JP2014219372A

JP2014219372A - 面形状測定装置

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Publication number: JP2014219372A
Application number: JP2013100805A
Authority: JP
Inventors: 伴　箕吉; Minokichi Ban; 箕吉伴; 洋一今村; Yoichi Imamura; 孝夫岡島; Takao Okajima
Original assignee: Natsume Optical Corp
Current assignee: Natsume Optical Corp
Priority date: 2013-05-12
Filing date: 2013-05-12
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-12
Also published as: JP6232207B2

Abstract

【課題】１つの測定装置で、平面、球面、円筒の面形状を測定可能にする面形状測定装置を提供する。被測定物に広範囲の方向から光を照射して測定するため、被測定物を広範囲に回転できる面形状測定装置を提供する。
【解決手段】Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に平行な移動系そしてそれらを中心とする回転軸をもつ機構を有する干渉測定装置において、回転機構がＸ軸移動部に固定された第１の回転軸５のまわりで回転可能な第１の回転部４と、第１の回転部４に固定された第２の回転軸７のまわりで回転可能な第２の回転部６とから成る二段式回転機構３であり、第２の回転部６の回転軸７が第１の回転部４の回転軸５に略垂直であることと、第１の回転部４が略９０度回転可能であり、第２の回転部６の軸の方向がＺ軸方向に略平行な方向からＸ軸に略平行な方向まで変えられる面形状測定装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、面を有する物体の表面形状を測定し、基準形状と比較したり、その物体の形状を測定する面形状測定装置に関する。ここで、面を有する物体とは、例えば、カメラ用レンズ、半導体露光装置の光学系レンズ、内視鏡光学系、コンパクトディスクの光学系、Ｘ線照射光学系、あるいはベアリングのボール等である。物体の形状には、球面、楕円面、円筒面、平面等がある。

さまざまな面形状を正確に測定する方法として、古くから干渉計が使われている。特に、フィゾー干渉計は、コンパクトで、安定性があり、広く実用に供されており、基準となる形状を有する透過原器により、平面、球面、円筒面そして非球面が測定可能である。

最初に、フィゾー干渉計による面形状測定装置の測定原理について説明する。
図５は、球面測定の場合の光学レイアウトを示す。フィゾー干渉計ヘッド１０１の内部には、可干渉性をもつ光源であるレーザ１０２を配置している。レーザ１０２から出る光ビームを発散させる発散レンズ１０３を介し発散光をつくり、その光をビームスプリッター１０４で反射させ、コリメータレンズ１０５で平行な光にする。その平行な光を透過球面原器１０６に入射させる。その透過球面原器１０６は集光点１０７に集光する。透過球面原器１０６の最終面（出射面）はその集光点１０７を曲率中心とする凹面（原器面１０８）に形成してある。光はその凹面で一部反射し戻る。この反射光が基準の参照光となる。原器面１０８を透過した光は、集光点１０７に向かう。被測定レンズ１０９の球面の曲率中心が集光点１０７と一致していると、集光点１０７を通過した光はその球面に垂直に光を入射する。従って、そこで反射した光は元の経路を辿って戻る。これを物体光と称する。物体光は参照光と干渉する。その干渉した光は透過球面原器１０６とコリメータレンズ１０５を透過し、ビームスプリッター１０４を透過し、ミラー１１０と結像レンズ１１１を介し、撮像素子１１２にその干渉した光を結像させる。

原器面１０８の中心と被測定レンズ１０９の球面の中心が一致している時、被測定レンズ１０９の球面が原器面１０８の球面と完全と同一であれば、参照光と物体光の干渉による干渉縞は一様となり、一致していないときにはその不一致度に対応して干渉縞の本数や形が変化するので、干渉縞を測定し、それを電気的に処理することにより、被測定レンズ１０９の球面の面形状の測定ができる。さらに詳しくは、非特許文献１（Optical Shop Testing ,p 25,3rd Edition, D.Malacara,2007, John Wiley & Sons, INC）に説明されている。

このように、この測定では、原器面１０８の中心と被測定レンズ１０９の球面の中心を一致させることが前提となる。これ故、被測定レンズ１０９の交換ごとに干渉ヘッド１０１と被測定レンズ１０９の相対位置を調整し、原器面１０８の中心と集光点１０７と一致させる必要がある。

前述の干渉ヘッド１０１と被測定レンズ１０９の相対位置を調整するために、一般的には被測定レンズ１０９を、直交座標であるＸ，Ｙ，Ｚ軸に平行に移動する。これは透過球面原器１０６の焦点と被測定レンズ１０９の曲率中心点を合致させるためには、単に平行移動で可能であるからである。ただ図５のＺ方向（フォーカス方向）を除き、Ｘ，Ｙ移動の代わりに、Ｘ軸まわりやＹ軸まわりの回転またはあおり機構でも調整可能である。

