JP2010019750A - 曲率半径測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の大きさによらず精度よく曲率半径の測定ができる曲率半径測定装置を提供すること。
【解決手段】光学素子７の被測定面７ａの位置と干渉計１４の参照面３５の位置とを干渉計１４の光軸Ｘに沿って相対移動させる相対移動機構２２と、干渉計１４の光軸Ｘの方向から見て被測定面７ａと重なる範囲に設けられて光学素子７あるいは干渉計１４のいずれかの移動量の基準となる反射面１６を有する反射鏡１５とレーザー干渉測長器１８によって、集光位置Ｐ０の位置と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２の位置とが一致して波面収差が最小となる測定原点Ｐ４から、集光位置Ｐ０の位置と被測定面７ａの面頂の位置とが一致して波面収差が最小となるまでの反射面１６の光軸Ｘに沿った移動量を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、曲率半径測定装置に関する。

従来、干渉計を利用して光学素子の光学面等の曲率半径を測定する曲率半径測定装置が知られている。曲面からなる被測定面に向けて、干渉計から測定光を照射し、被測定面での反射光の干渉縞を観察する場合、被測定面からの反射光と参照面からの反射光との干渉による干渉縞が明瞭に観察されるのは、測定光の集光位置が、被測定面の曲率中心位置に一致する位置（第一の位置と称する）の近傍と、被測定面の面頂と一致する位置（第二の位置と称する）の近傍にある場合である。第一の位置及び第二の位置においては、干渉縞は被測定面の球波面収差のみによって発生するため、干渉縞本数が最小となる。
そこで、干渉計を利用した曲率半径測定装置では、干渉縞を見ながら測定光の集光位置と被測定面とを相対移動させ、第一の位置と第二の位置との間の相対移動距離を測定することで、被測定面の曲率半径を測定することができる。
この測定方法によって曲率半径を高精度に測定するには、第一の位置及び第二の位置の間の相対移動距離を正確に測定する必要があるが、距離測定手段の精度を向上しても、相対移動機構の走行誤差による測定誤差が残るという問題がある。
このため、走行誤差が極めて小さい相対移動機構によって干渉計と被測定面とを相対移動させる必要があり、相対移動機構の走行精度や保持部の剛性を高める必要があるため、高価な装置になってしまうという問題が残る。
このような干渉計を用いた測定に関連する技術として、特許文献１が知られている。

特許文献１には、レーザー干渉測長器の測長ミラーまたはプリズムを除く干渉測長要素を、エアスライドを案内として可動保持された干渉計ユニット内に設け、干渉計の測定光束の光軸と干渉計ユニットに固定されたレーザー干渉測長器から照射される測長光の光軸とが平行かつ同一向きに配置された干渉測定器が記載されている。
この特許文献１に記載の干渉測定器では、測長ミラーあるいはプリズムと光学素子等の被検物の被測定面の光軸と直交する方向の距離差を２０ｍｍ以内とすることでエアスライドの走行誤差のために発生する干渉計ユニットの傾斜の影響を軽減し、これによりレーザー干渉測長器の測長光の光軸のぶれに起因する測定誤差の低減を図っている。

特開平３−２７３１０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の干渉測定器を用いて被測定面の曲率半径測定を行う場合、測長ミラーあるいはプリズムの配置位置は被測定面が大きい被検物になるほど干渉計の測定光束の光軸から光軸に直交する方向に離れることになり、例えば、直径４０ｍｍ以上の被測定面では、測長ミラーあるいはプリズムを測定光束の光軸から２０ｍｍ以内の位置に配置できなくなってしまう。このため、干渉計ユニットの走行誤差に起因するレーザー干渉測長器が発する測長光の光軸のぶれが計測結果に与える影響が大きくなる。この場合にはやはりレーザー干渉測長器の測長光の光軸のぶれが計測結果に与える影響が大きくなり、干渉計ユニットを直線移動させる機構の走行精度を高精度としなければならないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、被測定面の大きさによらず精度よく曲率半径の測定を行うことができる曲率半径測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の曲率半径測定装置は、曲面からなる被測定面を有する光学素子に対して、干渉計から前記被測定面に向けて集光位置に収束する測定光を照射し、前記被測定面を前記測定光の集光位置に対して相対移動させ、前記干渉計によって前記測定光の集光位置と前記被測定面の曲率中心とが一致する位置と前記測定光の集光位置と前記被測定面の面頂とが一致する位置との間の距離を測定して前記被測定面の曲率半径を求める曲率半径測定装置であって、前記光学素子を保持する光学素子保持部と、前記干渉計を保持する干渉計保持部と、前記光学素子保持部及び前記干渉計保持部の少なくともいずれかを有する一つ以上の可動体を、前記干渉計の光軸方向に相対移動させることで、前記被測定面と前記測定光の集光位置とを相対的に移動する相対移動機構と、前記干渉計の光軸方向における前記可動体の位置を測定するために、前記可動体において、前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面と重なる範囲に設けられた位置測定基準面と、前記干渉計の光軸に沿う方向における前記位置測定基準面の移動位置を測定する移動位置測定部とを備えたことを特徴としている。

