JP4839798B2

JP4839798B2 - 光学素子形状測定方法

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Publication number: JP4839798B2
Application number: JP2005340339A
Authority: JP
Inventors: 真嘉上平; 忠晴大塚; 弘道能勢
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: JP2007147371A

Description

本発明は、光学素子測定用治具を利用して光学素子の面形状を測定する光学素子形状測定方法に関するものである。

光学素子の３次元的な表面形状を高精度に測定するための技術として、ワークに触針を接触させて、その変位量を測定する接触式測定法がある。

この種の接触式測定法おいては、光学素子の表面形状を測定するばかりでなく、光学素子の外形基準に対する光学面の位置ずれ、すなわち偏芯を測定することが必要となる場合がある。このような偏心の測定を可能にするものとして、例えば、治具上に位置決め治具を配置して光学素子の位置決めを行なうことにより外形を基準とする光軸ずれを測定する形状測定装置が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−７１３４４号公報

しかし、上述のような形状測定装置では、位置決め治具が治具ホルダ上に固定的に取り付けられているだけであり、位置決め治具が安定して光学素子の外形に接触しない。そのため位置決め治具接触により算出される光学素子の外形基準、すなわち当該光学素子の外形形状から算出される当該光学素子の中心の測定精度が低下する可能性がある。また、この位置決め治具は柱状の外形を有するため、加工精度を高めること困難な形状であり精度良い測定には不向きである。さらに、柱状の位置決め治具によって光学素子の横方向の移動を制限するだけであるので、治具を反転して光学素子の両面を測定するような構成を行う場合に光学素子が脱落する恐れがある。

そのため、光学素子両面を測定するためには、その都度光学素子をはずして表裏を反転、計測する工程が必要となり、効率的な測定ができない。更に光学素子自体を一旦外すため、当該光学素子の両光学面の偏芯を精度よく測定できない可能性がある。

そこで、本発明は、形状測定装置において被測定物である光学素子の外形基準を高精度に測定可能であり、かつ加工精度にも優れた光学素子形状測定方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、反転させた場合にも光学素子の脱落が生じない光学素子形状測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、光学素子測定用治具に支持された光学素子の形状を測定する光学素子形状測定方法であって、前記光学素子測定用治具は、測定対象となる光学素子を載置する、第一面及び該第一面の裏面に相当する第二面とを有する基板と、一部が前記基板に支持され、既知の球面形状を有する球面部を前記光学素子側面部に光軸と垂直な方向から当接可能に備えた複数の外形基準検知手段と、を備え、前記複数の外形基準検知手段の内の少なくとも一つは、前記光学素子を押圧するような付勢力を以って当接可能に構成されており、前記光学素子の側面部に前記複数の外形基準検知手段の球面部が当接した状態を維持したまま、各球面部の位置を計測することにより前記光学素子の外形基準を求めるとともに、前記光学素子の光学面の表面形状を測定することにより、前記光学素子の外形基準に対する前記光学面の偏芯を測定することを特徴とする。ここで、球面部について「既知の球面形状」とは、球面であること、つまり形状測定により曲率中心が求められることが予め把握可能な形状であることを意味する。

上記光学素子形状測定方法では、複数の外形基準検知手段の少なくとも１つを基板上の光学素子の外縁部に対して付勢力を以って当接することができるので、光学素子の外縁部に対して外形基準検知手段の球面部を安定して保持又は配置することができる。よって、光学素子の外縁部から精度よく外形基準、すなわち光学素子の中心を求めることができる。また当接する部位は球面部で構成されているため、その他の形状に比べて高精度で加工し易いというメリットがある。

本発明の具体的な態様又は観点では、前記複数の外形基準検知手段の各球面部は、前記光学素子に対し、前記光学素子の外周を等分割する位置でそれぞれ当接するように配置されている。この場合、球面部による光学素子のより安定な支持が可能になり、球面部を利用した偏芯計測の精度をより高めることができる。

本発明の更に別の態様では、前記複数の外形基準検知手段の内、前記光学素子を押圧するような付勢力を以って当接する外形基準検知手段は、前記基板に支持された支持部と前記球面部との間に弾性部材を有するとともに、前記弾性部材と球面部との間（弾性部材の一部と球面部との間を含む）であって前記弾性部材による前記光学素子に対する付勢力を調整可能な調整手段を有する。この場合、外縁部の輪郭のサイズや形状が異なる光学素子の計測も高精度で行うことができる。なお、「弾性部材と球面部との間」の調整手段とは、実施形態に示されるようなバネ端部に調整手段を設ける場合の他、バネの一部の固定箇所を変えることで弾性力による付勢力を調整する調整手段であってもよい。

