JP2011215018A - 非球面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非球面形状を高精度に測定する際に、被測定物の着脱が正確な位置に作業性よく行える測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物１０を保持する被測定物保持機構Ａと、測定光を照射して光干渉測定を行う干渉光学系２を有する干渉光学機構Ｂとは、それぞれ相対的に移動可能に設置されてなり、被測定物保持機構Ａに被測定物１０を先端に保持しエアスピンドルによる回転機構７０で回転駆動されるサンプルステージ６と一体に回転する回転体６４を設けるとともに、該回転体に形成された凹状の係合部６４ａに係合してその回転を規制する規制機構６５を設け、被測定物の着脱時にはサンプルステージの回転を規制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定物の非球面形状を有する被測定面（被検面）に測定光を照射し、被測定面からの戻り光と参照光との干渉により得られる干渉縞に基づき被測定面の形状を測定する非球面形状測定装置に関し、とくに被測定物を保持するサンプルステージの構造に関するものである。

従来、非球面形状の被測定面に球面波を照射して被測定面からの戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞に基づき、被測定面の局所的な形状を特定する手法が知られているが、このような手法により被測定面全域に対応した干渉縞を得ることは難しい。

そこで、干渉計または被測定面を測定光軸方向に順次移動させることにより、被測定面の径方向の部分領域毎に対応した干渉縞が順次生じるようにし、その各干渉縞を解析して被測定面の径方向の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被測定面全域の形状を特定する手法が知られている（下記特許文献１参照）。

一方、干渉計または被測定面を測定光軸と垂直な面内において順次移動させ、移動毎に被測定面の各部分領域に対応した干渉縞を縞解析可能な程度に拡大して撮像し、その各干渉縞を解析して被測定面の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被測定面全域の形状を特定する手法も知られている（下記特許文献２参照）。

特開昭６２−１２６３０５号公報 米国特許第６,９５６,６５７号明細書

近年、非球面レンズの形状が複雑化しており、例えば、１つのレンズ面（被測定面）において、レンズ面の中心軸を中心に、凹形状となっている部分（凹面部）と凸形状となっている部分（凸面部）とを併せ持つような非球面形状のものが利用されるようになっている。このような凹面部と凸面部を有する被測定面の形状を光干渉測定により測定することは困難であるとされ、これまでは、光触針を用いた三次元形状測定により形状測定が行われていた。

すなわち、一般的な光干渉測定法では、被測定面に照射された測定光が被測定面から再帰反射される（戻り光が元の光路を逆進する）領域のみで適正な干渉縞が得られるが、被測定面に照射される測定光が、測定光軸に沿って発散しながら進行する球面波か、測定光軸に沿って収束しながら進行する球面波のいずれかに固定されている上記特許文献１、２記載の手法では、被測定面からの戻り光の進行方向が凹面部と凸面部とで全く異なるため、凹面部と凸面部の両方の領域で共に適正な干渉縞を得ることができないのである。

上記のような点から、本発明の発明者らは、例えば、上記のような凹面部と凸面部を有する非球面形状の測定においても、被測定物と干渉光学系とを相対的に３軸方向に移動可能であるとともに、被測定物をその中心軸の回りに回転させつつ光干渉測定を行い、さらに順次被測定物の中心軸と干渉光学系の測定光軸とのなす角度を変更しつつ同様に被測定物をその中心軸を中心として回転させつつ光干渉測定を行うことを繰り返し、その各干渉縞を解析して被測定面の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被測定面全域の形状を特定する手法が有効であることを研究結果として得ている。

その際に、上記のような被測定物を保持して非球面形状の中心軸回りに回転させる被測定物保持機構において、被測定物を保持するサンプルステージは、回転機構によって回転駆動されていない状態では回転抵抗が作用しない状態とすることが精度確保の点および耐久性の点で有利となる。しかし、測定時に被測定物をセットする場合、および測定後に被測定物を取り外す場合において、サンプルステージが自由回転状態となっていると、被測定物の着脱作業が行い難いとともに、被測定物の保持位置および保持角度の精度が確保し難い問題を有している。

一方、サンプルステージに摺動抵抗を作用させてブレーキをかける停止機構を設置した際には、そのブレーキ力を作用させた停止状態においては、被測定物の着脱が行いやすくなるが、ブレーキ力を作用させる際に、軸に垂直方向に力が作用すると、軸の変形を招いて保持する被測定物の保持位置精度が低下し、測定精度の確保が困難となる問題を有している。また、被測定物の回転角度と測定した表面形状との関係を求めることからも、基準位置に被測定物をセットする必要があり、その作業性および精度の確保が容易に行えるように構成することが要望されている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、被測定面の非球面形状を高精度に測定する際に、被測定物の着脱が正確な位置に作業性よく行えるようにした非球面形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の非球面形状測定装置は以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る非球面形状測定装置は、非球面形状の被測定面を有する被測定物を保持する被測定物保持機構と、前記被測定物の被測定面に測定光を照射し該被測定面からの戻り光と参照光との干渉による干渉縞を取得する光干渉測定を行う干渉光学系を有する干渉光学機構とを備え、前記干渉縞に基づき前記被測定面の形状を測定する非球面形状測定装置であって、
前記被測定物保持機構は、前記被測定物を先端に保持して回転可能なサンプルステージおよび該サンプルステージを回転駆動するエアスピンドルによる回転機構を備え、
前記サンプルステージと一体に回転する回転体を設けるとともに、該回転体に形成された凹状の係合部に被測定物の着脱時に係合して前記回転体の回転を規制する規制機構を設けたことを特徴とする。

