JP2010139463A - Method of measuring sphericity of sphere, and method of measuring curvature radius of sphere - Google Patents
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Description
本発明は、球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法に係り、特に、光学的に透明な球体の真球度および曲率半径の測定方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring the sphericity of a sphere and a method for measuring a radius of curvature of a sphere, and more particularly to a method of measuring the sphericity and radius of curvature of an optically transparent sphere.
従来、可干渉性の光源から出力された光が基準板の参照面で反射された参照光と、その光源からの光が被測定物の測定対象面(被検面)で反射された測定光とを干渉させて生成した干渉縞に基づき、被測定物の表面形状に関する測定を行う技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、上記特許文献1の場合、より正確な測定とするため、好適な干渉縞を生成するように被測定物の位置を調整する作業は煩雑であった。
また、光学的に透明な球体を被測定物とした場合、その透明な球体に光源からの光が照射されると、球体上面側の凸面で反射される反射光と、凸面を透過して球体下面側の凹面で反射される反射光とが生じるので、参照光を合わせると3つの反射光が混在することとなる。
However, in the case of the above-mentioned
In addition, when an optically transparent sphere is used as the object to be measured, when light from the light source is irradiated to the transparent sphere, the reflected light reflected by the convex surface on the upper surface side of the sphere and the sphere passing through the convex surface are transmitted. Since reflected light reflected by the concave surface on the lower surface side is generated, when the reference light is combined, three reflected lights are mixed.
本発明の目的は、光学的に透明な球体の表面形状に関する好適な測定が可能となる、球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for measuring the sphericity of a sphere and a method for measuring a radius of curvature of the sphere, which allow suitable measurement regarding the surface shape of an optically transparent sphere.
以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、球体の真球度の測定方法であって、
光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面を参照面とし、前記球体の前記光源と反対側の下面を被検面とするように、前記上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過して前記下面で反射された第二反射光とを干渉させ、
前記第一反射光と前記第二反射光とが干渉することで生成した干渉縞を測定することにより得られる前記第一反射光と前記第二反射光との光路差の分布に基づき、前記球体の真球度を算出することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
In order to focus on the center of an optically transparent sphere, light is emitted from a predetermined light source toward the sphere,
The first reflected light reflected by the upper surface and the upper surface are transmitted so that the upper surface on the light source side of the sphere is a reference surface and the lower surface opposite to the light source of the sphere is a test surface. Interfering with the second reflected light reflected by the lower surface,
Based on the distribution of the optical path difference between the first reflected light and the second reflected light obtained by measuring the interference fringes generated by the interference between the first reflected light and the second reflected light, the sphere The sphericity of is calculated.
請求項2に記載の発明は、球体の曲率半径の測定方法であって、
光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面を参照面とし、前記球体の前記光源と反対側の下面を被検面とするように、前記上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過して前記下面で反射された第二反射光とが干渉して干渉縞が生成される際に、前記球体が位置する第一配置を測定し、
次いで、前記球体を前記光源から光軸に沿って離間させて前記球体の前記参照面に焦点が合った際に、前記球体が位置する第二配置を測定し、
前記第一配置から前記第二配置までの移動量に基づき、前記球体の曲率半径を算出することを特徴とする。
The invention according to
In order to focus on the center of an optically transparent sphere, light is emitted from a predetermined light source toward the sphere,
The first reflected light reflected by the upper surface and the upper surface are transmitted so that the upper surface on the light source side of the sphere is a reference surface and the lower surface opposite to the light source of the sphere is a test surface. When the interference pattern is generated by interference with the second reflected light reflected by the lower surface, the first arrangement where the sphere is located is measured,
Next, when the sphere is separated from the light source along the optical axis and the reference surface of the sphere is focused, a second arrangement where the sphere is located is measured.
The radius of curvature of the sphere is calculated based on the amount of movement from the first arrangement to the second arrangement.