次に、円筒面（円柱を含む）や平面の測定について説明する。
図６は、円筒面測定の場合の光学レイアウトを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図において図５のフィゾー干渉計ヘッド１０１の中の透過球面原器１０６に替えて、透過円筒原器（もしくは透過平面原器）１１３を配置し、被測定レンズ１０９の円筒面や平面に光を垂直に入射させる。円筒の場合、集光する位置は点でなく線となる。その線を以下、集光線と呼ぶ。

透過円筒原器１１３による光の集光線１１４と、円筒面の曲率中心線が一致している時、被測定レンズ１０９の円筒面に垂直に光を入射させることができ、その面での反射により、光は元の経路を辿って戻る（物体光）。被測定レンズ１０９の円筒面と原器面１１５の円筒面が同一であれば、参照光と物体光の干渉による干渉縞が一様となり、被測定レンズ１０９の円筒面が原器面１１５の円筒面と一致していないときには、その不一致度に対応して干渉縞の本数や形が変化する。球面の場合と同様に、干渉縞を測定し、それを電気的に処理することにより、被測定レンズ１０９の円筒面の面形状の測定ができる。

このように、この測定では、原器面１１５の集光線１１４と被測定レンズ１０９の円筒面の中心線を一致させることが前提となる。これ故、被測定レンズ１０９の交換ごとに干渉ヘッド１０１と被測定レンズ１０９の相対位置および方向を調整し、原器面１１５の中心と集光線１１４と一致させる必要がある。このために、フィゾー干渉ヘッド１０１に対して被測定レンズ１０９を、直交３軸である、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に移動可能とし、かつ、原器面１１５の集光線１１４と被測定レンズ１０９の円筒面の中心線の方向を一致させるために、フィゾー干渉計ヘッド１０１と被測定レンズ１０９を相対的に回転可能とする構成が従来から採用されている。
なお、平面測定の場合は、単にあおりまたは回転機構のみで、参照光と物体光を干渉させることができる。

ここで、図５の球面の測定の場合、１回の測定で球面形状を測定できる範囲は、透過球面原器１０６の発散角度範囲内の球面である。発散角度の半分をα、被測定レンズ１０９の球面の曲率半径をＲ、球面の測定範囲の直径をＤとすると、次の関係がある。

Ｄ＝２・Ｒ・ｓｉｎ（α）

従って、被測定レンズ１０９の口径が前述のＤより大きい場合は、一回の測定で被測定レンズの全体を測定できない。前述の干渉ヘッド１０１と被測定レンズ１０９の相対位置を調整するには、一般に被測定レンズ１０９を、直交座標であるＸ，Ｙ，Ｚ軸に平行に移動する。これは透過球面原器１０６の焦点と被測定レンズ１０９の曲率中心点を合致させるためには、単に平行移動で可能であるからである。ただ図５のＺ方向（フォーカス方向）を除き、Ｘ，Ｙ移動の代わりに、Ｘ軸まわりやＹ軸まわりの回転またはあおり機構でも調整可能である。被測定レンズ１０９の口径が前述のＤより大きい場合は、公知例で示したように、平行移動以外に、あおりや回転機構を必要とする。

円筒あるいは平面の測定の場合も、大きな（大口径や長い）ものを測定するとなると、回転機構とともに平行移動機構が必要となる。図６で、Ｘ軸まわりの回転とＸ軸方向に移動可能な機構を必要とする。被測定レンズ１０９の口径が前述のＤより大きい場合は、公知例で示したように、平行移動以外に、あおりや回転機構を必要とする。

測定できる面の大きさは、透過原器によりカバーされる領域を超えることはできない。大きな面、特に凸面の場合は、更に大きな透過原器が必要となる。
そこで導入された技術が、測定領域のつなぎ合わせ（スティッチングとかサブアパーチャースティッチングとも言われる）であり、以下の公知例がある。

特許文献１（特開平２−２５９５０９号）に、面形状等測定方法および装置が開示されている。その中の第１図、第２図において、大口径の球面に近い非球面測定の場合について説明している。干渉計の光軸方向をＸ軸とし、紙面内でその光軸と直交方向をＺ軸としている。従って、紙面に垂直をＹ軸としていることになる。そこで、全面を測定するためにＸ，Ｙ，Ｚの並進ステージと干渉計光軸Ｘに直交する方向Ｙ，Ｚ軸をそれぞれ回転中心とし、独立に２方向で回転するあおり機構を設けている。そして、複数の部分領域に分け形状測定を行い、重なり合う部分をつなぎ合わせ全体形状を計測するものである。

特許文献２（特開２００３−５７０１６号）は、高速大口径面形状測定方法を開示している。この方法は、大口径球面の曲率中心付近に球面軸受けを設け、全面測定を高速に測定可能にするものであり、３軸の並進ステージと、球面軸受を用いた２軸の回転機構を持つ。