また、本発明における前記規制機構は、前記サンプルステージを保持する基台部に係合状態と解放状態とに移動可能に設置され、係合状態において該規制機構のストッパ部材が前記係合部に係合して前記回転体を回転規制する一方、解放状態において該規制機構のストッパ部材は前記係合部から離脱して前記回転体の回転規制を解放するように構成するのが好ましい。

また、前記規制機構の係合状態を検出するセンサを設け、係合状態検出時には前記回転機構の作動を規制するのが好ましい。

また、本発明における前記被測定物保持機構は、前記被測定物を被測定面軸を中心として回転させる被測定物回転機構と、該被測定物回転機構を搭載し前記被測定面軸と直交方向または平行方向に直線移動させる第１スライド機構とを備え、前記干渉光学機構は、前記干渉光学系を保持し該干渉光学系をその測定光軸と前記被測定面軸とのなす測定角度を変更可能に旋回させる光学系旋回機構と、該光学系旋回機構を搭載し前記第１スライド機構の移動方向と直交方向に直線移動させる第２スライド機構とを備えることが好ましい。

前記第１スライド機構および前記第２スライド機構をエアスライドで構成するのが好適である。

前記被測定物回転機構および前記光学系旋回機構をエアスピンドルで構成するのが好適である。

なお、上記「被測定面軸」とは被測定物の被測定面における非球面形状の中心軸をいうものとする。

本発明に係る非球面形状測定装置は、上述の構成を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の非球面形状測定装置においては、非球面形状の被測定面を有する被測定物を保持する被測定物保持機構と、被測定物の被測定面に測定光を照射し該被測定面からの戻り光と参照光との干渉による干渉縞を取得する光干渉測定を行う干渉光学系を有する干渉光学機構とを、それぞれ相対的に移動可能に設置してなり、上記被測定物保持機構における被測定物を先端に保持しエアスピンドルによる回転機構で回転駆動されるサンプルステージと一体に回転する回転体を設けるとともに、該回転体に形成された凹状の係合部に被測定物の着脱時に係合して回転体の回転を規制する規制機構を設けたことにより、測定時に被測定物をセットする場合および測定後に被測定物を取り外す場合に、被測定物を保持させるサンプルステージと一体に回転する回転体の回転が規制機構によって規制されることで、サンプルステージに対する被測定物の着脱作業が基準位置に容易に作業性よく行えると同時に被測定物の保持位置および保持角度の精度が容易に確保でき測定精度を向上することができる。

また、被測定物を保持して回転機構により回転駆動される被測定物保持機構におけるサンプルステージは、非駆動時にその停止位置を保持するブレーキ機構等が不要であり、このブレーキ機構から回転軸にその変形を招くブレーキ力が作用せず、被測定物の保持精度および回転精度等の測定精度を確保する点および耐久性の点で有利となる。

また、上記サンプルステージを保持する基台部に係合状態と解放状態とに移動可能に規制機構を設置し、係合状態において該規制機構のストッパ部材が係合部に係合して回転体を回転規制する一方、解放状態において該規制機構のストッパ部材は係合部から離脱して回転体の回転規制を解放するように構成すると、測定機能および測定精度を確保しつつサンプルステージに対する規制機構の設置が簡単な構造で行える。

また、上記規制機構の係合状態を検出するセンサを設け、係合状態検出時には回転機構の作動を規制するように設けると、規制機構によってサンプルステージの回転を規制している状態において回転機構を誤作動させることが防止でき、故障の発生、測定精度の低下等の不具合を招くことなく、測定機能を維持することができる。

また、保持した被測定物を被測定面軸を中心として回転させる被測定物回転機構および該被測定物回転機構を搭載し被測定面軸と直交方向または平行方向に直線移動させる第１スライド機構を備える被測定物保持機構と、被測定面に測定光を照射して光干渉測定を行う干渉光学系を保持し該干渉光学系をその測定光軸と被測定面軸とのなす測定角度を変更可能に旋回させる光学系旋回機構および該光学系旋回機構を搭載し第１スライド機構の移動方向と直交方向に直線移動させる第２スライド機構を備える干渉光学機構とを備えるように構成すると、２軸方向に設けた第１スライド機構と第２スライド機構を別途に作動させて、それぞれの移動負荷を軽減することで移動精度を確保して測定精度を高めることができるとともに、両スライド機構を別々に配置したことで一体に構成した場合に比べて構成のコンパクト化が図れ、また、一体化構造において必要とされる周辺部材の高剛性化による精度向上を不要にし、低剛性構造で十分な測定精度を確保できる。しかも、２軸方向の回転動作を被測定物回転機構と光学系旋回機構とに分離して別途に作動させて、それぞれの移動負荷を軽減することで移動精度を確保して測定精度を高めることができ、微小非球面レンズ等の形状測定を高精度に実現できる。

また、上記第１スライド機構および第２スライド機構をエアスライドで構成すると、気体を潤滑膜とすることで使用に伴う摩耗が発生せず、被測定物および干渉光学系の移動精度すなわち測定精度を長期間にわたって良好に維持することができる。

同様に、上記被測定物回転機構および光学系旋回機構をエアスピンドルで構成すると、使用に伴う摩耗が発生せず、被測定物の回転精度および測定角度の変更精度すなわち測定精度を長期間にわたって良好に維持することができる。