この発明によれば、前記位置測定基準面が前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面と重なる範囲内に配置されているため、前記移動位置測定部による測定位置が前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面と重なる範囲にある。そのため前記相対移動機構の走行精度が一定のとき、前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面の外周より外側の範囲で前記移動位置を測定する場合に比べて位置測定の誤差が低減される。

また、本発明の曲率半径測定装置では、前記位置測定基準面は、前記干渉計の光軸と交差する位置に設けられ、前記移動位置測定部は、前記干渉計の光軸と略同軸の軸線上で位置測定を行えるように設けられていることが好ましい。
この場合、前記移動位置測定部は前記干渉計の光軸と略同軸の軸線上で位置測定を行えるため、被測定面の曲率半径の中心の移動量を、相対移動機構の走行誤差の影響を略受けることなく測定することができる。

また、本発明の曲率半径測定装置では、前記干渉計は、一定の位相増分だけ位相がシフトされた複数の干渉縞画像を取得し、該複数の干渉縞画像から波面を解析する位相シフト解析部を有し、前記相対移動機構は、前記一定の位相増分だけ位相がシフトされた複数の干渉縞画像を取得するための微小移動を行う機構を兼ねることが好ましい。
この場合、前記位相シフト解析部を備えるため前記相対移動機構によって微小移動を行うことによって取得された複数の干渉縞画像を元にして位相シフト解析を行うことで前記測定光の集光位置と前記被測定面の曲率中心とが一致する位置及び前記測定光の集光位置と前記被測定面の面頂とが一致する位置とを正確に測定することができる。

また、本発明の曲率半径測定装置では、前記相対移動機構は、前記可動体を前記干渉計の光軸に直交する方向における前記可動体の外縁側で、前記干渉計の光軸を略挟むもしくは取り囲む位置で支持する複数の移動ガイドを備えることが好ましい。
この場合、前記可動体は外縁側に配置された前記複数の移動ガイドによって前記干渉計の光軸を略挟むもしくは略取り囲む位置で支持されるから、前記可動体の姿勢を安定させた状態で移動させることができる。

また、本発明の前記複数の移動ガイドを備えた曲率半径測定装置では、前記可動体は、前記光学素子保持部であり、前記相対移動機構は、前記複数の移動ガイドの間に架設されて前記干渉計の光軸に沿う方向に可動支持された可動部材と、該可動部材を前記干渉計の光軸に沿う方向に相対的に広い移動範囲を移動させる第一移動部と、前記可動部材上に設けられ、前記光学素子保持部を、該光学素子保持部に保持された前記光学素子の背面側で、前記干渉計の光軸に沿う方向に相対的に狭い移動範囲で微小移動可能に支持する第二移動部とを備えることが好ましい。
この場合、前記相対移動機構が前記可動部材を相対的に広い移動範囲で移動させる第一移動部と、前記光学素子保持部を相対的に狭い移動範囲で微小移動させる前記第二移動部を備えるので、前記光学素子保持部を前記第一移動部によって大きく移動させてから第二移動部によって微小移動させることができる。

また、本発明の前記第一移動部と前記第二移動部とを備えた曲率半径測定装置では、前記第二移動部は、前記干渉計の光軸を中心として前記位置測定基準面を取り囲む環状領域に設けられていることが好ましい。
この場合、前記光学素子は前記第二移動部が前記位置測定基準面を取り囲む環状領域に設けられているので、前記移動位置測定部は第二移動部の環状領域より内側の範囲で前記位置測定基準面の移動位置を測定することができる。

また、本発明の曲率半径測定装置では、前記移動位置測定部は、レーザー光の干渉を用いたレーザー測長器からなることが好ましい。
この場合、前記移動位置測定部が前記レーザー測長器からなるので、移動距離の変化をレーザー光の干渉を利用して高精度に測定することができる。

本発明に係る曲率半径測定装置によれば、前記移動位置測定部による測定位置が前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面と重なる範囲にあるので、前記被測定面の大きさによらず精度よく曲率半径の測定を行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態の曲率半径測定装置について図１から図６を参照して説明する。
図１は、曲率半径測定装置の構成を説明するための構成図である。また、図２は、曲率半径測定装置の測定光及び参照光の光路を示す光路図である。また、図３は、レーザー干渉測長器の参照光の光路を示す光路図である。また、図４は、レーザー干渉測長器の測定光の光路を示す光路図である。また、図５は、曲率半径測定装置の動作を説明するための説明図である。また、図６は、レーザー干渉測長器による測定の誤差を説明するための説明図である。

図１に示すように、曲率半径測定装置１は平板状の基台２の上面外周端部から上方に立設された壁部３、４、５によって構成された架台を備える。壁部４、５はそれぞれ壁部３の水平方向の端部の一方（図１の左側）および他方（図１の右側）でそれぞれ固定され、互いに水平方向に対向して設けられている。