本発明によれば、球体の真球度の測定方法において、光学的に透明な球体の上面を参照面とし、球体の下面を被検面とすることで、上面(参照面)での第一反射光と、下面(被検面)での第二反射光とが干渉した干渉縞を生成させて、例えば、フィゾー型干渉計を応用した干渉計を用いて、それら反射光による干渉縞を測定することにより球体の上面と下面との間の光路差の分布を算出することができ、その光路差分布に基づいて球体の真球度を算出することができる。特に、干渉計における干渉縞の生成に伴う反射光の到達を指標とすることによって、球体に向けて照射する光の焦点を球体の中心に合わせる作業を比較的容易に行うことができるので、その干渉縞の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体の真球度の測定を行うことができる。
また、球体の曲率半径の測定方法において、光学的に透明な球体の上面を参照面とし、球体の下面を被検面とすることで、例えば、フィゾー型干渉計を応用した干渉計を用いて、光源から照射された光の焦点が球体の中心となって第一反射光と第二反射光とにより干渉縞が生成される球体の第一配置と、光源から照射された光の焦点が球体の上面(参照面)となる球体の第二配置を容易に検出することができ、その第一配置から第二配置までの移動量に基づいて、球体の曲率半径を好適に測定することができる。
According to the present invention, in the method for measuring the sphericity of a sphere, the upper surface of the optically transparent sphere is used as a reference surface, and the lower surface of the sphere is used as a test surface. Generate interference fringes in which the reflected light interferes with the second reflected light on the lower surface (test surface) and measure the interference fringes due to the reflected light using, for example, an interferometer applying a Fizeau interferometer Thus, the distribution of the optical path difference between the upper surface and the lower surface of the sphere can be calculated, and the sphericity of the sphere can be calculated based on the optical path difference distribution. In particular, by using the arrival of reflected light accompanying the generation of interference fringes in the interferometer as an index, the work of focusing the light irradiating the sphere on the center of the sphere can be performed relatively easily. The interference fringes can be easily measured, and the sphericity of the sphere can be preferably measured.
In the method of measuring the radius of curvature of the sphere, the upper surface of the optically transparent sphere is used as a reference surface, and the lower surface of the sphere is used as a test surface. For example, an interferometer using a Fizeau interferometer is used. The first arrangement of spheres in which interference fringes are generated by the first reflected light and the second reflected light, with the focal point of the light emitted from the light source being the center of the sphere, and the focal point of the light emitted from the light source is the sphere The second arrangement of the sphere serving as the upper surface (reference surface) of the sphere can be easily detected, and the radius of curvature of the sphere can be suitably measured based on the amount of movement from the first arrangement to the second arrangement. .
以下、本発明の実施形態たる球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法について図面を参照して説明する。
本発明において、光学的に透明な球体に対する測定を実施するにあたり、フィゾー型の干渉計を応用した干渉計100を用いる。
Hereinafter, a method for measuring the sphericity of a sphere and a method for measuring a radius of curvature of the sphere according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the present invention, an
干渉計100は、図1に示すように、光源1と、コリメータレンズ2と、ビームスプリッタ3と、対物レンズ4と、結像レンズ5と、撮像素子6、制御部7等を備えている。
As shown in FIG. 1, the
光源1は、例えば、可干渉性に優れたレーザ光を出力するレーザ光源である。
The
コリメータレンズ2は、ビームスプリッタ3の前面側と光源1との間に配されており、光源1から出力された光を平行光に変換し、ビームスプリッタ3の前面に向けて入射させる。
The
ビームスプリッタ3は、前面側から入射された光を、後面側に透過させて出射させる。
また、ビームスプリッタ3は、後面側から入射された光の光路を90°曲げて、光出射側面から出射させる。
The
Further, the beam splitter 3 bends the optical path of the light incident from the rear surface side by 90 ° and emits the light from the light emitting side surface.