本発明の一実施形態に係る非球面形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。 図１のカバーを省略した概略正面図である。 図２の定盤を省略した平面図である。 図３の一例の移動状態を示す平面図である。 図１の実施形態における光学系および制御系の構成を示す機構図である。 一例の測定動作を示す動作フロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図５の機構図では、図１〜図４に対して各部材の大きさや部材間の距離等を適宜変更して示してあり、詳細な形状や構造を示すものではない。

なお、規制機構６５は、図１の例ではストッパ部材６５ａが進退移動する方式であり、図２〜図５の例ではストッパ部材６５ａが揺動する方式を示し、各図において同じ部材には構造が異なるものでも同じ符号を付している。

図１〜図５に示す本実施形態の非球面形状測定装置１は、被測定物１０（非球面レンズ）が有する回転対称な被測定面１０ａ（図５参照）の非球面形状を測定解析するものであり、被測定面１０ａに測定光を照射し該被測定面１０ａからの戻り光を参照光と合成して干渉光を得る干渉光学系２と、得られた干渉光により形成される干渉縞を撮像する第１撮像系３および第２撮像系４と、撮像された干渉縞を解析して被測定面１０ａの形状を求める測定解析系５（図５参照）と、被測定物１０を保持姿勢が手動調整可能であるサンプルステージ６と、を備えてなる。

そして、上記サンプルステージ６を含み、保持姿勢が調整された被測定物１０を被測定面軸Ｓの回りに回転させる第１エアスピンドル７０（被測定物回転機構）、およびＸ方向（被測定面軸Ｓと直交する方向）に直線（スライド）移動させる第１のエアスライド７（第１スライド機構）を備えた被測定物保持機構Ａが構成される。また、上記干渉光学系２、第１撮像系３および第２撮像系４を含み、これらを鉛直方向であるＺ方向を中心として旋回させる第２エアスピンドル８０（光学系旋回機構）、およびＹ方向（被測定面軸Ｓと平行方向）に直線（スライド）移動させる第２のエアスライド８（第２スライド機構）を備えた干渉光学機構Ｂが構成される。

＜被測定物保持機構Ａ＞
上記サンプルステージ６は、図２、図３および図５に示すように、移動ベースとなる基台部６０と、該基台部６０に取り付けられた手動調整部６１と、該手動調整部６１に回転軸Ｅと被測定面軸Ｓ（図５参照）との位置調整可能に設置され、後述の第１エアスピンドル７０（被測定物回転機構）を介して回転可能に保持された回転ステージ部６２と、該回転ステージ部６２の先端に設置された被測定物ホルダー６３とを備え、該被測定物ホルダー６３に被測定物１０が保持される。

また、上記サンプルステージ６は、回転ステージ部６２と一体に回転するフランジ板状の回転体６４を備えるとともに、該回転体６４に形成された凹状の係合部６４ａに係合して回転体６４の回転を規制する規制機構６５を備えている。該規制機構６５はストッパ部材６５ａで構成され、サンプルステージ６を保持する基台部６０に、係合状態と解放状態とにストッパ部材６５ａが進退移動可能（図１参照）に、または揺動可能（図２〜図４参照）に設置されている。さらに、規制機構６５の係合状態を検出するセンサ６６を設け、その検出信号は後述の解析制御装置５０に入力され、該センサ６６の検出動作時には、図６により後述するように、第１エアスピンドル７０（被測定物回転機構）の作動を不作動状態に規制する。

具体的には、図１の例においては、規制機構６５の棒状のストッパ部材６５ａは基台部６０を貫通して軸方向に沿って進退移動するように設置されたものであり、その動作に応じて回転体６４の外周部に軸方向に形成された貫通孔状の凹状係合部６４ａに挿入されて係合状態となり、回転体６４の回転を規制する。つまり、図１に示すストッパ部材６５ａが前進係合位置にある規制状態では、規制機構６５が回転体６４に係合して、該回転体６４を基台部６０と一体に回転しないように規制する一方、ストッパ部材６５ａが後退位置に作動した解放状態では、規制機構６５が回転体６４から離れて、該回転体６４の規制状態を解放して回転可能とする。センサ６６は、ストッパ部材６５ａが前進位置にある場合に検出動作し、検出信号を出力する。

なお、詳細は図示してないが、上記棒状のストッパ部材６５ａが貫通孔状の凹状係合部６４ａに軸方向から挿入係合された際に、ストッパ部材６５ａの外周面と係合部６４ａの内面との間の間隙（クリアランス）は、回転体６４の周方向（図で左右方向）においては、例えば０．２ｍｍ程度の小さい値に設定される。この間隙は小さいほど回転体６４の位置規制が正確で規制状態での移動量（回転量）が小さく、被測定物１０の装着精度が確保しやすくなるが、回転体６４の停止位置精度を高める必要がある。一方、半径方向（図で上下方向）のストッパ部材６５ａと係合部６４ａの間隙については、位置精度が要求されないので、係合部６４ａの形状は、半径方向に延びる長円形状、または後述の外周面から溝状に形成されたＵ溝もしくはＶ溝形状などに設けることも可能である。

また、ストッパ部材６５ａの先端形状もしくは係合部６４ａの厚み方向の開口縁形状は、曲面形状、円錐形状などのテーパー形状に設けると、ストッパ部材６５ａの係合部６４ａへの挿入動作において、両者の中心位置のずれが、前記間隙を越えて大きい場合においても、挿入動作に伴うテーパー形状の摺接によって回転体６４が微小回転して挿入係合が許容される点で好ましい。

