JP2575128B2

JP2575128B2 - 面形状測定装置

Info

Publication number: JP2575128B2
Application number: JP62058308A
Authority: JP
Inventors: 廣治鳴海; 啓治渡辺; 光太郎保坂; 誠肥後村; 碩徳山本; 哲志野瀬; 雄吉丹羽; 光俊大和田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPS6426106A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、面形状測定装置に関し、特に非球面レンズ
等の非球面形状を高速且つ高精度に測定する面形状測定
装置に関する。

とりわけ、本発明は光プローブ等の非接触プローブを
被検面に投射して被検面からの反射光の検知センサ上へ
の投射状態にもとづいて被検面の形状を測定する際に好
適である。

〔従来技術〕

従来、非球面レンズ等の面形状測定方法としては、被
測定物をＸ−Ｙ座標系で移動せしめ、接触式プローブに
より被測定物表面を走査し、プローブの移動量により被
測定物の形状を求める方法が一般に行われていた。

一方、非接触式プローブによる面形状測定法として
は、特開昭61−17907号公報，特開昭61−17908号公報に
示される様に、合焦状態判別光学系と、この光学系を被
測定物の被検面にフオーカシングせしめる移動手段を設
け、この移動手段の移動量から被測定物の面形状を測定
する方法がある。

上述の接触式プローブを用い、被測定物をＸ−Ｙ座標
系で移動し走査する場合、被測定物が開角の大きいレン
ズ等である時は、プローブの走査による被測定物表面の
傾き角が大きい為に測定が困難になっていた。又、測長
のストロークを大きくとらなければならないという問題
点も生じていた。また接触式プローブで被測定物を走査
したとき、被測定物に傷が付くという問題点があった。

光プローブ等の非接触式プローブを使用する方法は、
上述の接触式プローブを使用する方法による被測定物の
損傷を防ぐことが出来、この種の測定方法として極めて
有用である。

しかしながら、上記従来の測定装置では、接触式，被
接触式に限らず、被測定物体をＸ−Ｙ方向或いはＸ方向
に並進運動させてプローブを相対的に走査する為、レン
ズ等の曲面を有する被検物体の面形状を測定する場合に
は測長のストロークが大きくなり過ぎるという欠点を生
じていた。

又、被検面の走査形態が直線上のライン走査に限定さ
れていた為、被検面の形状データの抽出方式も一つの方
式に限られて被検面形状の表現方法に自由度がなかっ
た。

〔発明の概要〕

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもの
で、被検面とプローブとの走査形態を複数個選択するこ
とが可能で、プローブの測長ストロークを軽減させた面
形状測定装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成する為に、本発明に係る面形状測定
装置は、光ビームを用いて被検曲面を走査する光学的プ
ローブと、該光学的プローブと被検曲面との間隔を一定
化するように前記光学的プローブを変位させるための第
１変位機構と、前記光学的プローブを被検曲面に対し、
被検曲面の基準となる球面の曲率中心を通る第１の軸を
回転軸として相対的に旋回走査させる走査手段と、前記
曲率中心を通り且つ前記第１の軸とは直交する第２の軸
を回転軸として前記被検曲面と前記光学的プローブとを
相対的に回転させる回転手段と、前記光学的プローブと
前記第１変位機構とを一体的に前記第１変位機構による
変位方向に沿って変位させる為の前記第１とは異なる第
２変位機構と、前記曲率中心と前記第１の軸との間の位
置調整を可能とするべく前記被検曲面を変位させる為の
第３変位機構とを有し、被検曲面を走査した際の前記光
学的プローブの変位量を検出して被検曲面の面形状を測
定することを特徴としている。

本発明の更なる特徴は下記実施例から明らかになるで
あろう。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る測定装置の一実施例を示し、球
面レンズおよび非球面レンズの形状測定装置を示す概略
構成図である。

第１図において、旋回軸受２およびエンコーダ３およ
び不図示の旋回モータが定盤１に固着されている。旋回
軸受２と、レンズの曲率中心と旋回軸21とを一致させる
為のＲ合せガイド６に固着された旋回軸21との間は空気
静圧軸受方式により構成される。また、定盤１に固着さ
れた旋回ガイド４と、Ｒ合せガイド６に固着された旋回
スライド５との間も空気静圧案内方式により構成され
る。旋回軸21は不図示のスチールベルトによって不図示
の旋回モータに接続される。以上により、Ｒ合せガイド
６を旋回軸21のまわりに回転させる旋回軸駆動機構が構
成される。