基台２上には曲面からなる被測定面７ａを有する光学素子７を保持する光学素子保持部６が固定されている。この光学素子保持部６は、光学素子保持部６上に設置された光学素子７を光軸に直交する方向に位置調整する調整機構６ａを備える。この調整機構６ａにより、光学素子７の被測定面７ａの曲率中心を後述する干渉計１４の光軸Ｘの軸線上に合わせられるようになっている。

壁部３には壁部４側から壁部５側に向って順に略柱状の移動ガイド８、９が配列され、それぞれ基台２に垂直で互いに平行になる位置関係に固定されている。移動ガイド８、９には、それぞれ移動ガイド８、９の延設方向に沿って移動可能なスライダ１１、１２が係合されている。
スライダ１１、１２の基台２と反対側のそれぞれの端部には干渉計１４を保持するための板状の干渉計保持部１３が、スライダ１１、１２の移動方向に直交するように架設され、干渉計保持部１３の両端部はそれぞれスライダ１１、１２と固定されている。なお、干渉計保持部１３と、この干渉計保持部１３に保持されて該干渉計保持部１３と一体的に可動する干渉計１４等により可動体が形成される。
干渉計１４は、曲率半径を測定するため被測定面７ａに可干渉光である測定光Ｌ３を照射し、その反射光によって、干渉縞を取得するもので、本実施形態では、干渉光学系が筐体１４ａに収められ、干渉計保持部１３の架設方向の中間部に筐体１４ａが貫通する状態で固定されている。
干渉計１４の姿勢は、測定光Ｌ３の光軸Ｘが、移動ガイド８、９上のスライダ１１、１２の移動方向と平行になるように調整されている。光軸Ｘは、干渉計１４の干渉測定および曲率半径測定の基準軸であり、干渉計１４の光軸を構成するものである。

測定光Ｌ３の出射方向と反対側である干渉計１４の筐体１４ａの上端部１４ｂには平板状の反射鏡１５が固定されている。反射鏡１５には、干渉計１４の移動量を測定するための位置測定基準面である平面状の反射面１６が形成されている。
反射鏡１５の配置位置は、反射面１６が干渉計１４の光軸Ｘと垂直に交差する位置関係に調整されている。

壁部３の上部には反射鏡１５と鉛直方向に対向する位置に、レーザー光の干渉を用いて反射面１６の光軸Ｘに沿う方向の移動位置を測定するレーザー干渉測長器１８（移動位置測定部）が固定されている。

また、移動ガイド８と干渉計１４との間の壁部３上には、干渉計保持部１３を干渉計１４の光軸Ｘに沿う方向に移動させる相対移動機構２２が設けられている。
本実施形態の相対移動機構２２は、ボールねじ送り機構を用いた移動機構（第一移動部）と、ピエゾ素子を用いた微小移動機構とを組み合わせてなる。
相対移動機構２２のボールねじ送り機構部分は、移動ガイド８、９と平行に延ばして配置され、両端部が壁部３上にそれぞれ固定されたサポートユニット２７、２８により回転可能に支持されたボールねじ２６と、サポートユニット２８側から突出されたボールねじ２６の端部に回転駆動力を伝達するモーター２９と、ボールねじ２６に螺合された可動ナット２５とを備えてなり、微小移動機構に比べて相対的に広い移動範囲を移動させる。ボールねじ２６は、干渉計保持部１３に設けられた開口１３ａに挿通され、可動ナット２５は、干渉計保持部１３に近接して並列に配置されている。
また、相対移動機構２２の微小移動機構部分は、可動ナット２５に固定された板状の取付板２４に一端が固定され、他端が干渉計保持部１３に固定され、ボールねじ送り機構に比べて相対的に狭い移動範囲で、光軸Ｘに沿う方向に測定光Ｌ３の波長よりも短いピッチで微小移動可能とされた微動機構２３からなる。
微動機構２３の構成は、ピエゾ素子、あるいはピエゾ素子を用いて構成された直動アクチュエータを採用することができる。

相対移動機構２２には、モーター２９の回転方向および回転量を制御することで、可動ナット２５の移動量を制御するとともに、微動機構２３のピエゾ素子の伸縮量を制御して取付板２４に対する干渉計保持部１３の移動量を制御する移動量制御部２１ｂが接続されている。
また、移動量制御部２１ｂは、レーザー干渉測長器１８と電気的に接続され、移動量の決定にあたって、レーザー干渉測長器１８から送出される干渉計１４の位置情報を参照できるようになっている。さらに、移動量制御部２１ｂは測定者の入力操作に従って移動量制御部２１ｂの動作を制御するためのキーボードやマウス等の入力デバイスとディスプレイ装置等の出力デバイスを備えた操作部２１ｄと電気的に接続されている。