また、図２〜図５の例においては、規制機構６５の棒状のストッパ部材６５ａは基台部６０の上部に起伏揺動可能に設置されたものであり、その動作に応じて回転体６４の外周面に軸方向に形成されたＵ溝状、Ｖ溝状などの溝状の凹状係合部６４ａおよび基台部６０の係合部６０ａに上側から係合状態となり、回転体６４の回転を規制する。つまり、図２および図３に示すストッパ部材６５ａが倒伏位置にある規制状態では、規制機構６５が回転体６４に係合して、該回転体６４を基台部６０と一体に回転しないように規制する一方、図４および図５に示すストッパ部材６５ａが起立位置に作動した解放状態では、規制機構６５が回転体６４から離れて、該回転体６４の規制状態を解放して回転可能とする。センサ６６は、ストッパ部材６５ａが倒伏位置にある場合に検出動作し、検出信号を出力する。

なお、詳細は図示してないが、上記棒状のストッパ部材６５ａが溝状の凹状係合部６４ａに外周から係合された際に、ストッパ部材６５ａの外周面が係合部６４ａの中心側部分に衝突しないように、両者間に半径方向の間隙（クリアランス）が設定されている。また、ストッパ部材６５ａと係合部６４ａとの周方向の間隙は、例えば０．２ｍｍ程度の小さい値に設定され、係合状態における回転体６４の許容移動量（回転量）が小さくなるようにしている。その際、溝状の係合部６４ａの外周側の開口形状が外側が広がるようにテーパー形状（案内形状）に設けると、係合移動するストッパ部材６５ａの中心位置と、溝状の係合部６４ａの中心位置のずれが上記間隙より大きい場合においても、前述と同様に、テーパー形状の摺接によって回転体６４が微小回転して挿入係合を許容する点で好ましい。

また、上記図１の例における進退作動方式のストッパ部材６５ａの構成に対し、上記図２〜図５の例における回転体６４および基台部６０に形成された溝状の係合部６４ａ，６０ａを適用するように構成してもよい。

また、図１〜図５の各図において、その規制機構６５、センサ６６などを基台部６０に設置するためのブラケットなどの取付構造は、図示を省略しているが適宜の取付構造が採用可能である。規制機構６５の移動機構（手動または自動）についても、図示を省略しているが、適宜の機構が採用可能である。

そして、上記手動調整部６１は、回転ステージ部６２すなわち被測定物ホルダー６３の回転中心位置がその平面内でＸ方向およびＺ方向に調整可能であるとともに、回転中心の傾きがθＸ方向θＺ方向に調整可能であり、後述の干渉光学系２の測定光軸Ｌとの初期調整を行うように構成されている。その調整により、初期状態において、被測定物１０の被測定面軸Ｓと手動調整部６１の回転軸Ｅとが一致するように、さらに、干渉光学系２の測定光軸Ｌとが一致するように設定してから測定が開始される。

また、上記サンプルステージ６に保持された被測定物１０は、第１エアスピンドル７０（被測定物回転機構）によって測定時に回転作動されるとともに、測定角度を変更する際に第１エアスライド７（第１スライド機構）によってＸ方向位置が移動操作される。つまり、前記基台部６０に第１エアスピンドル７０が手動調整部６１と同軸に取り付けられ、その回転駆動力が上記回転ステージ部６２に伝達され、保持した被測定物１０とともに回転ステージ部６２を回転作動させるように設けられている。

さらに、上記基台部６０が第１エアスライド７の摺動台７３に搭載され、該摺動台７３が定盤９（防振台）にＸ方向に敷設されたガイド７４に摺動可能に載置されている。この第１エアスライド７は、静圧気体軸受けであり摺動台７３に加圧エアが導入され、ガイド７４との隙間に気体潤滑膜が生成されて摺動台７３がガイド７４から浮上し、不図示のモータの駆動によって摺動台７３をガイド７４に沿って移動操作可能に設けられている。ガイド７４の位置は不図示のエンコーダにより検出され、解析制御装置５０によってＸ方向位置が制御される。

また、上記第１エアスピンドル７０は、図示してないが、ケース内に回転軸が気体潤滑膜を介して回転可能に保持され、その回転軸にはサーボモータが設置されて回転駆動される公知の構造であり、回転位置（回転量）はエンコーダにより検出され、解析制御装置５０によって回転位置が制御される。

該第１エアスピンドル７０の停止位置は、前述の規制機構６５における基準位置、つまり、回転体６４の停止状態において係合部６４ａの位置がストッパ部材６５ａの係合位置に一致するように、上記エンコーダの信号に基づきサーボ制御される。その際、回転体６４の停止位置精度は、係合位置に移動するストッパ部材６５ａが該回転体６４に接触しないことが理想であるが、接触してもそのストッパ部材６５ａから加わる力が、回転体６４を回転させる方向に作用するように、前述のようにストッパ部材６５ａの形状もしくは係合部６４ａの形状がテーパ形状に構成されている。換言すれば、上記ストッパ部材６５ａから作用する力が、回転体６４を保持している軸の変位を伴うことなく、とくに回転体６４の回転軸に対して垂直方向からの力、つまり回転軸を曲げるような力が極力作用しないような規制機構６５に構成されている。