割出軸受８および割出モータ９がＲ合せスライド７に
固着され、割出軸受８と割出軸22との間が空気静圧軸受
方式で構成される。非球面レンズ等の被測定物30は、そ
の光軸が割出軸22と一致するように不図示のチヤツク割
出軸22により固着される。以上により、被測定物30をそ
の光軸のまわりに回転させる為の被測定物30の割出機構
を構成する。

Ｒ合せガイド６とＲ合せスライド７との間は空気静圧
案内方式で構成され、Ｒ合せガイド６に対して、Ｒ合せ
スライド７を摺動することにより、被測定物30の曲率中
心の旋回軸21に一致せしめる為のＲ合せ機構を構成す
る。定盤１に固着された粗動ガイド10と粗動スライド11
との間は、空気静圧案内方式で構成される。粗動ガイド
10に固着された粗動モータ12と粗動スライド11とは、回
転直進変換機構であるところのボールネジまたは台形ね
じ等によるねじ12′により連結される。粗動スライド11
に固着された粗動格子スケール13と粗動ガイド10に固着
された格子ピツチ読取装置14とにより、粗動スライド11
の移動量を測定する。

粗動スライド11に固着された微動ガイド15と微動スラ
イド16との間は空気静圧案内方式で構成される。リニア
モータで構成される微動モータ17は粗動スライド11に固
着され、そのスライド部を微動ガイド15を嵌通させて微
動スライド16に固着する。

オートフオーカス顕微鏡20が微動スライド16に固着さ
れ、オートフオーカス顕微鏡20に固着された微動格子ス
ケール18と、粗動スライド11に固着された格子ピツチ読
取装置19とにより、オートフオーカス顕微鏡20の移動量
を測定する。さらに定盤１は不図示の除振台に固着され
外部振動の影響を除去している。

第２図はオートフオーカス顕微鏡20の内部構成を示す
概略構成図であり、特開昭61−17907号公報で本件出願
人が開示した三次元形状測定系と同一のものである。

従って、ここでは詳細な説明は省略し、この光学系の
機能を簡単に述べることにする。

第２図に示すオートフオーカス顕微鏡20では、合焦状
態判別光学系42により被測定物30の対物レンズ41に対す
る合焦状態を検出し、その合焦状態により微動モータ17
を駆動し、オートフオーカス顕微鏡20を移動せしめるこ
とにより、常時、被測定物30の表面と対物レンズ41の光
軸とが交わる点、即ち被測定点に対物レンズ41の焦点位
置をロツクする様なオートフオーカシング機構を備え
る。又、同時に傾斜角測定光学系43により被測定点にお
ける被測定物30の表面の傾斜角を測定する。このときの
傾斜角は旋回軸21の回りに矢印（θ）で示される旋回方
向への傾斜角として測定される。

本実施例によれば、合焦状態判別光学系42による被測
定物30の被検面への光プローブの投射を、光プローブの
中心光線が光軸に対して傾く様な状態で入射、即ち被検
面へ斜入射させている。この傾きは第２図の紙面内で生
じており、被検面からの反射ビームのずれ方向は紙面内
に存する。

一方、被測定物30は旋回軸21の回りに旋回させられる
為、光プローブは被測定物30の被検面上を紙面と直交す
る方向に走査されることになる。

球面又は非球面レンズ等の被測定物30は、その周方向
に沿った形状は一定であり、被検面上の被測定点に於い
て第２図に示す旋回方向と直交する方向の傾斜角は零と
見なされる。

従って、第２図に示す様に、合焦状態判別光学系42の
反射ビームのずれ方向と被測定物30の旋回方向とを大略
直交、望ましくは90±20゜の関係になる様に構成するこ
とにより、被測定物30の被検面の傾斜による反射ビーム
の微小なずれや傾斜角測定用のビームとの干渉を無くす
ことが出来、合焦状態判別光学系42が被検面の光軸方向
の高さ（位置）を正確に検知し得る。従って、合焦状態
判別の精度を格段に向上させることが出来る。

