JP4659476B2 - 干渉計の被検レンズ支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、基準面と被検レンズの被検面との双方に測定光を照射し、各々の面からの反射光の干渉によって生じる干渉縞を測定する干渉計に用いられる被検レンズの支持装置に関するものである。

レンズ面の仕上がり精度を評価するために干渉計が広く用いられている。例えばレーザ光を測定光に用いたフィゾー型干渉計では、基準レンズを通してレーザ光を被検レンズに照射し、基準レンズの基準面からの反射光と被検レンズの被検面からの反射光とを互いに干渉させ、そこに発生する干渉縞の本数や形状に基づいて被検面の仕上がり度合いを確認することができる。

このような干渉計を用いて被検レンズの被検面を評価するに際しては、基準面の曲率中心と被検面の曲率中心とを測定光軸上の一点で合致させることが不可欠である。一般に、基準レンズは干渉計の光学系内に精度良く位置決めされているので問題はないが、被検レンズは干渉計のマウント部にその都度セットされることになるため、その位置決めをいかに簡便かつ正確に行うかということが重要なポイントになる。こうした背景から、例えば特許文献１で知られるように、一般には被検レンズの被検面を測定光軸に関して回転対称な三点で受け止め、被検レンズをその自重を利用して位置決めすることが行われている。
特許第３３２８９６０号公報

上記レンズ支持装置のように、被検レンズをその自重を利用して三点で支持する場合、被検面をできるだけ安定に支持するとともに、測定エリアを広くとることができるように被検面の外周縁近くでレンズ支持部が被検面を受け止めるようにしている。このように、被検面を三点で受け止めて被検レンズを支持するようにしておけば、被検面の曲率半径によらず被検レンズを簡便かつ正しく位置決めすることができる。

しかしながら、特許文献１記載の被検レンズ支持装置では、被検面を三点で受け止めるそれぞれのレンズ支持部が被検面の外周縁近傍で固定されているため、被検レンズの外径に伴って被検面の外径が変わってくるとそのままでは利用することができない。したがって、被検レンズの種類に応じて種々のレンズ支持装置を準備しておかなくてはならず、また新規な被検レンズに対しては新たなレンズ支持装置を作成するという手間がかかり、即応性の点で不十分であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、被検レンズの外径が変わっても即座に対応が可能な干渉計の被検レンズ支持装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、干渉計の基準ステージ上に設置され測定光を通過させる開口を形成した台座に三本のレンズ支持アームを組み付け、これらのレンズ支持アームを変位させて各々の先端部が測定光の光軸と略直交する面内で前記開口に出入りするようにしてある。レンズ支持アームの先端部には上方に突出したレンズ支持部材が設けられ、上方から載置される被検レンズの被検面を測定光の光軸と略直交する平面内の三点でほとんど摩擦のない状態で支持する。したがって、被検面が球面であれば被検レンズはその自重により被検面が面内変位する方向でのみ変位して所定の姿勢で落ち着き、被検面が測定光の光軸に正対した測定位置に位置決めされる。このように被検面を三点で支持すれば、被検面の面内変位量自体は測定に何ら影響を与えることがなく、被検面の曲率中心を常に測定光の光軸に合わせた状態で被検レンズを位置決めすることができる。なお、レンズ支持部材は厳密な意味で測定光の光軸と直交する同一の面内になくてもよいが、外径によらず被検面の測定エリアを広くとるには被検面の外周縁近くをレンズ支持部材で支持できるように、レンズ支持部材をできるだけ測定光の光軸と直交する面内に沿って移動させるのがよい。