本発明の更に別の態様では、前記光学素子の光軸と垂直な面に複数箇所で当接し、前記光学素子を前記基板との間に挟持して前記光学素子の光軸方向の位置規制を行う複数の挟持手段を備える。この場合、光学素子を光軸方向に関しても基板上に確実に固定することができ、基板を上下反転させた計測も可能になる。なお、「光軸と垂直な面に当接」とは、実施形態に示されるような光学素子のフランジに相当する外縁部のような平坦面は勿論のこと、多少の光軸と垂直な面から傾きを持って形成された面であってもよく、要は実質的に光軸方向への押圧力が最大又はこれに準じて効率的となるような面に当接するものであればよい。

本発明の更に別の態様では、前記複数の外形基準検知手段のうち２つの外形基準検知手段の球面部は、前記基板に載置される光学素子の光軸方向からみた外形形状の一辺に対応する位置の側面部に当接するよう構成されている。この場合、矩形の輪郭を有する光学素子のように、光学素子を光軸方向からみた場合に少なくとも１辺を有するような外形形状を有する光学素子であっても、安定的に保持して精度よい外形基準測定が可能となる。

本発明の更に別の態様では、前記複数の外形基準検知手段のうち２つの外形基準検知手段の球面部は、当接する側面部の当接箇所間に、前記光学素子の突起部が配置されるよう構成されている。この場合、成形時に形成されるゲートの切断跡等の突起物を避けた計測が可能となる。

本発明の更に別の態様では、前記光学素子を押圧するよう付勢力を以って挟持する前記挟持手段は、前記光学素子を押圧する押圧力をＦ（Ｎ）とするとき、以下の範囲
０．１＜Ｆ＜１０
を満足する。下限を下回ると光学素子の外縁部を基板に十分な力で押し付けることができないため、光学素子が不用意に移動してしまうこととなる。また、上限を上回ると、光学素子の外縁部を過剰な力で押し付けるため、光学素子が歪んで計測結果に悪影響を与えることになる。

本発明の更に別の態様では、光学素子を押圧するよう付勢力を以って当接する前記外形基準検知は、前記光学素子を押圧する押圧力をＦ’（Ｎ）とするとき、
以下の範囲
０．０１＜Ｆ’＜１
を満足する。下限値を下回ると、外形基準検知手段と光学素子の外周部との密着度が十分に確保できず、外形を正確に測定することができない。また、上限値を上回ると、光学素子を歪ませてしまい、同様に外形を正確に測定することができない。

本発明の更に別の態様では、前記基板は、載置された光学素子を前記第一及び第二面のいずれの方からも測定可能な開口部を備えている。この場合、光学素子を基板に載置したまま表面側からだけでなく開口を介して裏面側からも計測することができる。このことにより、表面形状の中心と裏面形状の中心とのずれ、すなわち、表面と裏面との相対偏芯を測定することが可能となる。。

本発明の更に別の態様では、前記挟持手段は、少なくとも３つ以上備えている。この場合、光学素子を基板上に安定して確実に固定することができる。

本発明の更に別の態様では、前記挟持手段が前記光学素子と当接する接触部は、球状に構成されている。接触部が球状であるとは、半球等の凸の曲面で接触可能な形状を有することを意味する。この場合、当接箇所が点接触に近い状態となるため、複数箇所の当接でも面的な接触と比較して光学素子の傾きが防止でき、より測定の精度を高めることができる。

本発明の更に別の態様では、前記光学素子に対して、前記外形基準検知手段と前記挟持手段とが当接する各位置は、前記光学素子の光軸方向から見て互いに異なる位置に交互に配置されるよう構成している。この場合、外形基準検知手段と前記挟持手段とがともに外周を略均等に分割した位置で外周の当接又は挟持を行うことができるので、外形基準検知手段による計測を容易かつ高精度にしつつ、光学素子の固定を確実にすることができる。

また上述した本発明の光学素子形状測定方法において別の態様では、ゲートカット部を有する外形を有する光学素子は、前記光学素子の光軸方向からみて前記挟持手段の当接位置と前記ゲートカット部とがオーバーラップする位置に配置される。この場合、光学素子の周囲を挟んで確実に固定することができるだけでなく、光学素子成形時に生ずるゲート跡等の突起部を用いて挟持部材で挟持でき、外形基準検知手段は当該突起部を避けた配置が可能となる。