尚、第２図に於いて、合焦状態判別光学系42におい
て、80は光源であり、100はコリメーターレンズであ
り、120はナイフエツジであり、140は偏光ビームスプリ
ツターであり、160はハーフミラーであり、180は1/4波
長板であり、241は対物レンズであり、220はバンドパス
フイルターであり、240はレンズであり、244は光学的セ
ンサである。

傾斜角測定光学系43において、280は光源であり、300
及び320はレンズであり、340は偏光ビームスプリツター
であり、360はバンドバスフイルターであり、45は光学
的センサである。尚、この光学系43においてはハーフミ
ラー160、1/4波長板180及び対物レンズ41は光学系42と
共用されている。

第３図に第１図及び第２図に示す測定装置の制御系ブ
ロツク図を示す。オートフオーカス顕微鏡20の内部に設
置された合焦状態判別光学系42のセンサ44の出力信号
が、合焦状態検出器50に入力されて第４図に示す合焦状
態信号と光量信号とに処理される（特開昭61−017907号
公報参照）。つまり、被測定物30の被検面上の被測定点
が第２図における対物レンズ41の焦点位置にあるときの
合焦状態信号は第４図のａ点となり、被検面上の被測定
点の対物レンズ41の焦点位置からのずれに従い、ａ点近
傍において合焦状態信号はリニアに変化する。そのと
き、センサ44で受光される光の総量を示す光量信号は第
４図下側に示す様な変化を呈する。従って、第４図から
解る様に、センサ44で受光される光の光量レベルの、あ
る値以上をもって合焦状態検出可能領域が決定される。

合焦状態検出器50により生成された合焦状態信号およ
び光量信号はサーボドライバ52および制御コンピユータ
60に入力される。さらに、サーボドライバ52の出力は微
動モータ17に接続され、微動スライド16,オートフオー
カス顕微鏡20,被測定物30,合焦状態検出器50,サーボド
ライバ52,微動モータ17によりオートフオーカシングサ
ーボ機構ループが形成される。

オートフオーカス顕微鏡20の内部に設置された傾斜角
測定光学系43のセンサ45の出力信号が傾斜角検出器51に
入力され、被測定点の旋回方向への傾斜角として処理さ
れる（特開昭61−017907号公報参照）。さらに、傾斜角
検出器51によって処理された傾斜角信号は制御コンピユ
ータ60に入力される。

格子ピツチ読取装置19の出力信号は、微動スライド移
動量検出器53に入力され微動スライド16の移動量として
信号処理される。さらに、微動スライド16の移動量はサ
ーボドライバ52および制御コンピユータ60に入力され
る。このとき、微動スライド16,微動格子スケール18,格
子ピツチ読取装置19,微動スライド移動量検出器53,サー
ボドライバ52,微動モータ17によりオートフオーカス顕
微鏡20の位置決めサーボ機構ループが形成される。

制御コンピユータ60からの指令により、粗動モータド
ライバ54が駆動され、粗動モータドライバ54に接続され
た粗動モータ12が回転することにより、ねじ12′により
連結された粗動スライド11が移動する。

粗動ガイド10に固着された格子ピツチ読取装置14の、
粗動格子スケール13の目盛を読取った出力信号は粗動ス
ライド移動量検出器55に入力され、粗動スライド11の移
動量として信号処理され制御コンピユータ60に入力され
る。

制御コンピユータ60からの指令により、旋回軸モータ
ドライバ56が駆動され、旋回軸モータドライバ56に接続
された不図示の旋回モータが回転する。このとき不図示
のスチールベルトにより旋回モータに接続された旋回軸
21が回転し、被測定物30が旋回軸21を中心に旋回され
る。

エンコーダ３からの信号は旋回角検出器57に入力さ
れ、旋回軸21の回転角、つまり被測定物30の旋回軸21を
中心とする旋回角θとして信号処理され、制御コンピユ
ータ60に入力される。

制御コンピユータ60からの指令により、割出軸モータ
ドライバ58が駆動され、割出軸モータドライバ58に接続
された割出軸モータ９が回転する。これにより、被測定
物30が割出軸を中心に一定角度回転し、被測定断面の割
出が行われる。