特許文献３（特表２００７−５１５６４１号）は、多軸計測システムの幾何学配置を較正するための方法を開示している。その中の図１に全体の装置の外観図があり、形状計測のためのゲージ（たとえばフィゾー干渉計）とテスト部品を相対的にＸ，Ｙ，Ｚの３つの平行移動軸とＡ，Ｂ，Ｃの３つの回転軸で構成されている。その回転軸であるスピンドル軸を回転させて、ゲージでの測定値からスピンドル位置を測定する方法である。

特開平２−２５９５０９号公報特開２００３−５７０１６号公報特表２００７−５１５６４１号公報

Optical Shop Testing ,p 25,3rd Edition, D.Malacara,2007, John Wiley & Sons, INC

ここで、上記した特許文献１（特開平２−２５９５０９号）では大きな円筒レンズ、特許文献２（特開２００３−５７０１６号）では大きな凸形状レンズ、そして特許文献３（特表２００７−５１５６４１号）では球面、平面がそれぞれの測定対象となる形状である。すなわち、それらの装置・方法は、特定の形状測定に対応している。そのため、上記した公知の装置を用いたのでは、すべての形状、すなわち平面、球面そして円筒の面形状を１つの測定装置では測定できなかった。この場合、それぞれの面形状に対応した測定装置を用意すれば対応可能であるが、高価な干渉計や駆動機構も複数必要で、装置の価格が高くなることと、さらに設置する場所も広く必要となり、設備費や維持管理費用が高くなることから、そのレンズの製造原価も高くなってしまうという欠点があった。

そこで、本発明の課題は、１つの測定装置で、これら平面、球面そして円筒の面形状を測定可能にする面形状測定装置を提供すること、および、被測定物に広範囲の方向から光を照射して測定できるように、被測定物を広範囲に回転できる面形状測定装置を提供することである。

上記課題の中の球面形状を測定することは、請求項１に記載する発明によって解決された。
具体的には、被測定物を固定する被測定物固定手段と、被測定物に対して可動な干渉式表面形状測定手段とを備える面形状測定装置において、直交するＸ軸とＹ軸を規定する基準面を持つ架台を備え、上記被測定物固定手段が、上記架台に対してＸ軸方向に移動可能なＸ方向移動部と、上記Ｘ方向移動部に固定された第１の回転軸のまわりで回転可能な第１の回転部と、上記第１の回転部に固定された第２の回転軸のまわりで回転可能な第２の回転部と、上記第２の回転部に固定され被測定物を固定する第１の被測定物固定部を備えることと、上記干渉式表面形状測定手段が、上記架台に相対的にＹ軸方向、および、Ｘ軸とＹ軸に垂直なＺ軸方向に、移動可能であることと、上記第１の回転部の回転軸が上記Ｙ軸に略平行であることと、上記第２の回転部の回転軸が上記第１の回転部の回転軸に略垂直であることと、上記第１の回転部が略９０度回転可能であり、その回転により上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｚ軸方向に略平行な方向からＸ軸に略平行な方向まで変えられることを特徴とする、面形状測定装置によって解決された。

この面形状測定装置は、従来技術（例えば特許文献１、特許文献２）では、第１の回転部がＹ軸のまわりを、第２の回転部がＸ軸のまわりを、それぞれ独立に回転する機構であったので第１の回転部を横倒しにして第２の回転部を回転することができない、すなわち回転角度を大きくできないという問題点を解決している。この発明では、Ｙ軸まわりとＸ軸まわりで独立に回転可能とするのではなく、第１の回転部に対して第２の回転部を回転させるという２段式回転機構を採用し、この問題を解決している。これにより、被測定物の表面に広範囲の方向から光を照射して形状測定をすることができる。そして、複数の部分領域に分け形状測定を行った結果を用い、重なり合う部分をつなぎ合わせ全体形状を計測する。

上記課題の中の円筒面・平面を測定することは、請求項２に記載の発明によって解決された。
具体的には、被測定物を固定する被測定物固定手段と、被測定物に対して可動な干渉式表面形状測定手段とを備える面形状測定装置において、直交するＸ軸とＹ軸を規定する基準面を持つ架台を備え、上記被測定物固定手段が、上記架台に対してＸ軸方向に移動可能なＸ方向移動部と、上記Ｘ方向移動部に固定された第１の回転軸のまわりで回転可能な第１の回転部と、上記第１の回転部に固定された第２の回転軸のまわりで回転可能な第２の回転部と、一端が上記第２の回転部に第１の球面軸受を介して結合され被測定物を固定する第２の被測定物固定部を備えることと、上記干渉式表面形状測定手段が、上記架台に対してＹ軸方向、および、Ｘ軸とＹ軸に垂直なＺ軸方向に、移動可能であることと、上記第１の回転部の回転軸が上記Ｙ軸に略平行であることと、上記第２の回転部の回転軸が上記第１の回転部の回転軸に略垂直であることと、上記第１の回転部が略９０度回転可能であり、その回転により上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｚ軸方向に略平行な方向からＸ軸に略平行な方向まで変えられることと、上記Ｘ方向移動部にＹ軸方向に移動可能なＹ方向移動部を備え、上記Ｙ方向移動部が第２の球面軸受を介して上記第２の被測定物固定部の他端に結合され、上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｘ軸に略平行であるとき、上記第２の被測定物固定部の軸の方向を上記Ｙ軸に略平行な方向のまわりで微調整することと、上記第２の被測定物固定部の軸の方向を上記Ｚ軸に略平行な方向のまわりで微調整することが可能であることを特徴とする、面形状測定装置によって解決された。