三本のレンズ支持アームは、好ましくは測定光の光軸に関して回転対称となる位置で前記台座に組み付けられ、かつ前記光軸からの距離が等しくなるように前記開口内に一斉に出入りするように構成される。三本のレンズ支持アームを上記のように変位させる連動機構は、レンズ支持アームの後端に設けられたカムフォロアを台座に形成されたカムに係合させ、そして台座に回転自在に組み付けられた回転リングにレンズ支持アームの中間部を回転自在に軸支させることによって構成することができる。さらに、レンズ支持アームの上方にレンズ支持アームと同様に変位する三本のレンズ押さえアームを設け、これらのレンズ押さえアームの先端部に光軸と平行に下方に延びるように外周押さえ部材を突設しておく。レンズ押さえアームを適切な位置に変位させておくことによって、被検面に沿って被検レンズがレンズ支持部材の上で滑ったとしても、被検レンズの外周面が前記外周押さえ部材によって受け止められるから、被検レンズをレンズ支持部材から不用意に落下させるといった事故を防ぐことができるようになる。

三本のレンズ支持アームを変位させることに伴い、各々の先端部に設けられたレンズ支持部材が台座の開口内に入り込み、被検レンズの被検面を面内変位自在な状態を保ちつつ三点で支持できるようになるから、外径が異なる被検レンズであってもレンズ支持アームを調節すれば被検レンズをその自重により調芯しながら測定位置に正しく位置決めすることができる。特に、三本のレンズ支持アームを同時に変位させ、各々のレンズ支持部材が測定光の光軸から等距離となる関係を保って移動させる連動機構を併用すれば、被検面の外径が変わってもその外径の変化に即応して被検面の外周縁近くで被検レンズを簡便に支持することができ、測定エリアの広い効率的な測定を行うことが可能となる。また、レンズ支持アームと同様に変位する三本のレンズ押さえアームを併設するとともにその先端部にレンズ押さえ部材を設けておくことにより、レンズ支持部材で支持された被検レンズを不用意に落下させることもなくなる。

干渉計の概略構成を示す図１において、光学系ユニット２は、周囲の振動や空気流などの外乱が及ばないように防振機能を備えた筐体３に密封して収容されている。光学系ユニット２は筐体３内で図中上下方向に移動自在であり、基準レンズ及び被検レンズの曲率半径に応じて移動調節される。筐体３の天板には後述するレンズ支持装置５を設置するための基準ステージとなるマウント４が設けられ、本発明を適用したレンズ支持装置５を高精度に位置決めして保持する。なお、マウント４にＸＹステージ機能をもたせ、レンズ支持装置５を紙面と垂直な面内で移動調節できるようにしておくことが望ましい。

光学系ユニット２は一例としてフィゾー型干渉計で構成され、測定光として例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光を出力するレーザ発振器８を備えている。レーザ発振器８からの測定光は凸レンズからなる発散レンズ９によりピンホール１０の位置で一旦集光された後、ビームスプリッタ１２に入射し、ハーフミラー面１２ａで反射される。ハーフミラー面１２ａで反射された測定光は、鉛直な測定光軸Ｓにしたがって１／４波長板１４を通り、コリメータレンズ１５により平行光となって基準レンズ１６に入射する。

基準レンズ１６は上方に向けられた面が基準面１６ａとなり、測定光の反射面として用いられる。なお、基準レンズ１６の下方に向けられた面からの反射光はノイズとなるため、この光入射面には反射防止コーティングが施される。基準面１６ａからの反射光は、コリメータレンズ１５，１／４波長板１４を経てビームスプリッタ１２に入射する。そして、ハーフミラー面１２ａを透過した後、絞り１８を通って結像レンズ１９に入射し、その結像位置に設けられたＣＣＤイメージセンサなどの撮像手段２０に至る。

マウント４に装着されたレンズ支持装置５に、被検面２４ａを下向きにして被検レンズ２４をセットしたとき、被検面２４ａの曲率中心が測定光軸Ｓ上にある基準面１６ａの曲率中心に合致していると、被検面２４ａで反射した測定光は基準面１６ａで反射した測定光と光学的に等価な光路にしたがって撮像手段２０に達する。そして、これらの反射光は、基準面１６ａからの反射光が参照光、被検面２４ａからの反射光が物体光となって互いに干渉し、撮像手段２０の受光面上で干渉縞が生じ、これを撮像して被検面２４ａの仕上がり度合いを評価することができる。