＜干渉光学機構Ｂ＞
干渉光学系２は、図５に示すように、フィゾータイプの光学系配置をなすものであり、高可干渉性の光束を出力する光源部２０と、該光源部２０からの出力光のビーム径を拡大するビーム径拡大レンズ２１と、後述の干渉光を図中上方に向けて反射する光束分岐光学素子２２と、該光束分岐光学素子２２を透過した光束をコリメートするコリメータレンズ２３と、該コリメータレンズ２３からの平面波の一部を参照基準平面２４ａにおいて再帰反射して参照光となし、その余を測定光軸Ｌに沿って進行する測定光として照射する平面基準板２４と、これらの光学素子を収納した鏡筒２５とを備えてなる。また、上記平面基準板２４は、ピエゾ素子２９を備えたフリンジスキャンアダプタ２８に保持され、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｌ方向に微動するように構成されている。

なお、図５は説明用に大きさを変更して示しており、とくに測定光として被測定面１０ａに照射される光束の径は被測定面１０ａの外径に対して非常に小さく、その照射測定範囲は部分的であり、後述のように被測定面１０ａは同心円状に複数の輪帯状（径の異なるリング状）に分割された測定領域に設定される。

上記第２撮像系４は、主に、被測定面１０ａが初期姿勢（測定光軸Ｌと回転軸Ｅとが互いに一致し、かつ被測定面軸Ｓが測定光軸Ｌと平行となる状態の姿勢）をとるときに撮像を行うものであり、上記干渉光学系２の光束分岐光学素子２２により図中上方に向けて反射され、第１撮像系３に向けて干渉光を反射するための光束分岐光学素子３４を透過した干渉光を集光する結像レンズ４０と、エリアＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ４２を有してなる撮像カメラ４１と、これらの光学素子を収納した鏡筒４５とを備えてなり、結像レンズ４０により２次元イメージセンサ４２上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

また、上記第１撮像系３は、被測定面１０ａの回転時に撮像を行うものであり、上記光束分岐光学素子３４により反射され図中右方に進行する干渉光を集光する結像レンズ３０と、ラインＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ３２を有してなる撮像カメラ３１と、これらの光学素子を収納した鏡筒３５とを備えてなり、結像レンズ３０により１次元イメージセンサ３２上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

なお、上記干渉光学系２の鏡筒２５は水平方向（測定初期状態でＹ方向）に配置され、該鏡筒２５の上部に第２撮像系４の鏡筒４５が縦方向（Ｚ方向）に立設されるとともに、鏡筒２５と平行に第１撮像系３の鏡筒３５が設置され、各鏡筒２５，３５，４５は相互に固定され、一体的に移動するようになっている。

上記干渉光学系２（第１撮像系３および第２撮像系４）は、第２エアスピンドル８０（光学系旋回機構）によって測定角度の変更時に旋回作動されるとともに、測定角度を変更する際に第２エアスライド８（第２スライド機構）によってＹ方向位置が移動操作される。つまり、回転軸がＺ方向となるように縦向きに設置された第２エアスピンドル８０の上端に、前記干渉光学系２の鏡筒２５が搭載されている。そして、該第２エアスピンドル８０は保持部８１に保持され、その回転駆動力が上記鏡筒２５に伝達され、干渉光学系２（第１撮像系３および第２撮像系４）をＺ軸を中心として旋回作動（θＺ）させるように設けられている。

さらに、上記保持部８１が第２エアスライド８の基台部８２の中間位置（図３参照）に搭載されている。該基台部８２の図３で上方の一端は第２エアスライド８の摺動台８３に搭載され、該摺動台８３は定盤９（防振台）に設置されたＹ方向（第１エアスライド７の移動方向に直交する方向）に敷設されたガイド８４に摺動可能に載置されている。上記基台部８２の図３で下方の他端はエアブッシュ８６によって摺動台８３が水平となるように所定の高さに保持されている。該エアブッシュ８６は導入された圧縮空気によって底面が定盤９の上面に対して気体潤滑膜を介して浮上するように構成され、定盤９上を低摩擦状態で摺動する。

そして、第２エアスライド８は、上記第１エアスライド７と同様に摺動台８３に加圧エアが導入され、ガイド８４との隙間に気体潤滑膜が生成されて摺動台８３がガイド８４から浮上し、不図示のモータの駆動によって摺動台８３をガイド８４に沿って移動操作可能に設けられている。このガイド８４の位置は不図示のエンコーダによって検出され、解析制御装置５０によってＹ方向位置が制御される。

また、上記第２エアスピンドル８０は、図示してないが、第１エアスピンドル７０と同様にケース内に回転軸が気体潤滑膜を介して回転可能に保持され、その回転軸にはサーボモータが設置されて回転駆動される公知の構造であり、回転位置（回転量）はエンコーダによって検出され、解析制御装置５０により回転位置が制御される。この第２エアスピンドル８０は、干渉光学系２の鏡筒２５を保持している部分が基台部８２および摺動台８３に対して昇降移動可能であり、下方に設置された昇降アクチュエータ８７の駆動によって昇降移動され、その昇降位置がエンコーダによって検出され、解析制御装置５０によりＺ方向位置が制御される。

上記被測定物保持機構Ａおよび干渉光学機構Ｂの動作により、上記被測定面１０ａは、干渉光学系２の測定光軸Ｌに対する相対姿勢（測定光軸Ｌに対する傾き角度およびＸ，Ｙ，Ｚ方向位置）を自在に変更し得るようになっている。