先に記載した請求項１の構成では、円筒形の物体の円筒中心線を集光線に一致させることができない。この問題を解決するためには被測定物の方向を二軸で微調整し、円筒中心線を集光線に一致させる必要がある。請求項２の発明では２個の球面軸受を介して被測定物を保持することによりこの問題を解決している。これにより、球面測定の場合と同様に、被測定物の表面に広範囲の方向から光を照射して形状測定をすることができる。そして、複数の部分領域に分け形状測定を行った結果を用い、重なり合う部分をつなぎ合わせて全体形状を計測する。

請求項３の発明では、干渉縞を評価する評価手段と請求項１または請求項２の何れかに記載の面形状測定装置を組み合わせて、自動的にＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の並行移動、および第１と第２の回転部の回転量を制御し、最適平行移動量・最適回転角を得る。請求項１と請求項２の発明は、従来技術あるいはそれの修正と組み合わせて実施することができ、どのような干渉式表面測定手段とも組み合わせることができるものであるが、請求項４の発明では、フィゾー干渉計等の光学干渉計と組み合わせ、請求項５の発明では、ハルトマン・シャック装置（これについては後に説明する）と組み合わせている。

（１）１つの測定装置で、平面、球面、回転面例えば、円筒面、回転楕円面の面形状の測定が容易に可能となった。
（２）被測定物に広範囲の方向から光を照射して、被測定物を広範囲で測定することが容易になった。

フィゾー干渉計ヘッドを用いた、球面測定の際の本発明による面形状測定装置の概念的配置図である。フィゾー干渉計ヘッドを用いた、本発明による円筒面（円柱、平面を含む）測定の際の本発明による面形状測定装置の概念的配置図である。本発明に係る面形状測定装置を用いて面形状を測定するフロー図である。ハルトマン・シャック光学系の概念図である。フィゾー干渉計ヘッドを用いた、従来技術による球面測定装置の概念図である。フィゾー干渉計ヘッドを用いた、従来技術による円筒面測定装置の概念図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。

以下、本発明に係る面形状測定装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による球面測定の概念的配置図である。この実施形態では、干渉式表面形状測定手段としてフィゾー干渉計を使用している。しかし、使用可能な光学式干渉計はこれに限られない。干渉計から出射する光を被測定物の表面で反射させ、反射した物体光を再び干渉計に戻し、干渉計内で参照光と物体光を干渉させる方式の干渉計であれば、本発明を適用することができる。フィゾー干渉計以外に、トワイマン・グリーン干渉計、シアリング干渉計、位相シフト干渉法、垂直走査白色干渉法等、およびそれらの種々の変形種がある。また、他の光学的な面形状測定装置であるハルトマン・シャック装置や、接触式の３次元測定装置でも適用可能である。

以下、フィゾー干渉計ヘッドを用いた実施形態を説明する。この実施形態では、背景技術の項で説明した図５のフィゾー干渉計ヘッド１０１と同じ構造のものを使う。これ故、フィゾー干渉計ヘッド１についての説明は省略する。

フィゾー干渉計ヘッド１は図示しない架台に対して移動可能に固定されている。上記架台は、直交するＸ軸とＹ軸を規定する基準面を持つ。その基準面のＸ軸とＹ軸が規定する平面に対して垂直な軸をＺ軸と定義する（参照：図１）。
フィゾー干渉計ヘッド１は、その図示しない架台に対してＺ方向とＹ方向に移動可能であり、その移動した箇所に固定することができる。Ｙ軸方向の移動にはＹ軸移動機構１ａが使われ、Ｚ軸方向の移動にはＺ軸移動機構１ｂが使われる。Ｙ軸移動機構１ａおよびＺ軸移動機構１ｂは、それぞれ、移動駆動手段、レーザ光測距装置やマグネスケール測長装置および制御装置を備え、所定の位置にフィゾー干渉計ヘッド１を導き、そこでロック（位置固定）できる。

Ｘ方向移動部２が上記図示しない架台に対して上記Ｘ方向に移動可能に設けられている。Ｘ方向移動部２も移動駆動手段、レーザ光測距装置やマグネスケール測長装置および制御装置を備え、所定の位置にＸ方向移動部２を導き、そこで図示しない架台にロック（位置固定）できる。