この干渉計を適正に用いるには、上述のように基準面１６ａの曲率中心と被検面２４ａの曲率中心を一点Ｘで合致させることが前提となっている。基準レンズ１６の方は、光学ユニット２に高精度に位置決めすることができるのに対し、被検レンズ２４の方は測定ごとにレンズ支持装置５にセットされるため、レンズ支持装置５には高精度の調芯機能が要求される。被検面２４ａの曲率中心が紙面と垂直な面内で平行にずれている場合には、マウント４のＸＹステージの調整で対応が可能であり、また被検面２４ａの曲率中心が単に光軸Ｓ方向でずれている場合には光学ユニット２を昇降させることで対応できるが、被検面２４ａに倒れ、すなわち被検面２４ａが全体的に傾いてその曲率中心が測定光軸Ｓから外れている場合には、調整が非常に面倒で時間を要するものになる。

したがって、レンズ支持装置５には被検レンズ２４の被検面２４ａが倒れなく測定光軸Ｓに正対させる機能が必要となる。この機能は、特許文献１で知られるように、鉛直方向に設定された測定光軸Ｓに関して好ましくは回転対称となる三点で被検面２４ａを支持し、被検レンズ２４の自重による調芯作用を利用することによって簡便に達成できるが、前述したように、一般には被検レンズ２４の外径が変わり、これに伴って被検面２４ａの外径が変わったときには対応できない。本発明のレンズ支持装置５は以下に述べるように、こうした問題にも簡便に対応することができるようになっている。

レンズ支持装置５は、図２、図３及び図４に示すようにそれぞれリング状になった下台座３０（第１台座）及び上台座３１（第２台座）と、カバープレート３２とを有し、下台座３０と上台座３１とは三本のボルト３４によって連結され、カバープレート３２は上台座３１にセットビス（図示省略）で固定される。各々の台座３０，３１及びカバープレート３２にはそれぞれ円形の開口３０ａ（第１開口），３１ａ（第２開口），３２ａが形成され、上方から被検レンズ２４をセットし、また下側からの測定光が被検面２４ａに達するようにしてある。図４に示すように、下台座３０の底面側にはマウント４の受け側の形状に応じた位置決め用の段差３５が高精度に切削加工されており、載置するだけでこのレンズ支持装置５は基準ステージとなるマウント４に高精度に位置決めされ、各々の開口３０ａ，３１ａの中心軸Ｋは、測定光軸Ｓと一致する。

下台座３０及び上台座３１の底面側内周にそれぞれ段差が形成され、これらの段差によって回転リング４０（第１回転リング），４１（第２回転リング）が支持されている。回転リング４０，４１の外周面は下台座３０，上台座３１の内周面に接し、これらの回転リング４０，４１は中心軸Ｋの回りに回転自在である。回転リング４０には調整用の操作軸４３の先端がビス４４で固定されるとともに、下台座３０には操作軸４３を中心軸Ｋの回りに回動させることができるように肉抜き部４５が設けられている。したがって、操作軸４３の他端側に設けたツマミ４６を図３の矢印Ｐ方向に操作することによって、回転リング４０を中心軸Ｋの回りに回動することができる。

なお、ツマミ４６を操作軸４３に対して回転操作すると、ツマミ４６が操作軸４３のネジ条にしたがって軸方向に進退する。ツマミ４６を締めつけてゆくとその前端面が下台座３０の外周面に圧着されるから、その状態で操作軸４３を調整位置で固定することができる。そして、ツマミ４６を緩めてその固定を解除すると、操作軸４３を中心軸Ｋの回りに回動操作することができるようになる。上台座３１にも全く同様の操作軸が設けられ、ツマミ４７の操作により回転リング４１を中心軸Ｋの回りに回動することができ、またツマミ４７自体を回転操作して任意の調整位置で固定しあるいは解除することができるようになっている。