上記被測定物保持機構Ａおよび干渉光学機構Ｂは、図１に示すように、定盤９上に設置され、この定盤９は支持脚９１上に設置された防振台９２に載置され、上部空間はカバー９５によって覆われ、測定部分の急激な温度変化および湿度変化に伴う測定精度の低下を防止している。該カバー９５には、前扉９５ａおよび上扉９５ｂが設けられ、被測定物１０の交換時等に開いて測定者による作業が行えるようにしている。

なお、前記干渉光学機構Ｂにおける昇降アクチュエータ８７は、定盤９より下方に延びて設置されているものであり、この場合には定盤９に昇降アクチュエータ８７が移動可能な長孔（不図示）が開口形成され、干渉光学系２のＹ方向移動を許容するように設けられている。

＜測定解析系５＞
上記測定解析系５は、１次元イメージセンサ３２および２次元イメージセンサ４２により取得された干渉縞の画像データの信号を受け、その画像データに基づき被測定面１０ａの形状データおよび被測定面１０ａの面偏芯量を演算解析するとともに、図６に基づき後述するような測定動作を制御するために、被測定物保持機構Ａの第１エアスライド７、第１エアスピンドル７０および上記干渉光学機構Ｂの第２エアスライド８、第２エアスピンドル８０、昇降アクチュエータ８７に駆動信号ａ〜ｆ（図５参照）を出力し、その駆動を制御するもので、コンピュータ等からなる解析制御装置５０と、該解析制御装置５０による解析結果や画像を表示する表示装置５１と、キーボードやマウス等からなる入力装置５２とを備えてなる。

そして、上記被測定物１０は、被測定面軸Ｓを中心とした回転対称な被測定面１０ａを有しており、該被測定面１０ａは、上記干渉光学系２側に凹となる凹面部と、凸となる凸面部と、凹面部と凸面部との境界部分に位置する軸外停留点部とを有し、その形状に応じて、被測定面１０ａの設計データに基づき、該被測定面１０ａ上に、該被測定面１０ａを径方向に輪帯状（径の異なる同心円リング状）に分割してなる複数の測定領域を設定するものである。

上記被測定面１０ａが初期姿勢をとるときに第２撮像系４の２次元イメージセンサ４２により撮像された干渉縞画像に基づき、測定光軸Ｌと被測定面軸Ｓとが一致するように手動調整部６１を手動調整するものである。

また、解析制御装置５０は、測定光軸Ｌの被測定面１０ａとの交点位置が、設定された複数の測定領域上に順次移動するように、かつ移動毎に測定光軸Ｌが交点位置における被測定面１０ａの接平面と垂直に交わるように、被測定面１０ａに対する測定光軸Ｌの相対姿勢を、移動部分が相互に干渉することなく第１エアスライド７、第２エアスライド８、第２エアスピンドル８０、昇降アクチュエータ８７の駆動を制御する。さらに、上記第１エアスピンドル７０の作動により、被測定面１０ａを回転させつつ第１撮像系３の１次元イメージセンサ３２により撮像された各測定領域別干渉縞と、該各干渉縞が撮像されたときの被測定面１０ａの姿勢および回転角度の各データとに基づき、上記複数の測定領域の各々に対応した各形状情報を求めるとともに、各形状情報を繋ぎ合わせることにより分割した複数の測定領域を互いに合成して被測定面全域の形状情報を求めるものである。

次に、本実施形態における非球面形状測定装置１の測定手順について図６に基づいて説明する。

まず、電源がオンとされてから、被測定物１０をセットするために初期移動操作を行う。ステップＳ１で左側の第１エアスライド７を動作させて、サンプルステージ６を手前側に測定者（オペレータ）の近傍に、被測定物１０のセット作業が行いやすいように摺動台７３を移動させるのに続いて、第２エアスライド８を動作させて、干渉光学系２を右側にサンプルステージ６から離れる方向に摺動台８３を移動させ、被測定物１０をセットする作業に干渉しないように作業スペースを広げる（ステップＳ２）。

その後、カバー９５の前扉９５ａおよび上扉９５ｂを開き、測定者が手作業によって被測定物１０を、回転ステージ部６２の先端部の被測定物ホルダー６３にセットする。

具体的には、測定者が停止しているサンプルステージ６に対し、規制機構６５のストッパ部材６５ａを係合位置に移動操作し（図１では前進移動、図２〜図５では倒伏移動）、その回転体６４の係合部６４ａにストッパ部材６５ａを係合させて該回転体６４の回転を不動状態に規制する。そして、被測定物１０（非球面形状を有するレンズ等）を保管位置より取り出し、サンプルステージ６の先端における被測定物ホルダー６３に運び、被測定物１０を所定姿勢に保持させる（ステップＳ３）。その後、規制機構６５のストッパ部材６５ａを解放位置に移動操作し（図１では後退移動、図２〜図５では起立移動）、回転体６４の回転規制を解除し、回転可能とする。この規制機構６５の操作は後述のステップＳ１３の被測定物１０の脱着時においても同様である。

そして、上記カバー９５の前扉９５ａおよび上扉９５ｂを閉じ、カバー９５の内部の雰囲気（温度および湿度）が安定するまでの所定時間が経過するのを待ってから、測定を開始する。