Ｘ方向移動部２に２段式回転機構３が設けられている。２段式回転機構３は、下層として第１の回転部４が設けられている。第１の回転部４は、Ｘ方向移動部２の移動方向であるＸ軸に対して直角な上記Ｙ軸と平行な第１の回転軸５のまわりで、Ｘ方向移動部２に対して回転可能である（ＲＹ）。その回転方向は上記Ｚ軸にほぼ平行な方向から上記Ｘ軸に平行な方向までの略９０度を少なくともカバーする。

第１の回転部４に第２の回転部６が上層として設けられている。第２の回転部６は、第１の回転軸５の方向であるＹ軸に直角な第２の回転軸７（Ｚ’方向）のまわりで、第１の回転部４に対して回転可能（ＲＺ’）である。その第２の回転部６の回転方向は３６０度以上をカバーする。すなわち、Ｚ’軸（Ｙ軸がβ回転したときの軸をＺ’軸とした。Ｙ軸が回転０、即ちβ＝０のときはＺ’＝Ｚ）まわりに回転できるもうひとつの軸、すなわちＺ’軸まわりの回転機構をもつ。

大口径球面の全面を、重ね合わせ領域をも含み透過球面原器の発散角度の半分をαの２倍の測定領域で複数回測定することで、全面の測定を可能にする。そのためには、所定のβとそのＺ’軸まわりにほぼ３６０度回転することが必要になる。実際にはその回転角度は、Ａ＝３６０−２・αを少し上回ればよい。被測定物８が半球であれば、βはほぼ９０度回転させることになる。ただ実際は、その回転角度は、９０−αを超えれば全面が測定可能になる。ベアリング用のボールなどの球面であれば、更に大きなβを使うことになるが、現実には被測定物８の取り付け具を考えると、球の全面測定は難しい。また研磨などで加工する場合、どうしても半球を超えるものは加工上も難しいので、測定の必要性も乏しい。単に測定だけを考えれば、Ｙ軸まわりの第１の回転部４の回転可能範囲を９０度以上とした場合、半球以上も測定可能である。

第２の回転部６の先端には被測定物８を固定するための第１の被測定物固定部９ａが設けられている。図１は、第２の回転部６の第２の回転軸７の方向（Ｚ’方向）がＺ軸とＸ軸を含む面内でＺ軸から約２０度傾斜した状態で、第２の回転部６の第１の被測定物固定部９ａに被測定物８である球面レンズが固定されている状態を概念的に示している。

集光点１０に集光するように、光はフィゾー干渉計ヘッド１から出射される。集光点１０は図５における集光点１０７に対応する。図示しない架台に対してフィゾー干渉計ヘッド１はＹ軸方向とＺ軸方向に移動可能であり、Ｘ方向移動部２がＸ軸方向に移動可能であるので、Ｘ方向移動部２と一緒に移動する被測定物８である球面レンズの中心を集光点１０に一致させることができる。この時、フィゾー干渉計ヘッド１からの光は球面レンズの中心に向かい、その球面に直角に入射し、そこで反射されフィゾー干渉計ヘッド１に戻る。そして、図５によって説明したように、従来技術であるフィゾー干渉計の技術で球面の形状が測定される。

第１の回転軸５のまわりの第１の回転部４の回転と、第２の回転軸７のまわりの第２の回転部６の回転を組み合わせて、球面の測定されるべき表面部分を掃引することにより、球面のほぼ全領域を測定することができる。この効果は、第１の回転部４と第２の回転部６が従来技術のように独立に回転可能なのではなく、第２の回転部６が第１の回転部４に対して回転するという２段式の構造を持つことによりもたらされる効果である。

球面が凸レンズの場合は凸面が集光点よりフィゾー干渉計ヘッド側になるように配置し、凹レンズの場合は集光点が凹面よりフィゾー干渉計ヘッド側になるように配置される。

図２は、本発明による円筒面（円柱、平面を含む）測定の概念的配置図である。この実施形態でも、図１の場合と同様に、干渉式表面形状測定手段としてフィゾー干渉計を使用している。使用可能な光学式干渉計としては、また同様に、フィゾー干渉計以外に、位相シフト干渉法、垂直走査白色干渉法等、種々の変形種がある。また、他の光学的な面形状測定装置であるハルトマン・シャック装置や、接触式の3次元測定装置でも適用可能である。

円筒面（円柱、平面を含む）測定の場合は、図２に示したようにＹ軸方向に移動可能なＹ方向移動部１１を使う。そして、第１の被測定物固定部９ａに代えて第２の被測定物固定部９ｂを使う。第２の被測定物固定部９ｂの一端は上記第２の回転部６の先端に、第１の球面軸受１２ａを介して結合されている。他方、第２の被測定物固定部９ｂの他端は、第２の球面軸受１２ｂの一端に結合されている。そして、第２の球面軸受１２ｂの他端は、上記Ｙ方向移動部１１に結合されている。被測定物８は第２の被測定物固定部９ｂに固定される。