操作盤59には、不図示の合焦状態表示，光量表示，傾
斜角表示，微動スライド移動量表示，粗動スライド移動
量表示，旋回角表示等の各表示、およびオートフオーカ
シングサーボ機構とオートフオーカス顕微鏡位置決めサ
ーボ機構との切替えスイツチ，微動スライド駆動スイツ
チ，粗動スライド駆動スイツチ，旋回軸駆動スイツチ，
割出軸駆動スイツチ，測定開始／停止スイツチ等の各制
御スイツチを備え、制御コンピユータ60と接続すること
により、マン・マシンインターフエイスが行われる。

制御コンピユータ60はデータ処理コンピユータ61と接
続され、制御コンピユータ60から出力される被測定物30
の合焦状態，傾斜角および微動スライド移動量，粗動ス
ライド移動量，旋回角の各測定データがデータ処理コン
ピユータ61に入力される。さらに、データ処理コンピユ
ータ61から出力される測定旋回範囲，測定点数，旋回ス
ピード等被測定物30に対する測定条件データが制御コン
ピユータ60に入力される。

データ処理コンピユータ61により入力された上述の各
測定データは、被測定物30の被検面の形状データに処理
変換され、デイスク62,プロツタ63,プリンタ64等に出力
される。

次に本実施例における、非球面レンズの形状測定法に
つき以下説明する。

第５図は本発明方法の一実施例を示す為の説明図で、
測定機構部と制御部とをブロツク図の形態で示した。

第５図の測定機構部は、第１図を上から見た上面図で
ある。本測定装置は第５図に示すように、上述のオート
フオーカシングサーボ機構により、被測定物30の被測定
点に対物レンズ41の焦点位置をロツクし、被測定物30の
曲率中心（旋回軸21）のまわりに被測定物30を旋回し
て、被測定物30の稜線を走査し、旋回角θおよび旋回軸
21から被測定点までの距離ｒにより、被測定物30の断面
形状を測定する極座標ｒ−θ方式による測定装置であ
る。さらに割出軸22のまわりに被測定物30を回転して多
断面測定を行い、被測定物30の表面形状の測定を行って
いる。

まず、微動ガイド15と微動スライド16との間に設けら
れた不図示の近接センサの動作位置に微動スライド16を
おき、微動スライド移動量検出器53の出力を０にリセツ
トする。また、第１図に示す粗動ガイド10と粗動スライ
ド11との間に設けられた不図示の近接センサの動作位置
に粗動スライド11をおき、この状態での対物レンズ41の
焦点位置と旋回軸21との距離が微動スライド移動量検出
器53の出力と粗動スライド移動量検出器55の出力との和
に等しくなるように粗動スライド移動量検出器55の出力
をプリセツトする。つまり、対物レンズ41の焦点位置が
旋回軸21と一致する状態における微動スライド移動量検
出器53の出力と粗動スライド検出器55の出力との和が０
となるようにキヤリブレーシヨンされたことになる。

次に被測定物30の軸、即ちレンズの光軸と割出軸22が
一致するように、被測定物30を不図示のチヤツク機構に
より割出軸22に固着する。

次に微動スライド移動量検出器53の出力と、粗動スラ
イド移動量検出器55の出力との和が被測定物30の曲率半
径Ｒ（設計値）となるように、粗動スライド11および微
動スライド16を駆動する。このとき微動スライド16は位
置決めサーボ機構で駆動されているものとする。次に、
Ｒ合せスライド７を駆動し、第４図に示されるオートフ
オーカス顕微鏡20の合焦状態検出可能領域まで、オート
フオーカス顕微鏡20に被測定物30の被測定面を接近させ
る。この状態において、位置決めサーボ機構ループから
オートフオーカシングサーボ機構ループへの切替えを行
う。これにより、被測定点が対物レンズ41の略焦点位置
にロツクされたことになる。ここで微動スライド移動量
検出器53の出力と粗動スライド移動量検出器55の出力と
の和が被測定物30の曲率半径ＲとなるようにＲ合せスラ
イド７を微調整駆動する。