また上記光学素子形状測定方法に用いられる形状測定装置は、前記基板の第一面と第二面とを反転可能に保持する保持部を備えており、これにより光学素子を載置したままで表面及び裏面の測定が可能となり、表面形状の中心と裏面形状の中心とのずれ、すなわち、表面と裏面との相対偏芯を測定することが可能となる。

またこのような保持部を備えた形状測定装置を用いた光学素子形状測定方法により、光学素子を載置したままで表面及び裏面の測定が可能となり、表面形状の中心と裏面形状の中心とのずれ、すなわち、表面と裏面との相対偏芯を測定することが可能となる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る光学素子測定用治具を図面を用いて説明する。図１（ａ）は、面形状測定用の光学素子測定用治具の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の光学素子測定用治具のＡＡ矢視断面図である。また、図２（ａ）は、図１（ａ）に示す治具の中央部の部分拡大平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に対応する部分拡大断面図である。

光学素子測定用治具１０は、被測定対象である光学素子ＯＥを保持して不図示の面形状測定装置の保持部にセットするためのものであり、かかる面形状測定装置において、光学素子ＯＥの光学面の形状を表側と裏側から計測できるようにするとともに、光学素子ＯＥの偏芯を計測することができるようにしている。光学素子測定用治具１０は、以上の目的で、以下に詳述する、基板２０と、球面部３０を有する外形基準検知手段４０と、挟持装置５０と、球状被計測部材６０と、回転制限部材７０とを備える。

基板２０は、四角形の厚板上の外観を有し、第一面とその裏面に第二面を有している。中央には光学素子ＯＥを載置するための円形ステージ２１を有している。円形ステージ２１は、中央に開口２２を有しており、開口２２の縁部分で光学素子ＯＥの外縁部ＰＡを支持する。これにより、円形ステージ２１すなわち基板２０上に支持された光学素子ＯＥを図１（ａ）に示す表側と反対の裏側と両側から観察することができ、面形状測定装置（後述）の計測用の触針を、図２（ａ）、２（ｂ）に示す光学素子ＯＥの両光学面ＯＳ１，ＯＳ２に下ろすことができる。なお、基板２０は、外形基準検知手段４０、挟持装置５０、及び球状被計測部材６０を、光学素子ＯＥの保持位置の周囲の適所に支持する際の支持体としても機能する。

球面部３０は、基板２０上に３つ配置された略同一形状の球体であり、後述する外形基準検知手段４０の一部として、先端にそれぞれ固定されている。各球面部３０は、既知の球面形状を有しており、図２に示すように、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの側面に当接する。各球面部３０が光学素子ＯＥの側面に当接する位置は、外縁部ＰＡを３等分した均等な位置に対応しており、光学素子ＯＥの中心から１２０°異なる３方向（光軸ＯＡのまわりに等分割された方向）に配置されている。なおここでの等分した位置には、厳密に等分された位置だけでなく、ほぼ等分となる位置も含む。各球面部３０は、付勢されて、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの側面に当接するとともに、外縁部ＰＡの側面をこれに対して垂直な方向から適当な大きさの押圧力で押圧する。各球面部３０に付与する押圧力は、光学素子ＯＥの材料やサイズにも依存するが、光学素子ＯＥの形状に歪みを与えない程度とするものとし、かつ、球面部３０と外縁部ＰＡ側面との密着度が十分に確保できる程度とする。具体的には、この押圧力をＦ’（Ｎ）とするとき、０．０１＜Ｆ’＜１程度となるようにする。このようにして、既知の球面形状を有する３つの球面部３０を外縁部ＰＡの適所に適度の密着させることにより、外縁部ＰＡの中心を求めることができ、光学素子ＯＥの光軸ＯＡとの位置ずれ量である偏芯を算出することもできる。

なおここで複数の外形基準検知手段における各球面部３０は、全て付勢力を以って光学素子側面に押圧するよう当接するよう構成されている必要はなく、いずれか少なくとも一つがそのように当接するものであればよい。この場合、他の外形基準検知手段４０は基板に対して固定的に配置されているものであってよい。