平面測定の場合は、単にあおりまたは回転機構のみで、参照光と物体光を干渉させることができる。しかし、円筒も平面も、大きな（大口径や長い）ものを測定するとなると、回転機構とともに平行移動機構が必要となる。図２のＸ軸まわりの回転とＸ軸方向に移動可能な機構を必要とする。

平面の測定の場合は、フィゾー干渉計ヘッド１からでる光の波面に対して平行に被測定物８の表面を配置することにより干渉縞が見え、一様にすることができる。この状態は、第１の回転部４を９０度回転して、第２の回転部６の第２の回転軸７をＸ軸と平行にすることにより実現することができる。その状態で、第１と第２の球面軸受１２ａ，１２ｂを介して第２の被測定物固定部９ｂを保持し、被測定物８を第２の被測定物固定部９ｂに固定されている。これで、被測定物８の表面がフィゾー干渉計ヘッド１からの光の波面に平行となる。しかしＸ軸まわりで僅かにずれることがある。この場合、第１の球面軸受１２ａをロックした状態で、第２の球面軸受１２ｂを自由な状態とし、第２の回転軸７のまわりで第２の回転部６で僅かに回転することにより、Ｘ軸のまわりの回転角を微調整できる。これによりフィゾー干渉計ヘッド１からでる光の波面に対して平行に被測定物８の表面を配置できる。

円筒面測定の場合は、図６を用いて説明したように、フィゾー干渉計ヘッドからの光の集光線と、被測定物の円筒面の中心線を一致させる必要がある。まず、第１の回転部４を９０度回転して、第２の回転部６の第２の回転軸７をＸ軸と平行にする。そしてその状態で、第１と第２の球面軸受１２ａ、１２ｂを介して被測定物固定部９ｂを保持する。これで、被測定物８の円筒面の中心線がフィゾー干渉計ヘッド１からの光の集光線にほぼ平行とできる。さらに、フィゾー干渉計ヘッド１をＹ軸方向とＺ軸方向にＹ軸移動機構１ａ、Ｚ軸移動機構１ｂにより移動することにより、被測定物８の円筒面の中心線をフィゾー干渉計ヘッドからの光の集光線にほぼ一致させることができる（集光線はほぼＸ軸に平行とする）。もう１つの回転軸はＺ’軸まわりの回転機構（Ｙ軸に対する角度β＝９０度のため、Ｚ’＝Ｘとなっている）は、ほぼＸ軸まわりにほぼ３６０度回転するようになっている。

ただ所定の干渉縞をだすための調整には、特に被測定物８のＹ軸まわりとＺ軸まわりの回転の微調整が必要となる。そこで、Ｙ軸とＺ軸のまわりに回転可能な球面軸受１２ａ（その回転中心をＰ点とする）を設け、またＸ軸まわり、Ｙ軸まわり及びＺ軸まわりに回転可能な球面軸受１２ｂ（その回転中心をＱ点とする）を設ける。それら球面軸受１２ａ，１２ｂの間に被測定物８を取り付ける被測定物固定部９ｂを設ける。従ってこの被測定物固定部９ｂを微調整できれば、被測定物８を微調整できることになる。

Ｙ軸まわりの回転機構４を回転することで、Ｑ点を中心に回転でき、Ｙ軸まわりの回転の微調整ができる。また図２の左に設けたＹ方向移動部１１を球面軸受１２ｂと連結させることで、このＹ方向移動部１１のＹ軸移動で、球面軸受１２ａのＰ点を中心にＺ軸まわりの回転の微調整ができることになる。Ｚ軸まわりの回転の微調整においては、若干のＸ軸方向への移動がないとＹ軸に移動できないので、図示はしていないが自動的に若干のＸ軸移動ができるようにしてある。

上述したように、球面の測定の場合は集光点と球の中心を一致させた後に、平面の測定の場合には波面と平面を平行にさせた後、円筒面の測定の場合は集光線と円筒の中心線を一致させた後、フィゾー干渉計ヘッドを用いる従来技術による形状測定方法に従って、形状を測定する。

その際、干渉縞の計測から干渉計とレンズの相対関係の誤差を計算し、干渉縞を少なくするためにその誤差に応じて機構を動かすことで、精度の高い計測を可能にする。すなわち、上記Ｘ方向移動部、上記Ｙ方向移動部、上記Ｚ軸移動機構、第２の回転軸の回転角を予め決められた所定の位置に動かし、上記干渉計で形状誤差を計測し、前記干渉計と前記面の相対位置の誤差を算出し、その誤差に応じて干渉式表面形状測定手段と被測定物の相対位置を変化させて、相対位置の誤差の少ない状態として、前記測定面形状を精密に測定することができる。