回転リング４０の上面には、中心軸Ｋに関して１２０°の回転対称となる位置にそれぞれレンズ支持アーム５０が支軸５０ａにより揺動自在に軸着されている。レンズ支持アーム５０の後端部にはカムフォロア５１（第１突起）が固定され、下台座３０に形成されたカム溝５２（第１カム溝）に係合している。レンズ支持アーム５０の先端部には、上方に突出したレンズ支持部材５５が固定されている。レンズ支持部材５５の上端は、被検レンズ２４の被検面２４ａを受け止めたときに点で接触してほとんど摩擦抵抗が生じることがないようにボール形状となっており、これにより被検レンズ２４は被検面２４ａが面内変位する方向でのみ移動自在に支持されることになる。

ツマミ４６を緩めてから操作軸４３を反時計方向に回動すると、回転リング４０も同方向に回動する。なお、ボルト３４を締めつけて回転リング４０を下台座３０と上台座３１との間で挟持する構造にしたときには、操作軸４３を回動する前にボルト３４を緩め、回転リング４０を所望の位置に回動させた後にボルト３４を緊締する操作が必要となるが、レンズ支持アーム５０を確実に所望の調整位置に固定するには、ボルト３４に上記機能をもたせておくことが望ましい。

回転リング４０が反時計方向に回動すると、各々のレンズ支持アーム５０の支軸５０ａが同方向に回動し、またカムフォロワ５１とカム溝５２との係合により、三本のレンズ支持アーム５０は支軸５０ａを中心にして中心軸Ｋと直交する面内に沿って一斉に時計方向に揺動する。この結果、レンズ支持アーム５０の先端部のレンズ支持部材５５が中心軸Ｋに近づくように開口３０ａ内に入り込んでゆく。また、回転リング４０を時計方向に回動させたときには、三本のレンズ支持アーム５０は同方向に回動しながら、レンズ支持部材５５が中心軸Ｋから離れるように各々の支軸５０ａを中心に一斉に反時計方向に揺動する。したがって、レンズ支持アーム５０が軸着された回転リング４０、カムフォロア５１及び下台座３０に形成されたカム溝５２は、三本のレンズ支持アーム５０を一斉に揺動させる連動機構として作用する。

同様に、上台座３１に回転自在に組み込まれた回転リング４１には、中心軸Ｋに関して１２０°の回転対称となる位置に支軸６０ａを介してレンズ押さえアーム６０が揺動自在に軸着されている。レンズ押さえアーム６０の後端部にはカムフォロア６１（第２突起）が固定され、上台座３１に形成されたカム溝６２（第２カム溝）に係合している。レンズ押さえアーム６０の先端部には、中心軸Ｋと平行に下向きに延びた円柱状のレンズ押さえ６５が固定されている。

これらのレンズ押さえアーム６０が軸着された回転リング４１、カムフォロア６１及び上台座３１に形成されたカム溝６２は、三本のレンズ押さえアーム６０を一斉に揺動させる連動機構として作用し、ツマミ４７を操作して回転リング４１を反時計方向に回動すると、レンズ押さえアーム６０の先端部のレンズ押さえ部材６５が中心軸Ｋに直交する面内に沿って中心軸Ｋに近づくように開口３１ａ内に一斉に入り込んでゆく。もちろん、各々のレンズ押さえ部材６５は常に中心軸Ｋから等距離の位置を保つ。

これらのレンズ支持アーム５０及びレンズ押さえアーム６０を揺動させることにより、図５に示すように外径に応じて被検レンズ２４を支持することができる。レンズ支持部材５５はボール形状をした突端により、光軸Ｓに関して１２０°の回転対称となる位置で被検面２４をほとんど摩擦抵抗がない点接触で支持する。レンズ支持部材５５には被検レンズ２４の自重が均等に加わるため、たとえ被検レンズ２４に倒れがあった場合でも、自動的に曲率中心が光軸Ｓ上にくるように位置決めされる。なお、被検面２４ａが球面であれば凸面，凹面のいずれでも被検面２４ａが測定光軸Ｓに正対するように被検レンズ２４の位置決めを行うことが可能である。また、ツマミ４６の調整位置とレンズ支持部材５５の位置とは一対一に対応しているから、図２に示すように、ツマミ４６の近傍に指標４６ａを付しておけば、この指標４６ａを目安にして被検面２４の外径に応じて適切な位置にレンズ支持部材５５を移動させることができ、操作性を高めることができる。もちろん、他方のツマミ４７に対しても同様の指標を設けておくのが好ましい。