以上述べた様な方法で、測定原点をレンズ等の被測定
物30の曲率中心とし、この曲率中心上の原点に対してＲ
−θ座標系を形成するべく被測定物30とオートフオーカ
ス顕微鏡20をプリセツトすることにより、従来のＸ−Ｙ
座標系にもとづく測定方式の如く被測定物30の肉厚等を
考慮することなく、被測定物30の曲率中心と旋回軸21と
を容易に一致させることが出来る。

又、オートフオーカス顕微鏡20の光プローブは、被測
定物30の被検曲面を旋回走査して被検面の凸凹を検知す
る為、光プローブのストロークは非球面のベース曲面
（曲率半径Ｒ）からのずれ量分だけとなり、測長ストロ
ークの短縮化を図ることが出来る。

又、測定装置の各機構も簡便な構成で済み、駆動機構
の移動量も小さい為に小型の測定装置となっている。

ここで、オートフオーカス顕微鏡20の位置決めサーボ
機構ループから、オートフオーカシングサーボ機構ルー
プへの切替え過程について詳述する。被測定物30の被検
面上の被測定点が対物レンズ41の焦点位置にあるとき
は、被測定点からの反射ビームは合焦状態判別光学系42
のCCD等から成るセンサ44の中心にスポツト像を結ぶ
（特開昭61−017907号公報参照）。従って、センサ44の
ビデオ信号を不図示のオシロスコープモニタによって観
察することにより、合焦状態検出可能領域に被測定点を
移動することができるのである。つまり、センサ44のビ
デオ信号がセンサ44の中心付近に存在する状態において
合焦状態検出可能領域の検出がなされたことになるので
ある。この状態において切替えスイツチにより、位置決
めサーボ機構ループからオートフオーカシングサーボ機
構ループへの切替えを行うことで自動的に被測定点が対
物レンズ41の焦点位置にロツクされることになるのであ
る。

次に不図示の旋回モータを駆動し、旋回軸を回転した
被測定物30を旋回する。これによりオートフオーカス顕
微鏡20による光プローブが被測定物30の稜線を走査し、
被検面からの反射ビームを検出することによりレンズ頂
点を含む断面形状が測定される。さらに割出軸22を駆動
して被測定物30を軸中心に回転し、走査稜線を変えて同
様に測定することにより、被測定物30の表面形状が放射
状に測定される。

さて、上述のように測定中、あるいはその他いかなる
場合においても、微動スライド16がオートフオーカシン
グサーボ機構ループにより駆動されているとき、被測定
点に傷，ゴミ等が存在して合焦状態判別光学系42の被測
定点からの反射ビームが散乱を受けると、対物レンズ41
に入射する光量が極端に減少し、センサ44に到達する光
量が減少する。従って、合焦状態判別光学系42の動作が
不能な状態に陥ることとなり、オートフオーカシングサ
ーボ機構ループが切断され、微動スライド16のコントロ
ールが不能となってしまう。従って、オートフオーカス
顕微鏡20が被測定物30に衝突する等、危険な事態の発生
が予測される。従って、測定中においては旋回走査によ
り被測定点に傷，ゴム等の存在しない状態になったとし
ても、そのまま測定を続行することができず、測定が中
断してしまう。これらの異常事態に対処するため本実施
例の装置では以下の安全対策が講じられているのであ
る。つまり、微動スライド16がオートフオーカシングサ
ーボ機構ループにより駆動されているとき、傷，ゴミ等
を含めて何らかの影響により、第４図に示す合焦状態判
別可能領域を外れたとき、自動的に位置決めサーボ機構
ループに切替え、オートフオーカス顕微鏡20をその位置
にロツクする。これにより、オートフオーカス顕微鏡20
が被測定物30に衝突するという危険を防止しているので
ある。また、測定中に被測定点が傷，ゴミ等を通過する
ときを考えると、第６図に示すように、旋回走査による
傷，ゴミ等を通過する間、対物レンズ41の焦点位置は
傷，ゴミ等を通過する直前の位置ｂにロツクされる。こ
こで、微小走査範囲Δθにおいては、被測定点の割出軸
22の方向への変位Δｒは微小であるといえる。従って、
微小な傷，ゴミ等によりオートフオーカシングサーボ機
構のコントロールが不能になり、位置決めサーボ機構ル
ープに切替えられたとしても、走査により傷，ゴミ等を
通過した時点で被検面は再び合焦状態判別可能領域に復
し、これを検知することにより自動的にオートフオーカ
シングサーボ機構ループに復帰することにより、対物レ
ンズ41の焦点位置はｃからｄに変位し、測定が続行され
るのである。以上のフローチヤートを参考の為第７図に
示す。