被測定物が大きい平面であるときは、Ｘ方向とＹ方向に測定領域を移動して測定を繰り返す。大きい円筒面（集光線がＸ方向の場合）であるときは、Ｘ方向の移動と第２の回転部の回転を組み合わせて測定領域を移動して測定を繰り返す。すなわち、干渉計による１回の測定範囲を超える大きなレンズにおいて、つなぎ合わせ方法により、そのレンズ全面を測定する。

本発明は、以上述べたように、さまざまな形状のレンズに対して１台の装置で容易に測定可能で、少量多品種生産に大いに有効な装置を提供できる。また、円筒面と同様に線上に対称な面、例えば、回転楕円ミラーも同様に測定可能である。回転楕円ミラーは焦点が２つあり、その２つの焦点を結ぶ線に対称となるため、大口径回転楕円ミラーを測定する場合は、その線を中心に回転させて測定すれば、全面を測定できる。透過球面原器で、その１つの焦点に入射させ、反射した光はもう１つの焦点に結ぶので、その焦点を曲率中心とする球面で反射させれば光は元に戻り、参照光と干渉させることができる。

図３は、本発明に係る面形状測定装置を用いて面形状を測定するフロー図である。本発明に係る面形状測定装置を用いて次の手順で被測定物の面形状測定を行う。

〔ＳＴＥＰ１（条件設定）〕
先ず、測定の条件を決める。具体的には測定対象となるレンズ、すなわち被測定レンズの形状、移動機構の初期位置の変更、透過原器の条件、測定位置などを設定し、その条件に合うように工具（取り付け具、透過原器など）をセットし、各種移動機構、回転機構の初期位置や測定位置を予め設定する。
〔ＳＴＥＰ２（レンズ取り付け）〕
被測定レンズを取り付け具に取り付ける。このとき被測定レンズに変形がなく、移動などで動かないようにしっかり固定する必要がある。
〔ＳＴＥＰ３（移動）〕
Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にフィゾー干渉計ヘッドと被測定レンズの相対的位置を移動させて、集光点と球面の中心を一致させたり、集光線と円筒面の中心線を一致させる。
〔ＳＴＥＰ４（光学調整）〕
被測定レンズと干渉計の光学調整を行い、集光線と円筒面の中心線を一致させたり、測定面の測定領域を選択したりする。操作者が干渉縞を見ながら手動で調整するか、干渉縞の計測データから光学調整誤差、例えばフォーカス誤差やそのフォーカスと直交方向の誤差さらには回転誤差を計算してその誤差量に応じた量に従い移動機構又は回転機構を所定の位置に自動で動かすこともできる。
〔ＳＴＥＰ５（干渉縞計測）〕
干渉縞の計測を行い、その測定範囲内の面形状を求める。つなぎ合わせで大口径全面を測定するときは、更に測定位置を動かして、同様に繰り返し干渉縞計測をする。つなぎ合わせ合わせの技術は従来技術に属するので説明は省略する。
〔ＳＴＥＰ６（形状計算）〕
つなぎ合わせの計算などして、被測定レンズの全面の形状をもとめ、全面形状の３次元表示、ある所定の断面形状表示、全面での数値の極大と極小の差Ｐ−Ｖ（ピークと谷の差）などの数値結果、更には被測定レンズの規格値との差異から合否判定までを表示または記録をする。

以上、フィゾー干渉計ヘッドを用いる実施形態を説明したが、本発明はフィゾー干渉計ヘッドに代えて、ハルトマン・シャック光学系を用いても実施することができる。ハルトマン・シャック光学系は公知の技術であるが、以下に簡単に説明する。

図４は、ハルトマン・シャック光学系の概念図である。光源２２６（例えばハロゲンランプなど）から発した光を結像レンズ２２７でピンホール板２２８の面に結像させ、光源像を作る。ピンホール板２２８は、中央に小さな穴を開けたものであり、点光源を作る。その点光源から出た光は、ビームスプリッター２２９で一部反射させ、集光レンズ２３０で被測定レンズ２０９の曲率中心２０７に集光させ、そして被測定レンズ２０９（球面）に入射させる。

被測定レンズ２０９で反射した光は元に戻り、ビームスプリッター２２９を通過し、ミラー２３１、コリメータレンズ２３２でほぼ平行な光となる。さらに、その光を、小さなレンズを２次元に集合させたマイクロレンズアレイ２３３に入射させ、その個々のマイクロレンズの焦点位置に設けた撮像素子２３４に入射させる。

ここで、被測定レンズ２０９の面形状の誤差に応じて、個々のマイクロレンズによる集光位置が変化する。即ち、被測定レンズ２０９面の微小範囲での光の傾き変化に応じて、集光位置は変化する。これは１種の微分であり、積分することで面の形状に換算できる。従って、ハルトマン・シャック光学系により面形状測定ができることになる。

ハルトマン・シャック光学系も、上記したように面形状測定ができるので、上記実施形態で説明したフィゾー干渉計ヘッドの代替として使うことができる。ハルトマン・シャック法以外でも、面形状測定ができる３次元測定装置でも使用可能である。