さらに、被検レンズ２４を三点で支持し、しかも被検面２４の評価対象エリアを広くするには、被検レンズ２４の外周面に近い位置で被検レンズ２４を支持するのが有利であるが、被検レンズ２４をレンズ支持部材５５の上に載置するときの位置ずれ量が大きいときには、被検レンズ２４がレンズ支持部材５５から滑り落ちることが懸念される。こうした場合であっても、レンズ押さえアーム６０をあらかじめ適切な位置にセットしておくと、仮に被検レンズ２４がレンズ支持部材５５上を滑ってずり落ちそうになっても、少なくとも２つのレンズ押さえ部材６５が被検レンズ２４の外周面を受け止めることになるから、不用意に被検レンズ２４を落下させるといった事故を確実に防ぐことができる。なお、このように被検レンズ２４がレンズ支持部材５５上でずれたとしても、レンズ支持部材５５が被検面２４ａを三点で支持している限りでは、被検面２４ａの曲率中心は図１の点Ｘからずれることはないので、そのままで被検面２４ａの測定を行うことができる。

上述のように、被検レンズ２４の自重はレンズ支持部材５５を介してレンズ支持アーム５０の先端部に加わることになるが、レンズ支持アーム５０はその後端部ではなく中間部が回転リング４０に軸着されていること、また揺動させるためのカムスロットがレンズ支持アーム５０自体に設けられていないという構成上の特徴から十分な強度を確保することができる。さらに、レンズ支持アーム５０の上面は上台座３１の底面で規制されているから上下方向に移動したり傾いたりすることがなく、レンズ支持アーム５０を剛性の高い素材で作製しておけば、被検レンズ２４の自重で先端側が撓むこともなく、被検レンズ２４を測定光軸Ｓと直交する略同一の平面内で正しく支持することができる。

以上、図示した実施形態にしたがって説明してきたが、例えばレンズ押さえアーム６０を変位させる操作軸についてはツマミ４７を回転操作して上台座３１に固定できるようにし、レンズ支持アーム５０を変位させる操作軸４３についてはツマミ４６の回転操作による固定機能を省略してフリクションなどで調節位置に保持されるようにしてもよい。この場合、レンズ支持部材５５は必ずレンズ押さえ部材６５よりも内側に位置することになるから、レンズ支持アーム５０の一部をレンズ押さえアーム６０あるいはレンズ押さえ部材６５に内側から当接させて位置決めすることも可能である。さらに、レンズ支持アーム５０あるいはレンズ押さえアーム６０は必ずしも三本同時に連動させなくてもよく、個別に移動調節させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、レンズ支持アーム５０あるいはレンズ押さえアーム６０を中心軸Ｋに関して１２０°の回転対称となる位置に組み付け、レンズ支持部材５５やレンズ押さえ部材６５を中心軸Ｋに関して１２０°の回転対称となるように、しかも中心軸Ｋからの距離が互いに等しくなるように移動させているが、レンズ支持部材５５やレンズ押さえ部材６５が中心軸Ｋと直交する面内に沿って開口３０ａ，３１ａに出入りする構成であれば、レンズ支持アーム５０あるいはレンズ押さえアーム６０を必ずしも回転対称となるようにそれぞれの台座３０，３１に組み付けなくてもよく、レンズ支持部材５５やレンズ押さえ部材６５も中心軸Ｋに関して回転対称あるいは中心軸Ｋから常に等距離でなくてもよい。