対物レンズ4は、ビームスプリッタ3の後面側と被測定物を載置する載置台9との間に配されており、ビームスプリッタ3の後面側から出射された光を被測定物(球体10)に向けて集光する。
また、対物レンズ4は、被測定物(球体10)で反射された反射光を、ビームスプリッタ3の後面に向けて入射させる。
The
The
結像レンズ5は、ビームスプリッタ3の光出射側面と撮像素子6との間に配されており、ビームスプリッタ3の光出射側面から出射された光を撮像素子6へ導く。
なお、結像レンズ5と撮像素子6の間に、絞り板8が配されている。
The
A
撮像素子6は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)であり、参照面で反射された第一反射光と、被検面で反射された第二反射光とを干渉させて生成した干渉縞の撮像を行う。
また、撮像素子6は、撮像した干渉縞に関するデータ(例えば、干渉縞の画像データ)を、制御部7に出力する。
The
Further, the
制御部7は、入力された干渉縞に関するデータに基づき、所定の測定処理を実行する。
例えば、制御部7は、干渉縞に関するデータに基づいて、第一反射光と第二反射光との光路差の分布を算出する。また、制御部7は、算出した光路差の分布に基づき、例えば、球体の真球度を算出する。
また、制御部7は、反射光の測定を行った被測定物としての球体の配置に基づき、球体の曲率半径を算出する。
The control unit 7 performs a predetermined measurement process based on the input data regarding interference fringes.
For example, the control unit 7 calculates the distribution of the optical path difference between the first reflected light and the second reflected light based on the data regarding the interference fringes. Further, the control unit 7 calculates, for example, the sphericity of the sphere based on the calculated distribution of optical path differences.
Moreover, the control part 7 calculates the curvature radius of a sphere based on the arrangement | positioning of the sphere as a to-be-measured object which measured the reflected light.
次に、本発明に係る球体の真球度の測定方法について説明する。 Next, a method for measuring the sphericity of a sphere according to the present invention will be described.
図1に示すように、干渉計100における所定の載置位置(載置台9)に、被測定物である光学的に透明な球体10を載置する。なお、載置台9に載置された球体10は、図示しない駆動部によって、光軸に沿った方向や、光軸と交差する方向に移動可能に備えられている。
As shown in FIG. 1, an optically
次いで、光源1から球体10に向けて光を照射し、球体10の中心Oに焦点を合わせるように、その球体10の位置(球体10が載置された載置台9の位置)を調整する。
ここで、光源1から照射された光の焦点が球体10の中心Oに合った場合、球体10の光源1側の上面を参照面11とし、球体10の光源1と反対側の下面を被検面12とすると、図2に示すように、入射光が参照面11で反射された第一反射光R1と、入射光が参照面11を透過し被検面12で反射された第二反射光R2とが生じる。
そして、第一反射光R1と第二反射光R2は、それぞれ入射光の経路をたどるように戻り、対物レンズ4、ビームスプリッタ3、結像レンズ5を通じて、撮像素子6へと導かれる。ただし、第二反射光R2は第一反射光R1より、球体10の中心Oを通過する一往復分(参照面11と被検面12の間の一往復分)、長い光路を有している。
Next, light is emitted from the
Here, when the light emitted from the
Then, the first reflected light R1 and the second reflected light R2 return to follow the path of the incident light, respectively, and are guided to the
こうして、球体10における参照面11と被検面12の間の一往復分の光路長が異なる第一反射光R1と第二反射光R2が同じ経路を通って撮像素子6に導かれるため、第一反射光R1と第二反射光R2とがその光路長が異なることに伴い干渉することとなり、撮像素子6において干渉縞が検出されて測定される。
Thus, the first reflected light R1 and the second reflected light R2 having different optical path lengths for one round trip between the
なお、図3に示すように、光源1から照射された光の焦点が球体10の中心Oに合わない場合、反射光が入射光の経路をたどって戻ることができないので、反射光が撮像素子6へ導かれない。
つまり、球体10の中心Oに焦点を合わせることで、撮像素子6に反射光が到達することとなるので、撮像素子6への反射光の到達を指標とすることによって、球体10の中心Oに焦点を合わせる作業(球体10の位置調節作業)を比較的容易に行うことが可能になっている。
As shown in FIG. 3, when the light emitted from the
That is, since the reflected light reaches the
次いで、撮像素子6で測定された干渉縞に基づき、制御部7が、測定された範囲中の各点での、参照面11と被検面12との間の光路差の分布を算出する(後述する式(1)参照)。