続いて、本実施形態の干渉計１４の構成と光路について図２を参照して詳述する。
本実施形態の干渉計１４は、フィゾー型干渉計である。
干渉計１４は、レーザー光Ｌ１を発散光束として放射するレーザーダイオード３０と、レーザー光Ｌ１を反射して光学素子７の被測定面７ａ側に向けるとともに、被測定面７ａ側から入射する光を透過させるビームスプリッタ３１と、ビームスプリッタ３１で反射されたレーザー光Ｌ１を平行光にするコリメータレンズ３２、３３と、平行光束化されたレーザー光Ｌ１を干渉計１４の外部の集光位置Ｐ０に測定光Ｌ３として集光する参照レンズ３４と、干渉計１４の外部から入射して参照レンズ３４、コリメータレンズ３２、３３によって集光され、ビームスプリッタ３１を透過したレーザー光Ｌ４を縮小投影する結像レンズ３６と、結像レンズ３６によって投影されたレーザー光Ｌ４を撮像する撮像素子３７とを備え、これらの各構成部品が、筐体１４ａの内部に固定されてなる。
また、撮像素子３７には、撮像された干渉縞画像を表示する表示部２１ｃと、移動量制御部２１ｂによって位相をシフトして撮像された干渉縞画像から干渉縞画像の波面を解析する位相シフト解析部２１ａとが電気的に接続されている。

参照レンズ３４は、光学素子７に対向する光学面が高精度に加工された球面からなる参照面３５を備える。参照面３５では光源側（レーザーダイオード３０側）に反射される参照光Ｌ２と、参照面３５を透過した後、光路を逆進して参照面３５に再入射する光とによって干渉縞が形成されるようになっている。
レーザーダイオード３０から出射されたレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッタ３１によって反射され、コリメータレンズ３２、３３を介して、参照レンズ３４の光軸に同軸に入射されるようになっている。測定光Ｌ３の軸上主光線は、光軸Ｘを構成している。
集光位置Ｐ０は、参照面３５の面頂から距離Ｒの位置に形成され、集光位置Ｐ０と反射鏡１５の反射面１６との間の光軸Ｘに沿う距離は、距離ｈ（ただし、ｈ＞Ｒ）とされている。

レーザー干渉測長器１８は、干渉を用いたレーザー測長器であれば、適宜の構成を採用することができるが、本実施形態のレーザー干渉測長器１８の構成および光路の一例について、図３と図４を参照して説明する。
図３に示すようにレーザー干渉測長器１８は、平行光束化されたレーザー光Ｌ５を発生するレーザー発振器４０と、レーザー光Ｌ５の光路上に配置され偏光ビームスプリッタ面４２において入射光のＳ偏光成分を側方に反射するとともにＰ偏光成分を透過させる偏光ビームスプリッタ４１と、偏光ビームスプリッタ面４２で反射されたレーザー光Ｌ５を再帰性反射して偏光ビームスプリッタ４１に再入射させるコーナーキューブ４３と、偏光ビームスプリッタ４１を挟んでコーナーキューブ４３と対称な位置関係に配置された再帰性反射部材であるコーナーキューブ４３と同一形状のコーナーキューブ４５と、偏光ビームスプリッタ４１と反射鏡１５との間の光路上に配置され直線偏光と円偏光との変換を行う１／４波長板４４と、偏光ビームスプリッタ４１から、レーザー発振器４０側に透過される光もしくは偏光ビームスプリッタ４１によりレーザー発振器４０側に反射される光を受光する受光器４６と、受光器４６の出力信号から干渉縞による明暗の変化を検出して、測長を行う演算処理部２１ｅとを備える。

このような構成により、レーザー干渉測長器１８では、図３に示すように、レーザー発振器４０から出射されたレーザー光Ｌ５は、偏光ビームスプリッタ４１に入射すると、偏光ビームスプリッタ面４２において、Ｓ偏光成分が反射されて参照光Ｌ６としてコーナーキューブ４３に入射され、偏光ビームスプリッタ４１に向かって再帰性反射され、偏光ビームスプリッタ４１に入射して、偏光ビームスプリッタ面４２で反射されて、受光器４６に入射する。コーナーキューブ４３は、入射光の光軸を平行移動した光として反射するため、レーザー発振器４０から出射されるレーザー光Ｌ５の光軸２０と、受光器４６に入射する参照光Ｌ６の光軸１９とは、互いに離間した平行線になっている。

一方、偏光ビームスプリッタ面４２を透過したＰ偏光成分からなる測定光Ｌ７は、図４に示すように、１／４波長板４４によって円偏光に変換されて、反射鏡１５に向けて出射される。測定光Ｌ７の出射方向は、干渉計１４の光軸Ｘに沿う方向に設定される。このため、測定光Ｌ７は、反射鏡１５の反射面１６に垂直入射して反射され、光路を逆進する。
測定光Ｌ７が１／４波長板４４を透過すると、反射面１６での反射により円偏光の回転方向が逆転しているためＳ偏光の直線偏光に変換される。
これにより、測定光Ｌ７は、偏光ビームスプリッタ面４２によって、コーナーキューブ４５側に反射され、コーナーキューブ４５によって、再帰性反射されて再度偏光ビームスプリッタ面４２に入射して、１／４波長板４４側に反射され、１／４波長板４４を透過して、円偏光に変換される。このとき、コーナーキューブ４５は、偏光ビームスプリッタ４１を挟んでコーナーキューブ４３と対称な位置関係に配置されているため、測定光Ｌ７は、光軸１９上に反射される。
１／４波長板４４を反射鏡１５側に透過した測定光Ｌ７は、反射鏡１５の反射面１６で反射され、光路を逆進して、１／４波長板４４を偏光ビームスプリッタ４１側に再透過し、Ｐ偏光の直線偏光に変換される。このため、測定光Ｌ７は、偏光ビームスプリッタ面４２を透過して、光軸１９上に沿って進み、受光器４６に入射する。