次に本実施例における面形状のデータ処理法について
説明する。

第５図において、制御コンピユータ60の指令により、
旋回軸21は速度V₀で定速駆動され、被測定物30の稜線が
オートフオーカス顕微鏡20の光プローブにより一定速度
で走査される。このとき制御コンピユータ60により測定
旋回角θ_０が出力され、比較器68のＡに入力される。さ
らに旋回角検出器57の出力が比較器68のＢに入力され
る。ここで、制御コンピユータ60により設定された測定
旋回角θ_０と、旋回角θ_０現在値とが一致するとき、比
較器68からＡ＝Ｂ信号が出力される。さらに、Ａ＝Ｂ信
号により、合焦状態検出器50の出力である合焦状態信号
と微動スライド移動量検出器53の出力である微動スライ
ド移動量、傾斜角検出器51の出力である傾斜角がラツチ
65,66,67によりそれぞれラツチされる。ラツチされた各
データは制御コンピユータ60を介して、データ処理コン
ピユータ61に伝送される。これを多数の測定旋回角につ
いて順次行うことにより、被測定物30の一断面データの
取得が行われる。これらのデータは、データ処理コンピ
ユータ61により処理され、一断面形状データに加工され
る。

次に測定データの形状データへの処理法について説明
する。前述の様に初期状態で対物レンズ41の焦点位置と
旋回軸21とが一致する状態での微動スライド移動量検出
器53の出力と粗動スライド移動量検出器55の出力との和
が０にキヤリブレーシヨンされている。又、合焦状態検
出器50の出力は被測定点の対物レンズ41の焦点からのず
れ量となる。したがって、合焦状態検出器50の出力、微
動スライド移動量検出器53の出力、および粗動スライド
移動量検出器55の出力の総和は第５図における旋回軸21
（被測定物30の曲率中心）と被測定点との距離ｒにほか
ならない。さらに、被測定物30の曲率半径をＲ（一般的
には被測定物30の頂点におけるｒ）とし、δ＝Ｒ−ｒの
データ処理を行うことにより、非球面量δが求められ
る。ただし、測定中においては粗動スライド11はエアー
ダウン方式によりロツクされているので実際のｒとして
は、合焦状態検出器50の出力と微動スライド移動量検出
器53の出力との和をもって非球面量δの計算を行ってい
る。同時に傾斜角検出器51の出力として、被測定点の傾
斜角αが測定されるが、これは第５図に示す角度αであ
り、被測定点の旋回方向への接線が被測定物30と同一の
曲率中心をもつ球面の対物レンズ44の光軸と交差する点
における接平面となす角度である。

以上により、被測定点の位置情報として不図示の割出
角（被測定物30の割出軸22の回りの回転角）と旋回角θ
および被測定点情報として非球面量δと傾斜角αによ
り、被測定物30の表面形状データが構成される。さらに
これらはデータ処理コンピユータ61により、デイスク62
へのフアイリングとともに、プロツタ63およびプリンタ
64への出力によって被測定物30の表面形状が出力され、
マン・マシンインターフエイスが確立する。

以上述べた様に測定データを面形状データに変換する
際、合焦状態検出器50の出力と微動スライド移動量検出
器53の出力を双方利用することにより、第１図に示す装
置の如く光プローブを被検面にフエーカツシングさせる
機構が大型で、オートフオーカスサーボが追従出来ない
様な場合にも、常時精確に被検面の形状データを得るこ
とが出来る。

又、上述の如く傾斜角のデータを傾斜角測定系を介し
て得ることにより、被検面の被測定点の位置と傾きを知
ることが出来、更に詳しい面形状の表現を行える。

さて本測定装置における光プローブの走査形態につい
て説明する。本測定装置は、被測定物30を旋回させる旋
回手段および被測定物30を自転させる割出手段を備えて
いるので、その走査形態として第８図，第９図，第10図
に示す各走査形態が可能である。なお、第８図，第９
図，第10図は被測定物30をその頂点側より見た図であ
り、各図の円中心が被測定物30の頂点である。