例えば、制御部7は、干渉縞の画像データに対してフーリエ変換法による処理を施すことで、光の位相(例えば、被検面12の位相)を求めて、各点での光路差の分布を算出する。つまり、撮像素子6で測定された干渉縞は、球体10の光学的な直径(球体10の中心Oを通る参照面11と被検面12の距離)のばらつきを含んでいるので、この干渉縞から、測定された範囲中の各点における参照面11と被検面12との間の光路差の分布を算出することができる。
また、制御部7は、算出した光路差の分布に基づき、球体10の真球度を算出する(後述する式(2)参照)。
Next, based on the interference fringes measured by the
For example, the control unit 7 obtains the phase of the light (for example, the phase of the test surface 12) by performing processing by Fourier transform on the image data of the interference fringes, and distributes the optical path difference at each point. Is calculated. That is, the interference fringes measured by the
Further, the control unit 7 calculates the sphericity of the
例えば、球体10の直径をD(θ,φ)とし(θ:球の緯度にあたる角度、φ:球の経度にあたる角度)、球体10内部の屈折率をnとした場合、干渉縞に基づいて制御部7で計算された光路差の分布m(θ,φ)は、以下の式(1)で表すことができる。
For example, when the diameter of the
また、制御部7は、算出した光路差の分布m(θ,φ)における、m(θ,φ)の最大値と最小値の差をとり、光学的な真球度S0を以下の式(2)により算出する。
S0=max(m(θ,φ))−min(m(θ,φ)) … 式(2)
The control unit 7, in the distribution m of the calculated optical path difference (θ, φ), m ( θ, φ) takes the difference between the maximum value and the minimum value of the following formula an optical sphericity S 0 Calculate by (2).
S 0 = max (m (θ, φ)) − min (m (θ, φ)) (2)
また、球体材料の屈折率nが既知である場合、光路差の分布m(θ,φ)を屈折率nで割ることにより、直径値のばらつきを算出することができる(式(3))。
DA(θ,φ)=m(θ,φ)/n … 式(3)
また、球体10の(実長さでの)真球度Sは、以下の式(4)により算出できる。
S=max(DA(θ,φ))−min(DA(θ,φ)) …式(4)
Also, when the refractive index n of the spherical material is known, the variation in diameter value can be calculated by dividing the optical path difference distribution m (θ, φ) by the refractive index n (Equation (3)).
D A (θ, φ) = m (θ, φ) / n (3)
Further, the sphericity S (in actual length) of the
S = max (D A (θ, φ)) − min (D A (θ, φ)) (4)
なお、ここで測定された干渉縞は、1回の測定で光が当たった範囲のものであるので、球体10の全面に亘る測定を行う場合には、球体10を回転させての複数の測定を行う必要がある。その際、図4に示すように、各測定での測定範囲の一部分が重なるスティッチングを行うようにすることで、球体10全体の真球度を求めることができる。
In addition, since the interference fringes measured here are those in the range where light hits in one measurement, when performing measurement over the entire surface of the
このように、本発明に係る球体の真球度の測定方法によれば、光学的に透明な球体10の上面を参照面11とし、球体10の下面を被検面12とすることで、フィゾー型干渉計を応用した干渉計100を用いて、参照面11と被検面12との間の光路差の分布を算出することができ、その光路差分布に基づいて球体10の真球度を算出することができる。
特に、干渉計100における撮像素子6への反射光の到達を指標とすることによって、球体10に向けて照射する光の焦点を球体10の中心Oに合わせる作業を比較的容易に行うことができるので、撮像素子6による干渉縞の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体10の真球度の測定を行うことができる。
As described above, according to the method for measuring the sphericity of a sphere according to the present invention, the upper surface of the optically
In particular, by using the arrival of reflected light to the
次に、本発明に係る球体の曲率半径の測定方法について説明する。 Next, a method for measuring the radius of curvature of the sphere according to the present invention will be described.