外形基準検知手段４０は、先端に球面部３０を固定したロッド４１と、ロッド４１を軸方向に滑らかに移動させる摺動機構４２と、ロッド４１を先端側に付勢するバネ４３ａを内蔵するとともにばねの根元位置を調節する付勢部材４３とを備える。ロッド４１は、図２（ａ）に示すように、円形ステージ２１に刻設された溝２１ａに案内された状態で溝２１ａに沿って往復移動する。摺動機構４２は、基板２０上面に固設されたガイドであり、ロッド４１の根元側が嵌合しており、ロッド４１の軸方向に沿った滑らかな移動を可能にしている。付勢部材４３は、基板２０上面に着脱可能に取り付けられた機構であり、弾性部材であるバネ４３ａに付勢されて突出しようとするピン４３ｂによって、ロッド４１を先端方向に付勢することができるとともに、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡ側面に球面部３０を所定の力で押し付けることができる。ここで、付勢部材４３は、バネ４３ａやピン４３ｂを収納し外周にネジを形成したアジャスタ部４３ｃを調整手段として備えており、アジャスタ部４３ｃのねじ込み量の調整によって、バネ４３ａの根元位置を微調整することができる。このアジャスタ部４３ｃにより、ロッド４１の標準的な位置やロッド４１に対する付勢力を適宜調整することができる。また、アジャスタ部４３ｃの調節により、被測定対象である光学素子ＯＥのサイズを変更した場合にも一定範囲で対応することができる。

挟持装置５０は、３つの板バネ状の挟持部材５１と、各挟持部材５１を支持する支持枠５２とを備える。各挟持部材５１の先端部の裏面には、図２（ｂ）等に示すように、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの上面に当接する接触部５１ａが形成されている。各接触部５１ａは、外形が半球状で、外縁部ＰＡに当接して光学素子ＯＥを基板２０の板面に垂直な光軸ＯＡ方向に付勢しつつ、外縁部ＰＡを基板２０との間に挟持する。各接触部５１ａに付与する押圧力は、光学素子ＯＥの材料やサイズにも依存するが、光学素子ＯＥの形状に歪みを与えない程度とするものとし、かつ、接触部５１ａの付勢力に起因する摩擦力によって光学素子ＯＥの移動が妨げられる程度とする。具体的には、この押圧力をＦ（Ｎ）とするとき、０．１＜Ｆ＜１０程度となるようにする。接触部５１ａは、支持枠５２の先端部を半球状に加工したり、円弧状の先端を有する板状にしたり、支持枠５２の先端部に鋼球を取り付けたりすることによって形成できる。一方、支持枠５２は、光学素子ＯＥの周囲から挟持部材５１の根元側を支持しており、各挟持部材５１は、光学素子ＯＥの中心に向けて１２０°異なる方向から延びている。つまり、３つの挟持部材５１の先端に設けた３つの接触部５１ａの位置は、外縁部ＰＡを３等分した均等な位置に対応している。このように、３つの接触部５１ａによって外縁部ＰＡを点接触で均等に支持することにより、光学素子ＯＥを高精度で安定して支持することができる。

なお、各挟持部材５１は、支持枠５２に対して着脱可能になっており、光学素子ＯＥの形状のサイズや形状に合わせて交換できる。挟持部材５１を交換する際には、光学素子ＯＥの形状に合わせて反り具合等を調節することにより、各接触部５１ａに付与する付勢力を調整できる。また、挟持部材５１を形成するバネ材料としては、ベリリウム合金、リン青銅、ステンレス等を用いることができる。

球状被計測部材６０は、基板２０上に３つ配置された略同一形状の球体であり、基板２０上に設けた固定部材２５によって基板２０に位置ずれしないようにしっかりと固定されている。なお、基板２０上において球状被計測部材６０を固定した位置には、開口２３が形成されており、固定部材２５に固定された球状被計測部材６０を図１（ａ）に示す表側と反対の裏側との両側から観察することができ、面形状測定装置（後述）の触針を球状被計測部材６０の上下面に接触させて当該上下面をなぞるように移動させることができる。

