間で干渉縞を発生させ、５箇所それぞれの位置での干渉縞画像データを干渉縞解析装置８に取り込み、さらに微動機構１５によって被検レンズ５と参照レンズ２との位置ずれを調整する。

この際、干渉縞解析装置８から位置調整のための動作指令が圧電素子用電源２５に送出されるたびに、駆動時間監視タイマ２２が測定値を０にリセットした後に駆動時間の計測を開始する。そして、駆動時間積算計の積算時間が予め設定した時間を越えた場合には、圧電素子の寿命に達したと判断して測定作業者にアラームを出す。
Ｘ軸圧電素子１５ａ、Ｙ軸圧電素子１５ｂ、Ｚ軸圧電素子１５ｃのそれぞれの駆動状態で、干渉縞解析装置８からの動作指令がなく、駆動時間監視タイマ２２の計測時間が所定の時間を超えた場合には、印加電圧を０、又は、圧電素子の定格電圧の２０％以下の低電圧にする。

この干渉計２０によれば、圧電素子の長寿命化を介して干渉計全体の長寿命化を図ることができる。また、交換必要部品である圧電素子の適正な交換時期を把握することができ、使い勝手をより向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、一般的にフィゾー型干渉計と呼ばれる構成としているが、マッハツェンダ型干渉計やトワイマングリン型干渉計としても同様の効果を得ることができる。
また、測定値を得るために、基準面２ａを参照レンズ微動ユニット１１によって微小動作させるフリンジスキャン法をベースとしているが、フーリエ変換法等の他の手段を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る干渉計の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る干渉計の構成を示す説明図である。 従来の干渉計の構成を示す説明図である。

符号の説明

１、２０ 干渉計
２ａ 基準面
３ レーザ光源ユニット（可干渉光源系）
５ 被検レンズ（被検物）
６ 干渉縞撮像ユニット（干渉縞撮像手段）
７ ビームスプリッタ（光路分岐手段）
８ 干渉縞解析装置（干渉縞解析手段）
１０ 被検レンズ保持ステージ（被検物保持機構）
２１ 電圧制御手段

Claims (3)

1. 可干渉光源系と、
   測定基準とされる基準面と、
   前記可干渉光源系からの光を前記基準面方向に反射及び基準面からの反射光を透過させる光路分岐手段と、
   前記基準面からの反射光と測定対象とされる被検物からの反射光との間で生じる干渉縞を撮像する干渉縞撮像手段と、
   前記干渉縞を解析する干渉縞解析手段とを備えて光学部品の面形状や透過波面特性を測定する干渉計であって、
   前記被検物をＸＹＺの３軸方向に移動させる粗動機構と、前記干渉縞解析手段の解析結果に基づき、前記粗動機構よりも高精度に前記被検物をＸＹＺの３軸方向に移動させる微動機構とを有する被検物保持機構を備えていることを特徴とする干渉計。
2. 前記微動機構が、圧電素子を備え、
   所定時間以上の間前記干渉縞解析手段からの動作指令がない場合に、前記圧電素子への印加電圧を停止、若しくは、圧電素子の定格電圧よりも低い電圧とする電圧制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記印加電圧が、前記定格電圧の２０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の干渉計。
   
   
   

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