図5に示すように、干渉計100における載置台9に、光学的に透明な球体10を載置する。
次いで、その球体10に向けて光源1から光を照射し、載置台9の位置を調整することで、球体10の中心Oに焦点を合わせる(図中、左側の状態)。この球体10の中心Oに光の焦点があった状態で、第一反射光R1と第二反射光R2とにより干渉縞が生成されるので、撮像素子6において干渉縞が検出される。なお、前述したように、球体10に向けて照射する光の焦点を球体10の中心Oに合わせる作業は、撮像素子6への反射光の到達(具体的には、反射光の到達光量)を指標とすることによって容易に行うことができる。
そして、この球体10の中心Oに焦点が合って、干渉縞が生成した際の球体10の位置(例えば、球体10が載置された載置台9の位置であって、光軸方向に沿う位置)を測定し、その位置を第一配置とする。
As shown in FIG. 5, an optically
Next, light is emitted from the
The position of the
次いで、球体10を、光源1から光軸(例えば、対物レンズ4における光軸)に沿った方向に離間させるように、載置台9を移動させる。なお、球体10が光源1から離間するように移動すると、光源1から照射された光の焦点が球体10の中心Oからずれるので、反射光が撮像素子6にほとんど導かれなくなる。
そして、球体10の上面である参照面11に光の焦点が合うまで移動させる(図中、右側の状態)。なお、この球体10表面の参照面11に光の焦点が合うと、その反射光が撮像素子6に届くようになり、その反射光を検出可能になる。つまり、撮像素子6への反射光の到達を指標とすることによって、球体10の参照面11に焦点を合わせる作業を比較的容易に行うことができる。
この球体10の参照面11に焦点が合って、撮像素子6が反射光を検出した際の球体10の位置(例えば、球体10が載置された載置台9の位置)を測定し、その位置を第二配置とする。
Next, the mounting table 9 is moved so that the
Then, the light is moved until the light is focused on the
The position of the sphere 10 (for example, the position of the mounting table 9 on which the
次いで、球体10(載置台9)の第一配置から第二配置までの移動量を求め、その移動量に基づき、制御部7が球体10の曲率半径Crを算出する。
なお、本実施形態の場合、光源1から照射された光の焦点が、球体10の中心Oから球体10の表面(参照面11)まで移動するように、球体10(載置台9)が移動されているので、その移動量は球体10の半径に相当しており、この第一配置から第二配置までの移動量Crが、曲率半径「Cr」として測定される。
Next, the movement amount from the first arrangement to the second arrangement of the sphere 10 (mounting table 9) is obtained, and the control unit 7 calculates the curvature radius Cr of the
In the case of this embodiment, the sphere 10 (mounting table 9) is moved so that the focal point of the light emitted from the
このように、本発明に係る球体の曲率半径の測定方法によれば、光学的に透明な球体10の上面を参照面11とし、球体10の下面を被検面12とすることで、フィゾー型干渉計を応用した干渉計100を用いて、光源1から照射された光の焦点が球体10の中心Oとなる球体10の第一配置と、光源1から照射された光の焦点が球体10の表面(参照面11)となる球体10の第二配置を容易に検出することができ、その第一配置から第二配置までの移動量に基づいて、球体10の曲率半径を測定することができる。
特に、干渉計100における撮像素子6への反射光の到達を指標とすることによって、第一配置と第二配置とを容易に検出することができるので、球体10の半径に相当する第一配置から第二配置までの移動量の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体10の曲率半径の測定を行うことができる。
As described above, according to the method for measuring the radius of curvature of the sphere according to the present invention, the upper surface of the optically
In particular, since the first arrangement and the second arrangement can be easily detected by using the arrival of reflected light to the
なお、以上の実施の形態において、曲率半径のみを測定する場合、撮像素子6で反射光の光量ピークの検出を行えれば曲率半径の測定が可能となるので、撮像素子6にCCDを用いる必要はなく、例えば、より安価な半導体光電変換素子等を用いてもよい。なお、この構成の場合、球体の上面での反射がなされればよいので、球体が透明である必要もない。
In the above embodiment, when only the radius of curvature is measured, it is possible to measure the radius of curvature if the
また、以上の実施の形態における球体の曲率半径の測定方法において、球体10(載置台9)の移動量に基づき、球体の曲率半径を測定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、対物レンズ4を移動させることで焦点を移動させるようにして、その対物レンズ4の移動量に基づいて球体の曲率半径を測定してもよい。