これまでの実施形態においては、測定レンズの面形状測定に限定して説明したが、原理的に同様な透過光学系、反射光学系そして透過反射光学系（以降光学系と略する）の波面収差の測定も可能である。測定したい光学系と、測定のための光がそれら光学系を通り元に戻るようにする高精度な反射系を設けることにより、容易にその光学系の波面収差を測定することができる。すなわち、以上の実施形態は光学干渉計による測定レンズの反射タイプ計測について主体的に記述したが、本発明に係る面形状測定装置は、光学干渉計による測定レンズの透過タイプの高精度計測についても可能にするものである。

以上、本発明に係る面形状測定装置を詳しく説明してきたが、本発明の適用対象は図面に例示されたものに限られず、同じ技術思想で他の形態の装置および方法として実施することも可能であることは言うまでもない。

１フィゾー干渉計ヘッド
１ａＹ軸移動機構
１ｂＺ軸移動機構
２Ｘ方向移動部
３２段式回転機構
４第１の回転部
５第１の回転軸
６第２の回転部
７第２の回転軸
８被測定物
９ａ第１の被測定物固定部
９ｂ第２の被測定物固定部
１０集光点
１１Ｙ方向移動部
１２ａ第１の球面軸受
１２ｂ第２の球面軸受

Claims

被測定物を固定する被測定物固定手段と、被測定物に対して可動な干渉式表面形状測定手段とを備える面形状測定装置において、直交するＸ軸とＹ軸を規定する基準面を持つ架台を備え、上記被測定物固定手段が、上記架台に対してＸ軸方向に移動可能なＸ方向移動部と、上記Ｘ方向移動部に固定された第１の回転軸のまわりで回転可能な第１の回転部と、上記第１の回転部に固定された第２の回転軸のまわりで回転可能な第２の回転部と、上記第２の回転部に固定され被測定物を固定する第１の被測定物固定部を備えることと、上記干渉式表面形状測定手段が、上記架台に相対的にＹ軸方向、および、Ｘ軸とＹ軸に垂直なＺ軸方向に移動可能であることと、上記第１の回転部の回転軸が上記Ｙ軸に略平行であることと、上記第２の回転部の回転軸が上記第１の回転部の回転軸に略垂直であることと、上記第１の回転部が略９０度回転可能であり、その回転により上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｚ軸方向に略平行な方向からＸ軸に略平行な方向まで変えられることを特徴とする、面形状測定装置。
被測定物を固定する被測定物固定手段と、被測定物に対して可動な干渉式表面形状測定手段とを備える面形状測定装置において、直交するＸ軸とＹ軸を規定する基準面を持つ架台を備え、上記被測定物固定手段が、上記架台に対してＸ軸方向に移動可能なＸ方向移動部と、上記Ｘ方向移動部に固定された第１の回転軸のまわりで回転可能な第１の回転部と、上記第１の回転部に固定された第２の回転軸のまわりで回転可能な第２の回転部と、一端が上記第２の回転部に第１の球面軸受を介して結合され被測定物を固定する第２の被測定物固定部を備えることと、上記干渉式表面形状測定手段が、上記架台に対してＹ軸方向、および、Ｘ軸とＹ軸に垂直なＺ軸方向に移動可能であることと、上記第１の回転部の回転軸が上記Ｙ軸に略平行であることと、上記第２の回転部の回転軸が上記第１の回転部の回転軸に略垂直であることと、上記第１の回転部が略９０度回転可能であり、その回転により上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｚ軸方向に略平行な方向からＸ軸に略平行な方向まで変えられることと、上記Ｘ方向移動部にＹ軸方向に移動可能なＹ方向移動部を備え、上記Ｙ方向移動部が第２の球面軸受を介して上記第２の被測定物固定部の他端に結合され、上記第２の回転部の軸の方向が上記Ｘ軸に略平行であるとき、上記第２の被測定物固定部の軸の方向を上記Ｙ軸に略平行な方向のまわりで微調整することと、上記第２の被測定物固定部の軸の方向を上記Ｚ軸に略平行な方向のまわりで微調整することが可能であることを特徴とする、面形状測定装置。
上記Ｘ方向移動部、上記Ｙ方向移動部、上記Ｚ軸移動機構、第２の回転軸の回転角を予め決められた所定の位置に動かし、上記干渉計で形状誤差を計測し、前記干渉計と前記面の相対位置の誤差を算出し、その誤差に応じて干渉式表面形状測定手段と被測定物の相対位置を変化させて、相対位置の誤差の少ない状態として、前記測定面形状を精密に測定することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の面形状測定装置。
上記干渉式表面形状測定手段が、光学干渉計であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の面形状測定装置。
上記干渉式表面形状測定手段が、ハルトマン・シャック装置であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の面形状測定装置。