このように光軸１９上では、偏光ビームスプリッタ４１で分岐された参照光Ｌ６と測定光Ｌ７とが合成されるので、それぞれの間の光路差に応じた干渉が起こり、受光器４６では、干渉に応じた明暗の変化が検出される。この明暗変化は、演算処理部２１ｅによってカウントされ、予め設定された測定原点からの距離変化に換算され、移動量制御部２１ｂに送出される。
参照光Ｌ６と測定光Ｌ７との光路差は、光軸２０上における偏光ビームスプリッタ面４２から反射面１６までのＨ１間の光学的距離の２倍と、光軸１９上における偏光ビームスプリッタ面４２から反射面１６までのＨ２間の光学的距離の２倍との和である。このため、レーザー干渉測長器１８では、反射面１６上での測定光の２箇所の反射点の中点Ｍを通り、光軸１９、２０に平行な軸上で、偏光ビームスプリッタ面４２と反射面１６との相対移動量を測定できることになる。
本実施形態では、中点Ｍを通り光軸１９、２０に平行な軸が、光軸Ｘと一致するようにレーザー干渉測長器１８の位置が調整されている。

以下では、本実施形態の曲率半径測定装置１の動作について詳述する。
図１に示すように、まず、測定者は被検物となる光学素子７を光学素子保持部６に被測定面７ａが干渉計１４に向かい合うように位置決めして設置する。続いて、操作部２１ｄを操作して相対移動機構２２のモーター２９を駆動して、干渉計１４を光軸Ｘにそって移動させ、測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２とが略一致し、表示部２１ｃに干渉縞が表示される位置でモーター２９を一旦停止させる。

図２に示すように、集光位置Ｐ０の位置と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２の位置とが一致している時には、干渉計１４から出射され、集光位置Ｐ０で集光されてから発散して被測定面７ａに到達する測定光Ｌ３は被測定面７ａに対して垂直に入射し、反射して測定光Ｌ３の光路を逆に進む。そして、参照面３５において参照面３５で反射された参照光Ｌ２と合成されそれぞれの間の光路差に応じた干渉縞が形成される。測定光Ｌ３、参照光Ｌ２は参照レンズ３４とコリメータレンズ３３、３２とビームスプリッタ３１と結像レンズ３６をこの順で透過して撮像素子３７に到達する。これにより撮像素子３７上に参照面３５で形成された干渉縞画像が投影される。
撮像素子３７は干渉縞画像を光電変換して画像信号を表示部２１ｃに送出し、表示部２１ｃに干渉縞画像を表示させる。
集光位置Ｐ０と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２の位置とが正確に一致する位置では参照面３５に対する被測定面７ａの波面収差のみによって干渉縞が生じるため、その近傍の他の位置で取得した干渉縞画像と比較して干渉縞の本数は少なくなる。
本実施形態では、干渉縞が表示される位置から、相対移動機構２２のモーター２９によって一定ステップずつ干渉計保持部１３を移動させ、被測定面７ａの曲率中心Ｐ２と測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０との相対移動を行い、それぞれの移動位置における波面収差を算出し、波面収差が最小となる位置を、被測定面７ａの曲率中心Ｐ２が測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０に一致した位置とする。

そのため、モーター２９を停止した位置を仮の原点Ｏとして、レーザー干渉測長器１８によって、反射面１６の移動量の計測を開始する。レーザー干渉測長器１８は、反射面１６に向かって測定光Ｌ７を照射し、反射面１６での反射光を受光して、原点Ｏに対する相対移動量を測定し、移動量制御部２１ｂに送出する。
まず、操作部２１ｄの操作により移動量制御部２１ｂを介してモーター２９を駆動して、干渉縞の縞本数が少なくなる方向に、原点Ｏから一定移動量Δだけ干渉計保持部１３を移動させる。このとき、本実施形態では、移動量制御部２１ｂからモーター２９に送出される制御信号は、レーザー干渉測長器１８からの相対移動量に基づいてフィードバック制御がかけられるようになっている。このため、干渉計保持部１３に保持された干渉計１４は、仮の原点Ｏから一定間隔Δだけ正確に移動される。