次に測定準備を行うものであり、ステップＳ４で第１エアスライド７および第２エアスライド８を動作させて、干渉光学系２と被測定物１０の被測定面１０ａとを正対位置、つまり被測定面軸Ｓと測定光軸Ｌとが一致する正対位置に移動させる。つまり、第１エアスライド７の摺動台７３を後退動作させて測定初期位置に移動させる一方、第２エアスライド８は摺動台８３を前進移動させて干渉光学系２の照射先端部を被測定物１０に接近させるとともに、被測定面軸Ｓ（回転軸Ｅ）と干渉光学系２の測定光軸Ｌとが一直線上に一致する測定初期状態に移動させる。

なお、非球面形状測定装置１の初期設定（設置調整）において、回転ステージ部６２の中心位置と被測定物ホルダー６３の保持中心位置、つまり被測定物１０の被測定面軸Ｓが一致するように、手動調整部６１の手動調整により、第１エアスピンドル７０の回転軸Ｅに対し、回転ステージ部６２の中心位置（Ｘ位置およびＺ位置）、角度（θＸ，θＺ）等を設定しておく。その際、後述の光干渉測定により被測定物ホルダー６３に保持した被測定物１０の中心部の干渉光を撮像した２次元イメージセンサ４２の画像データ（干渉縞）を用いて被測定面軸Ｓを求め、上記位置調整を行うことが可能である。

さらに、ステップＳ５において第２エアスピンドル８０の回転駆動を行い、干渉光学系２の測定角度（被測定面軸Ｓと測定光軸Ｌとのなす角度）を設定角度に調整する。その際、測定角度が０度で正対位置（一直線上）の場合には、この動作は不要である。

次に、第１エアスピンドル７０の駆動を開始して、被測定物１０の回転を開始し、測定可能にする（ステップＳ６）とともに、光干渉測定を行う（ステップＳ７）。その際、上記規制機構６５の作動状態を検出するセンサ６６の検出に応じて、規制機構６５のストッパ部材６５ａが回転体６４の係合部６４ａに係合して、該回転体６４の回転が規制されている状態では、センサ６６の係合状態検出信号に基づき第１エアスピンドル７０が作動しないように、不作動制御が行われる。そして、規制機構６５の係合状態が解除され、センサ６６からの係合状態検出信号がオフとなった場合に、第１エアスピンドル７０の作動が許容され、上記ステップＳ６における第１エアスピンドル７０の駆動を開始するものである。

ステップＳ７の光干渉測定は、光源部２０からの測定光を平面基準板２４を透過させて被測定面１０ａに照射し、反射された戻り光と、平面基準板２４の参照基準平面２４ａからの参照光との干渉により形成される干渉光の画像データつまり干渉縞（反射面の形状情報を担持している）を、１次元イメージセンサ３２および２次元イメージセンサ４２を用いて撮像し、その画像データを画像処理および形状解析により測定データを算出し、表示装置５１に表示し、データ保存する。なお、フリンジスキャン計測を行う場合は、フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、平面基準板２４の測定光軸Ｌ方向の位置を適宜変更し、変更毎に測定を行う。

この所定の測定角度での光干渉測定が完了すると、ステップＳ８で第１エアスピンドル７０による被測定物１０の回転を停止する一方、次の測定のために、ステップＳ９で第１エアスライド７の摺動台７３を移動させて、次の測定角度に応じたＸ方向位置に被測定物１０を移動させる。また、同時に第２エアスピンドル８０を作動させて、干渉光学系２の測定光軸Ｌを所定角度に旋回させる（ステップＳ１０）とともに、第２エアスライド８の摺動台８３を移動させて干渉光学系２のＹ方向位置を変更する。

たとえば、図３の正対位置から図４の直交位置まで測定角度を変更する場合には、第２エアスピンドル８０の旋回動作に応じて、干渉光学系２の照射先端部がＸ方向は手前側（前進側）に、Ｙ方向は右側（後退側）に移動することに伴い、第１エアスライド７は被測定物１０をＸ方向に前進移動させる一方、第２エアスライド８は干渉光学系２を前進移動させることで、被測定物１０と干渉光学系２とが所定の距離および角度の相対姿勢となるように調整する。

上記のように測定角度を変更した後、ステップＳ６に戻って第１エアスピンドル７０の回転動作を開始して被測定物１０を被測定面軸Ｓの回りに回転させつつ、変更された測定角度における光干渉測定をステップＳ７で同様に行う。

これらの測定動作を１つの被測定物１０で測定が必要な角度分の回数だけ順次繰り返した後、つまり、被測定物１０の非球面形状に対応して設定された所定角度毎における測定が終了した際には、ステップＳ１２に移行して被測定物１０を初期位置に戻すものであり、第１エアスライド７および第２エアスライド８を作動して、上記ステップＳ３の被測定物１０をセットしたときと同じ位置に移動させ、ステップＳ１３で測定後の被測定物１０を被測定物ホルダー６３から取り外して、次の未測定の被測定物１０をセットした後、上記ステップＳ４に戻り、以下、上記と同様に新たにセットした被測定物１０に対応した測定角度の設定を行う。

上記測定動作を被測定物１０の数だけ繰り返し、すべての測定が終了した際には、ステップＳ１３で最終の被測定物１０を被測定物ホルダー６３から取り外し、電源をオフにして停止するものである。

上記のように順次測定角度を変更して光干渉測定された画像データは、それぞれが担持している輪帯状領域形状情報を解析制御装置５０において解析処理し、被測定面１０ａ全域の形状情報を求める。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上述の実施形態では、規制機構６５のストッパ部材６５ａの係合状態と解放状態の作動は手動操作によって行うようにしているが、アクチュエータを設置して自動操作で行うように構成してもよい。