第８図に示す放射走査を実現するためには、上述のよ
うに割出軸22を駆動して、第８図の断面ａ−ａ′の方向
と旋回方向とが一致するように合せる。次に測定旋回角
毎にデータを取得しながら断面ａ−ａ′を走査する。同
様に割出軸22を駆動して断面ｂ′−ｂの方向と旋回方向
とが一致するように合せ、測定旋回角毎にデータを取得
しながら断面ｂ′−ｂを走査する。このようにして、各
断面ａ−ａ′,b′−b,c−ｃ′,d′−d,e−ｅ′,f′−f,
g−ｇ′,h′−ｈの８断面を走査し、データを取得する
のである。このときのサンプリング点数は1000点／断面
となっている。

次に第９図に示す輪帯走査について第11図を参照しつ
つ説明する。第11図の機構部分も第５図同様第１図を上
方から見た図である。旋回軸21を駆動して、割出軸22と
対物レンズ41の光軸とがなす角をｎθに合わせる。次に
制御コンピユータ60の指令により割出軸モータードライ
バ58を駆動し、割出軸モーター９を定速駆動する。この
とき割出軸22に設置された不図示のロータリーエンコー
ダからの信号が割出角検出器69に入力され、割出角検出
器69の出力として割出角が出力され、比較器68の入力Ｂ
に接続される。さらに制御コンピユータ60により測定割
出角が出力され、比較器68の入力Ａに接続される。この
ときＡ＝Ｂ信号、つまり測定割出角と割出角現在値とが
一致するタイミングにおいて合焦状態検出器50の出力、
微動スライド移動量検出器53の出力および傾斜角検出器
51の出力がそれぞれラツチされ、測定割出角における非
球面量δ，傾斜角αとして測定される。同様の測定を割
出角０゜から360゜について行うことにより１輪帯の測
定を完了する。さらに上述の測定を旋回角0,θ,2θ……
ｎθについて行うことによりｎ本の輪帯についての測定
を完了し、被測定物30の面形状の測定が行われたことに
なる。

次に第10図に示すスパイラル走査について第12図を参
照しつつ説明する。第12図の機構部分も第５図同様第１
図を上方から見た図である。測定は被測定物30の頂点よ
り開始する。まず、制御コンピユータ60の指令により、
割出軸モータードライバ58と旋回軸モータードライバ56
とを駆動し、各ドライバに接続された割出軸22と旋回軸
21とをそれぞれ定速駆動する。このとき割出軸22に設置
された不図示のロータリーエンコーダからの信号が割出
角検出器69に入力され、割出角検出器69の出力として割
出角が出力され、比較器68の入力Ｂに接続される。さら
に制御コンピユータ60により測定割出角が出力され、比
較器68の入力Ａに接続される。このときＡ＝Ｂ信号、つ
まり測定割出角と割出角現在値とが一致するタイミング
において合焦状態検出器50の出力、微動スライド移動量
検出器53の出力および傾斜角検出器51の出力がそれぞれ
ラツチされ、測定割出角における非球面量δ，傾斜角α
として測定される。同様の測定を旋回角０゜からθまで
行うことにより被測定物30の面形状がスパイラル状に連
続して測定される。

以上示した様に、旋回手段と割出し手段を備えたこと
により、簡便な機構で被検面全体の形状を測定出来、且
つ光プローブの走査形態を所望の形態として測定するこ
とが可能となる。この為、測定の高速化，自動化はもち
ろんのこと、測定形態の自由度も増え、任意の面形状デ
ータを抽出することが出来る。

第13図は本発明の非球面レンズ形状測定装置の第２の
実施例を示す概略構成図である。本実施例においては、
プローブ側が旋回する点が、被測定物側が旋回する第１
図に示した第１の実施例と異なる。第13図に於いて、旋
回スライド５は粗動ガイド10に固着され、Ｒ合せガイド
６は定盤１に固着されている。旋回軸21上に曲率中心を
もつ被測定物30の表面に対物レンズ14の焦点位置をロツ
クし、旋回軸21のまわりにオートフオーカス顕微鏡20を
含むプローブ側全体を旋回することにより被測定物30の
表面を走査して、第１実施例と同様に被測定物30の表面
形状を測定する。