次に、この位置Δの前後の近傍で、測定光Ｌ３の波長よりも小さい一定間隔δで微動機構２３を駆動して、位相シフトを行いつつ、撮像素子３７によって取得された干渉縞画像を取得し、位相シフト解析部２１ａに送出していく。
このとき、微動機構２３の一定間隔δの移動量は、移動量制御部２１ｂによって、レーザー干渉測長器１８で計測される相対移動量に基づいてフィードバック制御が行われる。
位相シフト解析部２１ａでは、取得された複数の干渉縞画像から、周知の位相シフト法によって、波面収差を算出する。

以上を繰り返して、干渉縞本数が増大する位置まで、測定を繰り返し、各移動位置での波面収差を求める。位相シフト解析部２１ａは、これらの各移動位置の波面収差から、波面収差が最小となる位置を算出し、電気的に接続された移動量制御部２１ｂに、波面収差が最小となる移動位置を送出する。波面収差が最小となる移動位置は、例えば、移動位置と波面収差との関係を近似曲線で近似し、近似曲線から最小値を求めることによって算出することができる。
移動量制御部２１ｂは、位相シフト解析部２１ａから送出された波面収差が最小となる移動位置に干渉計１４が移動するように、相対移動機構２２を駆動する。
そして、この位置を測定原点Ｐ４に設定する。これにより、以降では、レーザー干渉測長器１８の相対移動量は、測定原点Ｐ４に対する相対移動量となる。

続いて、測定者は、操作部２１ｄを操作して相対移動機構２２のモーター２９を駆動して干渉計保持部１３を光軸Ｘに沿って光学素子７側に距離Ｒだけ移動させ、表示部２１ｃに再び干渉縞が表示される位置でモーター２９を停止させる。このとき、測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０の位置は被測定面７ａの面頂Ｐ３の位置と略一致している（図２及び図５参照）。

ここで、仮の原点Ｏで行ったのと同様にして、位相シフト法によって求められる波面収差が最小となる位置を求める。これにより集光位置Ｐ０の位置と被測定面７ａの面頂Ｐ３の位置とが正確に一致する点Ｐ５が測定される。このときのレーザー干渉測長器１８によって測定される測定原点Ｐ４から点Ｐ５までの反射面１６の移動量Ｍ１が被測定面７ａの曲率半径となる。以上で被測定面の曲率半径測定が終了する。

以下では、レーザー干渉測長器１８によって反射鏡１５の反射面１６の位置を計測する際に、反射面１６の法線の角度が、レーザー干渉測長器１８の測定の軸からずれている場合の本実施形態の曲率半径測定装置による反射面１６の移動量の計測について図６を参照して詳述する。

干渉計保持部１３は微動機構２３からサポートユニット２７、２８に至るまでの相対移動機構２２によって移動ガイド８、９に沿う方向に移動自在に取り付けられている。ここで、スライダ１１、１２と移動ガイド８、９との間及び可動ナット２５とボールねじ２６との間では、円滑な移動をさせるための微小なクリアランスがある。このため、理想的には反射鏡１５の反射面１６が光軸Ｘに垂直であるが、実際の測定においては反射鏡１５の反射面１６が光軸Ｘに対して微小に（例えば角度θだけ）傾くことがある。

この時、図６に示すように、例えば光軸Ｘから距離Ｌだけ離れた軸線Ｙに沿う反射面１６の移動量を計測する際、光軸Ｘ上での反射面１６の移動量と軸線Ｙ上で計測された反射面１６の移動量との差ＺはＺ＝Ｌｔａｎθである。差Ｚは反射面１６の傾きによる測定誤差でありθが一定のときＺはＬに比例する。ここで、差Ｚは曲率半径測定装置１に要求される精度の１／２以下の範囲に収まるように設計されることが望ましい。

例えば、曲率半径測定装置１に要求される精度が±０．２μｍ以内であるとき、反射面１６の傾きが±１０”であったとすると、差Ｚの許容範囲は±０．１μｍである。この時、反射面１６の移動量を測定するための軸は測定光Ｌ３の光軸Ｘから±２ｍｍ以内にあることが要求される。しかし、特許文献１に記載されたような干渉測定器を用いた場合、被測定面７ａは半径２ｍｍ以下でなければならないこととなり、光学素子の大きさに制限が生じてしまう。

これに対して、本実施形態では反射面１６の測定を光軸Ｘ上で行っているため、Ｌ＝０であり、反射面１６のずれによる測定誤差は発生しない。さらに、本実施形態では反射面１６の移動量の測定は干渉計１４を挟んで光学素子７の反対側で行われているため、光学素子７によってレーザー干渉測長器１８の光軸１９、２０が遮断されることはなく、被測定面７ａの大きさに制限はない。

以上説明したように、本実施形態に係る曲率半径測定装置１によれば、相対移動機構２２によって干渉計１４が測定光Ｌ３の光軸Ｘに沿って直線移動して被測定面７ａと参照面３５とが相対移動され、位相シフト解析部２１ａによって測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２の位置とが正確に一致する測定原点Ｐ４と測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０と被測定面７ａの面頂Ｐ３とが正確に一致する点Ｐ５が求められる。ここで、レーザー干渉測長器１８によって測定原点Ｐ４から点Ｐ５までの反射面１６の移動量を測定光Ｌ３の光軸Ｘ上に沿って計測することで被測定面７ａの曲率半径を精度良く測定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の曲率半径測定装置について図７から図９を参照して説明する。
図７は、曲率半径測定装置の動作を説明するための正面図である。また、図８は、微動機構を示す上面図である。また、図９は、曲率半径測定装置の動作を説明するための正面図である。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る曲率半径測定装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。