In the method for measuring the radius of curvature of the sphere in the above embodiment, the radius of curvature of the sphere is measured based on the amount of movement of the sphere 10 (mounting table 9). However, the present invention is not limited to this. For example, the focal point may be moved by moving the
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。 In addition, it is needless to say that other specific detailed structures can be appropriately changed.
1 光源
2 コリメータレンズ
3 ビームスプリッタ
4 対物レンズ
5 結像レンズ
6 撮像素子
7 制御部
8 絞り板
9 載置台
10 球体
11 参照面(上面)
12 被検面(下面)
100 干渉計
O 中心(球体の中心)
R1 第一反射光
R2 第二反射光
Cr 曲率半径(移動量)
DESCRIPTION OF
12 Test surface (bottom surface)
100 Interferometer O Center (sphere center)
R1 First reflected light R2 Second reflected light Cr Curvature radius (movement amount)
Claims (2)
前記球体の前記光源側の上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過し前記球体の前記光源と反対側の下面で反射された第二反射光とを干渉させ、
前記第一反射光と前記第二反射光とが干渉することで生成した干渉縞を測定することにより得られる前記第一反射光と前記第二反射光との光路差に基づき、前記球体の真球度を算出することを特徴とする球体の真球度の測定方法。 In order to focus on the center of an optically transparent sphere, light is emitted from a predetermined light source toward the sphere,
The first reflected light reflected by the upper surface of the sphere on the light source side and the second reflected light transmitted through the upper surface and reflected by the lower surface of the sphere opposite to the light source;
Based on the optical path difference between the first reflected light and the second reflected light obtained by measuring the interference fringes generated by the interference between the first reflected light and the second reflected light, the trueness of the sphere is determined. A method for measuring the sphericity of a sphere, wherein the sphericity is calculated.
前記球体の前記光源側の上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過し前記球体の前記光源と反対側の下面で反射された第二反射光とが干渉して干渉縞が生成される際に、前記球体が位置する第一配置を測定し、
次いで、前記球体を前記光源から光軸に沿って離間させて前記球体の前記上面に焦点が合った際に、前記球体が位置する第二配置を測定し、
前記第一配置から前記第二配置までの移動量に基づき、前記球体の曲率半径を算出することを特徴とする球体の曲率半径の測定方法。 In order to focus on the center of an optically transparent sphere, light is emitted from a predetermined light source toward the sphere,
The first reflected light reflected from the upper surface of the sphere on the light source side and the second reflected light transmitted through the upper surface and reflected from the lower surface opposite to the light source of the sphere interfere to generate interference fringes. Measuring the first arrangement where the sphere is located,
Then, when the sphere is separated from the light source along the optical axis and the upper surface of the sphere is focused, a second arrangement where the sphere is located is measured.
A method for measuring a radius of curvature of a sphere, wherein the radius of curvature of the sphere is calculated based on a movement amount from the first arrangement to the second arrangement.
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