上記実施例においては、微動スライド16および粗動ス
ライド11の各移動量を測定する測長手段として、格子干
渉方式を用いているか、レーザー干渉方式を用いて実現
することもできる。

以上の示した如き実施例の非球面レンズの面形状測定
装置によれば、曲率，開角，非球面量等の測定範囲にお
いて、広い領域に亘っての測定を可能とし、高精度にて
微小スポツトによる非球面レンズ形状測定を高速に行う
ことができる。同時に被測定物表面の傾斜角測定をも行
い得るので、非球面レンズ形状に関する正確な情報を短
時間のうちに得ることができる。

さらに、本測定装置によれば、被測定物としてガラス
レンズ，プラスチツクレンズ，モールド用金型等種々の
材質に対して、接触プローブ方式にみられたような傷の
付着等の考慮が不要となる。

〔発明の効果〕

以上、本発明にかかる面形状測定装置によれば、レン
ズ等のさまざまな曲率を有する被検面を測定する際も、
測長ストロークを大きくすることなく形状測定が可能に
なり、プローブの制御機構の小型化、簡便化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る測定装置の一実施例を示す概略構
成図。第２図は第１図に示すオートフオーカス顕微鏡の内部を
示す概略構成図。第３図は第１図に示す測定装置の制御系ブロツク図。第４図は被測定点位置と合焦状態信号，およびセンサで
受光される光量レベルとの関係を示す為の説明図。第５図は本発明の測定方法の１実施例を示すための説明
図。第６図は被検出面上にゴミや傷が存在する場合の測定手
順を示す説明図。第７図はオートフォーカシングサーボ機構ループと位置
決めサーボ機構ループとの切り換え方法を示すフロチャ
ート図。第８図乃至第10図は被検面を走査する光プローブの走査
形態を示す模式図。第11図は第９図に示す走査形態で走査する場合の測定方
法を示すための説明図。第12図は第10図に示す走査形態で走査する場合の測定方
法を示すための説明図。第13図は本発明に係る測定装置の他の実施例を示す概略
構成図。１……定盤、２……旋回軸受３……エンコーダ、４……旋回ガイド５……旋回スライダ、６……Ｒ合せガイド７……Ｒ合せスライド、８……割出軸受９……割出軸モーター、10……粗動ガイド 11……粗動スライド、12……粗動モータ 12′……ねじ、13……微動格子スケール 14……格子ピツチ読取装置 15……微動ガイド 16……微動スライド 17……微動モーター 18……微動格子スケール 19……格子ピツチ読取装置 20……オートフオーカス顕微鏡 30……被測定物 41……対物レンズ 42……合焦状態判別光学系 43……傾斜角測定光学系 44,45……センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保坂光太郎東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者肥後村誠東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者山本碩徳東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者野瀬哲志東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者丹羽雄吉東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者大和田光俊東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭48−40468（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−17908（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−190607（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを用いて被検曲面を走査する光学
的プローブと、該光学的プローブと被検曲面との間隔を
一定化するように前記光学的プローブを変位させるため
の第１変位機構と、前記光学的プローブを被検曲面に対
し、被検曲面の基準となる球面の曲率中心を通る第１の
軸を回転軸として相対的に旋回走査させる走査手段と、
前記曲率中心を通り且つ前記第１の軸とは直交する第２
の軸を回転軸として前記被検曲面と前記光学的プローブ
とを相対的に回転させる回転手段と、前記光学的プロー
ブと前記第１変位機構とを一体的に前記第１変位機構に
よる変位方向に沿って変位させる為の前記第１とは異な
る第２変位機構と、前記曲率中心と前記第１の軸との間
の位置調整を可能とするべく前記被検曲面を変位させる
為の第３変位機構とを有し、被検曲面を走査した際の前
記光学的プローブの変位量を検出して被検曲面の面形状
を測定することを特徴とする面形状測定装置。
【請求項２】前記光学的プローブにより被検曲面を放射
走査することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載の面形状測定装置。
【請求項３】前記光学的プローブにより被検曲面を輪帯
走査することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載の面形状測定装置。
【請求項４】前記光学的プローブにより被検曲面をスパ
イラル走査することを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載の面形状測定装置。