また、上述の実施形態では、規制機構６５のストッパ部材６５ａの形態は、棒状構造の場合について説明したが、適宜設計変更可能である。一例では、図２〜図５の倒伏揺動する場合のストッパ部材６５ａとして、このストッパ部材６５ａに突起を設け、該突起が回転体６４の外周面に形成された穴状の凹状係合部に挿入されて係合するように構成することも可能である。

また、ストッパ部材６５ａの作動状態を検出するセンサ６６としても、ストッパ部材６５ａの形態に対応して、接触センサ、光学センサ等の公知の各種センサが使用可能である。

また、上述の実施形態では、第１エアスライド７をＸ方向に設置し、第２エアスライド８をＹ方向に設置しているが、逆に第１エアスライド７をＹ方向に設置し、第２エアスライド８をＸ方向に設置するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、昇降アクチュエータ８７を干渉光学機構Ｂに設置しているが、被測定物保持機構Ａとの少なくとも一方に備えているように構成すればよい。

また、上述の実施形態では、被測定面１０ａが凹面部および凸面部を有する形状のものとされているが、このような形状の被測定面に測定対象が限定されるものではない。本発明の非球面形状測定装置は、回転対称な種々の非球面形状の被測定面の測定に用いることが可能である。

１ 非球面形状測定装置
２ 干渉光学系
３ 第１撮像系
４ 第２撮像系
５ 測定解析系
６ サンプルステージ
７ 第１エアスライド（第１スライド機構）
８ 第２エアスライド（第２スライド機構）
９ 定盤
１０ 被測定物
１０ａ 被測定面
２０ 光源部
２１ ビーム径拡大レンズ
２２ 光束分岐光学素子
２３ コリメータレンズ
２４ 平面基準板
２４ａ 参照基準平面
２５ 鏡筒
２８ フリンジスキャンアダプタ
２９ ピエゾ素子
３０ 結像レンズ
３１ 撮像カメラ
３２ １次元イメージセンサ
３４ 光束分岐光学素子
３５ 鏡筒
４０ 結像レンズ
４１ 撮像カメラ
４２ ２次元イメージセンサ
４５ 鏡筒
５０ 解析制御装置
５１ 表示装置
５２ 入力装置
６０ 基台部
６０ａ 係合部
６１ 手動調整部
６２ 回転ステージ部
６３ 被測定物ホルダー
６４ 回転体
６４ａ 係合部
６５ 規制機構
６５ａ ストッパ部材
６６ センサ
７０ 第１エアスピンドル（被測定物回転機構）
７３ 摺動台
７４ ガイド
８０ 第２エアスピンドル（光学系旋回機構）
８１ 保持部
８２ 基台部
８３ 摺動台
８４ ガイド
８６ エアブッシュ
８７ 昇降アクチュエータ（昇降機構）
９１ 支持脚
９２ 防振台
９５ カバー
９５ａ 前扉
９５ｂ 上扉
Ａ 被測定物保持機構
Ｂ 干渉光学機構
Ｅ 回転軸
Ｌ 測定光軸
Ｓ 被測定面軸

Claims (6)

1. 非球面形状の被測定面を有する被測定物を保持する被測定物保持機構と、前記被測定物の被測定面に測定光を照射し該被測定面からの戻り光と参照光との干渉による干渉縞を取得する光干渉測定を行う干渉光学系を有する干渉光学機構とを備え、前記干渉縞に基づき前記被測定面の形状を測定する非球面形状測定装置であって、
   前記被測定物保持機構は、前記被測定物を先端に保持して回転可能なサンプルステージおよび該サンプルステージを回転駆動するエアスピンドルによる回転機構を備え、
   前記サンプルステージと一体に回転する回転体を設けるとともに、該回転体に形成された凹状の係合部に被測定物の着脱時に係合して前記回転体の回転を規制する規制機構を設けたことを特徴とする非球面形状測定装置。
2. 前記規制機構は、前記サンプルステージを保持する基台部に係合状態と解放状態とに移動可能に設置され、係合状態において該規制機構のストッパ部材が前記係合部に係合して前記回転体を回転規制する一方、解放状態において該規制機構のストッパ部材は前記係合部から離脱して前記回転体の回転規制を解放することを特徴とする請求項１記載の非球面形状測定装置。
3. 前記規制機構の係合状態を検出するセンサを設け、係合状態検出時には前記回転機構の作動を規制することを特徴とする請求項１または２記載の非球面形状測定装置。
4. 前記被測定物保持機構は、前記被測定物を被測定面軸を中心として回転させる被測定物回転機構と、該被測定物回転機構を搭載し前記被測定面軸と直交方向または平行方向に直線移動させる第１スライド機構とを備え、
   前記干渉光学機構は、前記干渉光学系を保持し該干渉光学系をその測定光軸と前記被測定面軸とのなす測定角度を変更可能に旋回させる光学系旋回機構と、該光学系旋回機構を搭載し前記第１スライド機構の移動方向と直交方向に直線移動させる第２スライド機構とを備えることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の非球面形状測定装置。
5. 前記第１スライド機構および前記第２スライド機構をエアスライドで構成してなることを特徴とする請求項４記載の非球面形状測定装置。
6. 前記被測定物回転機構および前記光学系旋回機構をエアスピンドルで構成してなることを特徴とする請求項４記載の非球面形状測定装置。
   

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