さらに、レンズ押さえアーム６０を省略し、レンズ支持アーム５０の先端側にレンズ押さえ部材６５を設けることも可能である。この場合には、中心軸Ｋに対してレンズ押さえ部材６５をレンズ支持部材５５の外側に配置すればよい。そして、それぞれのレンズ押さえ部材６５とそれぞれのレンズ支持部材５５との間隔を調整できるようにしておけば、被検面２４ａの外周縁と被検レンズ２４の外周面との間隔が変わっても簡便に対応することが可能となる。

干渉計の概略図である。 本発明を用いたレンズ支持装置の外観図である。 レンズ支持装置の分解斜視図である。 レンズ支持装置の概略断面図である。 レンズ支持装置の作用説明図である。

符号の説明

２ 光学ユニット
４ マウント
５ レンズ支持装置
３０ 下台座
３１ 上台座
３２ カバープレート
４０，４１ 回転リング
４３ 操作軸
５０ レンズ支持アーム
５１ カムフォロア
５２ カム溝
５５ レンズ支持部材
６０ レンズ押さえアーム
６５ レンズ押さえ部材

Claims (3)

1. 基準面と被検レンズの被検面との双方に測定光を照射し、各々の面からの反射光の干渉によって生じる干渉縞を測定する干渉計に用いられ、前記測定光の光軸に対して前記被検面が正対するように被検レンズを支持する干渉計の被検レンズ支持装置において、
   干渉計の基準ステージ上に設置され前記測定光を通過させる第１開口が形成された第１台座と、
   前記第１台座に変位自在に組み込まれ、その変位に伴って先端部が前記光軸と略直交する面内で前記第１開口に出入りする三本のレンズ支持アームと、
   前記レンズ支持アームの先端部に各々設けられ、レンズ支持アームの上方から載置される被検レンズの被検面を面内変位自在に受け止めるレンズ支持部材と、
   干渉計の基準ステージ上に設置され前記測定光を通過させる第２開口が形成され、前記第１台座上に配置される第２台座と、
   前記第２台座に変位自在に組み込まれ、かつ前記レンズ支持アームよりも上方で先端部が前記光軸と略直交する面内で前記第２開口に出入り自在な三本のレンズ押さえアームと、
   前記レンズ押さえアームの各々の先端部に前記光軸と平行に下方に延びるように突設され、前記レンズ支持部で被検面が支持された被検レンズの外周面を受け止める外周押さえ部材とを備えたことを特徴とする干渉計の被検レンズ支持装置。
2. 前記三本のレンズ支持アームは、前記光軸に関して回転対称となる位置で前記第１台座に組み付けられるとともに、これらの三本のレンズ支持アームを同時に変位させて前記光軸からの距離が等しくなるように前記レンズ支持部材を前記第１開口に一斉に出入りさせる第１連動機構を備え、
   前記第１連動機構は、レンズ支持アームの後端に設けられ前記第１台座に形成された第１カム溝に係合する第１突起と、レンズ支持アームの中間部を回転自在に支持するとともに前記光軸を中心に回転自在に前記第１台座に組み付けられた第１回転リングとからなり、前記第１回転リングを回転させることにより各々のレンズ支持アームが変位して前記レンズ支持部材が前記第１開口内に出入りすることを特徴とする請求項１記載の干渉計の被検レンズ支持装置。
3. 前記三本のレンズ押さえアームは、前記光軸に関して回転対称となる位置で前記第２台座に組み付けられるとともに、これらの三本のレンズ押さえアームを同時に変位させて前記光軸からの距離が等しくなるように前記外周押さえ部材を前記第２開口に一斉に出入りさせる第二の連動機構を備え、
   前記第二の連動機構は、前記レンズ押さえアームの後端に設けられ前記第２台座に形成された第２カム溝に係合する第２突起と、レンズ押さえアームの中間部を回転自在に支持するとともに前記光軸を中心に回転自在に前記第２台座に組み付けられた第２回転リングとからなり、前記第２回転リングを回転させることにより各々のレンズ押さえアームが変位して前記レンズ押さえ部材が前記第２開口内に出入りすることを特徴とする請求項１または２記載の干渉計の被検レンズ支持装置。

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