本実施形態の曲率半径測定装置５０は図７に示すように以下の点で第１実施形態と異なっている。まず、壁部３、４、５の基台２と反対側の端部には、平板状の上板５１が固定されている。干渉計１４は光軸Ｘが移動ガイド８、９の軸線８ａ、９ａに平行になるように調整されて上板５１に固定されている。
また、本実施形態では、レーザー干渉測長器１８は基台２に固定され、測定光Ｌ７を上板５１側へ照射し、測定光Ｌ７の光軸５２、５３の中央の軸線が光軸Ｘと一致するように調整されている。

また、本実施形態では、相対移動機構２２に代えて相対移動機構６０を備える。相対移動機構６０は以下の点で相対移動機構２２と構成が異なっている。まず、スライダ１１、１２の基台２側のそれぞれの端部には板状の可動部材５４が光軸Ｘと直交するように架設されている。また、可動部材５４の中間部の一部にはレーザー干渉測長器１８の光軸５２、５３が共に貫通可能な貫通孔５７が形成されている。さらに、可動部材５４の干渉計１４側には、貫通孔５７の外周部分に一端が固定されて他端側で光学素子保持部６１を基台２側から支持し、レーザー干渉測長器１８の光軸５２、５３が共に貫通可能な貫通孔５９が形成された略円筒状の第二移動部５８が配置されている。また、可動部材５４の中間部の基台２側で貫通孔５７の近傍には可動ナット５５の一端が固定されている。また、可動ナット５５はボールねじ２６に螺合している。この可動ナット５５、ボールねじ２６およびモータ２９等によりボールねじ送り機構が構成され、後述する微小移動機構と比べて相対的に移動範囲が広い移動機構（第一移動部）となっている。
また、第二移動部５８は微小移動機構であり、ピエゾ素子６２を内部に備える（図８参照）。ピエゾ素子６２は第二移動部５８上に配置された光学素子保持部６１を光軸Ｘの方向に微小に移動させるように微小に変形するものである。ピエゾ素子６２は移動量制御部２１ｂに電気的に接続されてその動作が制御されている。なお、可動部材５４と、この可動部材５４に保持されて該可動部材５４と一体的に可動する光学素子保持部６１および第二移動部５８等により可動体が形成される。

また、図７に示すように、本実施形態の反射鏡１５は、第二移動部５８で取り囲まれた領域の内部で光学素子保持部６１の基台２側の一端に配置され、反射面１６はレーザー干渉測長器１８と正対する位置関係に配置されて反射面１６に入射した測定光Ｌ７が垂直に反射するようになっている。

本実施形態の曲率半径測定装置５０によれば、図７及び図９に示すように、干渉計１４が上板５１に固定され、光学素子保持部６１が相対移動機構６０によって光軸Ｘに沿った直線移動することで参照面３５と被測定面７ａとが光軸Ｘに沿って相対移動されるようになっている。

このとき、測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０と被測定面７ａの曲率中心Ｐ２の位置とが正確に一致するときの反射面１６の位置である測定原点Ｐ５４及び測定光Ｌ３の集光位置Ｐ０と被測定面７ａの面頂Ｐ３の位置とが正確に一致するときの反射面１６の点Ｐ５５は、第１実施形態と同様に、位相シフト法によって測定される。
反射面１６が測定原点Ｐ５４から点Ｐ５５まで移動した移動量Ｍ１をレーザー干渉測長器１８によって光軸Ｘ上で計測することで、被測定面７ａと参照面３５との相対移動距離を光軸Ｘに沿って計測することができる。そのため、第１実施形態と同様に被測定面７ａの曲率半径の測定を精度良く行うことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明の実施形態では干渉計１４はフィゾー型干渉計としたが、これに限らず、他の種類の干渉計を採用することもできる。
また、本発明の実施形態ではレーザー干渉測長器１８の測定の基準軸を干渉計１４の測定光Ｌ３の光軸Ｘと一致させるように調整することで、干渉計１４の光軸Ｘと略同軸の軸線上で位置測定を行う構成を採用したが、これに限らず、差Ｚが許容限度以下となる範囲内でレーザー干渉測長器１８の測定の基準軸が光軸Ｘに平行で光軸Ｘの近傍にある適宜の構成を採用することができる。なお、光軸Ｘの近傍とは光軸Ｘの方向から見て被測定面７ａと重なる範囲内の領域を指す。

また、本発明の実施形態では、干渉計１４の光軸Ｘが中間部に位置するように離間して固定された二本の移動ガイド８、９が配置されて干渉計１４の光軸Ｘを略挟む構成としたが、移動ガイドの数は二本に限られるものではなく、三本以上の移動ガイドによって干渉計１４の光軸Ｘを取り囲む構成としてもよい。

また、本発明の第２実施形態では、第二移動部５８は略円筒状の形状としたが、これに限らず、光軸Ｘを中心として反射鏡を取り囲む環状領域内に配置可能な適宜の構成を採用することができる。例えば、可動部材５４の貫通孔５７の周囲に放射状あるいは同心円状に複数の微小移動機構が配置されていてもよい。

本発明の第１実施形態の曲率半径測定装置の構成を説明するための構成図である。 本発明の第１実施形態の曲率半径測定装置の測定光及び参照光の光路を示す光路図である。 本発明の第１実施形態のレーザー干渉測長器の参照光の光路を示す光路図である。 本発明の第１実施形態のレーザー干渉測長器の測定光の光路を示す光路図である。 本発明の第１実施形態の曲率半径測定装置の動作を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態のレーザー干渉測長器による測定の誤差を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態の曲率半径測定装置の動作を説明するための正面図である。 本発明の第２実施形態の微動機構を示す上面図である。 本発明の第２実施形態の曲率半径測定装置の動作を説明するための正面図である。

符号の説明

１ 曲率半径測定装置
６、６１ 光学素子保持部
７ 光学素子
７ａ 被測定面
８、９ 移動ガイド
１１、１２ スライダ
１３ 干渉計保持部
１４ 干渉計
１５ 反射鏡
１６ 反射面（位置測定基準面）
１８ レーザー干渉測長器（移動位置測定部）
２２ 相対移動機構
２３ 微動機構
５０ 曲率半径測定装置
５４ 可動部材
５８ 第二移動部
６０ 相対移動機構
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 測定光
Ｍ１ 移動量（移動位置）
Ｐ０ 集光位置
Ｐ２ 曲率中心
Ｐ３ 面頂
Ｘ 光軸

Claims (7)

1. 曲面からなる被測定面を有する光学素子に対して、干渉計から前記被測定面に向けて集光位置に収束する測定光を照射し、前記被測定面を前記測定光の集光位置に対して相対移動させ、前記干渉計によって前記測定光の集光位置と前記被測定面の曲率中心とが一致する位置と前記測定光の集光位置と前記被測定面の面頂とが一致する位置との間の距離を測定して前記被測定面の曲率半径を求める曲率半径測定装置であって、
   前記光学素子を保持する光学素子保持部と、
   前記干渉計を保持する干渉計保持部と、
   前記光学素子保持部及び前記干渉計保持部の少なくともいずれかを有する一つ以上の可動体を、前記干渉計の光軸方向に相対移動させることで、前記被測定面と前記測定光の集光位置とを相対的に移動する相対移動機構と、
   前記干渉計の光軸方向における前記可動体の位置を測定するために、前記可動体において、前記干渉計の光軸方向から見て前記被測定面と重なる範囲に設けられた位置測定基準面と、
   前記干渉計の光軸に沿う方向における前記位置測定基準面の移動位置を測定する移動位置測定部とを備えたことを特徴とする曲率半径測定装置。
2. 前記位置測定基準面は、前記干渉計の光軸と交差する位置に設けられ、前記移動位置測定部は、前記干渉計の光軸と略同軸の軸線上で位置測定を行えるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の曲率半径測定装置。
3. 前記干渉計は、
   一定の位相増分だけ位相がシフトされた複数の干渉縞画像を取得し、該複数の干渉縞画像から波面を解析する位相シフト解析部を有し、
   前記相対移動機構は、
   前記一定の位相増分だけ位相がシフトされた複数の干渉縞画像を取得するための微小移動を行う機構を兼ねることを特徴とする請求項１または２に記載の曲率半径測定装置。
4. 前記相対移動機構は、
   前記可動体を前記干渉計の光軸に直交する方向における前記可動体の外縁側で、前記干渉計の光軸を略挟むもしくは取り囲む位置で支持する複数の移動ガイドを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の曲率半径測定装置。
5. 前記可動体は、前記光学素子保持部であり、
   前記相対移動機構は、
   前記複数の移動ガイドの間に架設されて前記干渉計の光軸に沿う方向に可動支持された可動部材と、
   該可動部材を前記干渉計の光軸に沿う方向に相対的に広い移動範囲を移動させる第一移動部と、
   前記可動部材上に設けられ、前記光学素子保持部を、該光学素子保持部に保持された前記光学素子の背面側で、前記干渉計の光軸に沿う方向に相対的に狭い移動範囲で微小移動可能に支持する第二移動部とを備えることを特徴とする請求項４に記載の曲率半径測定装置。
6. 前記第二移動部は、
   前記干渉計の光軸を中心として前記位置測定基準面を取り囲む環状領域内に設けられたことを特徴とする請求項５に記載の曲率半径測定装置。
7. 前記移動位置測定部は、レーザー光の干渉を用いたレーザー測長器からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の曲率半径測定装置。

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