回転制限部材７０は、全体として扇状の外形を有し、基板２０中央に取り付けられた円形ステージ２１の一部であって、１つの挟持部材５１の下方に固定されている。回転制限部材７０は、光学素子ＯＥ側に凹部７１を有しており、この凹部７１と光学素子ＯＥに形成された主に平坦部ＦＰとが係合することによって光学素子ＯＥの光軸ＯＡのまわりの回転位置が調節される。以上の平坦部ＦＰ及び突起部ＰＰは、外縁部ＰＡの輪郭に関して隣接部と異なる不規則部であり、光学素子ＯＥの射出成形時によって不可避的に形成され、このうち突起部ＰＰの先端は、ゲートカット部と呼ばれる。凹部７１の位置は、１つの挟持部材５１の下側となっており、平坦部ＦＰや突起部ＰＰが３つの球面部３０が接することを回避している。このように、球面部３０が平坦部ＦＰや突起部ＰＰに接することを防止することによって、外縁部ＰＡの検出精度が低下することを防止できる。なお、以上において、不規則部とは、光学素子のゲートカット部のように曲面の一部に存在する凹凸状の部分や、円形の一部をカットしたＤカット形状の光学素子における当該直線状の外形部分などを含み、輪郭形状の大部分とは異なる外形形状部分をいう。

図３（ａ）は、回転制限部材７０の部分拡大図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の回転制限部材７０の変形例を示す。図３（ａ）に示すように、光学素子ＯＥの外周に直線状の平坦部ＦＰと矩形の突起部ＰＰとが形成されている場合、回転制限部材７０に設けた凹部７１は、平坦部ＦＰに対応する形状の直線部分７１ａと突起部ＰＰと嵌り合う溝部分７１ｂとを有する。なお、図３（ｂ）に示すように、光学素子ＯＥの外周にゲートカット部を先端に有する単なる突起部ＰＰが形成されている場合、回転制限部材１７０に設けた凹部１７１は、このような突起部ＰＰと嵌り合う溝部分１７１ａを有する。

以上説明した光学素子測定用治具１０において、３つの球面部３０と、３つの接触部５１ａとは、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡに沿って等間隔で互い違いに配置されている。この結果、球面部３０と接触部５１ａとの干渉を防止しつつ両者を効率的に配置でき、球面部３０や光学素子ＯＥの光学面ＯＳ１の計測を確実にすることができ、その作業性を高めることができる。

図４（ａ）及び４（ｂ）は、図１に示す光学素子測定用治具１０を用いた面形状測定装置１００の構造を説明する正面図及び側面図である。この面形状測定装置１００は、定盤８１上に、ＸＹステージ装置８２と、Ｚ駆動装置８４とを固定した構造を有する。ＸＹステージ装置８２やＺ駆動装置８４の動作は、制御装置９９によって制御されている。

ＸＹステージ装置８２は、説明を省略する駆動機構に駆動されて動作し、ＸＹステージ装置８２の上部に設けた載置台８２ａ上に着脱可能に固定された光学素子測定用治具１０を、ＸＹ面内で２次元的に任意の位置に滑らかに移動させることができる。光学素子測定用治具１０の位置は、載置台８２ａに設けたＸミラー８３ａとＹミラー８３ｂとを利用して検出される。すなわち、Ｘミラー８３ａに対向して定盤８１上に取り付けたレーザ干渉計８３ｄを利用して載置台８２ａのＸ軸方向の位置が分かる。また、Ｙミラー８３ｂに対向して定盤８１上に取り付けたレーザ干渉計８３ｅを利用して載置台８２ａのＹ軸方向の位置が分かる。

Ｚ駆動装置８４は、フレーム８５上に昇降機構８６を固定したものであり、昇降機構８６は、フレーム８５上部に固定されＺ方向に伸びる支持軸８６ａと、支持軸８６ａに支持されてＺ軸方向に移動する昇降部材８６ｂと、昇降部材８６ｂを昇降させる昇降駆動手段（不図示）と、昇降部材８６ｂに支持された触針保持部８６ｄと、触針保持部８６ｄに昇降可能に支持された触針ＰＲとを備える。

昇降機構８６は、昇降部材８６ｂが支持軸８６aに非接触に支持されて滑らかに昇降運動する。昇降保持部８６ｄは触針ＰＲを保持しており、これに伴って滑らかに昇降運動する。なお触針ＰＲは、先端に一定の負荷を掛けた状態で高精度で滑らかに昇降することができるようにフィードバックをかけて不図示の昇降駆動手段を動作させている。結果的に、触針ＰＲを低応力で昇降させつつ、ＸＹステージ装置８２を適宜動作させて光学素子測定用治具載置した光学素子ＯＥを２次元的に走査するように移動させるならば、触針ＰＲの先端を光学素子測定用治具１０に固定した光学素子ＯＥの光学面等に沿って２次元的に移動させることができる。この際、触針ＰＲの先端位置は、触針ＰＲとともに昇降する部材の上端に設けたＺミラー９１ａを利用して検出される。すなわち、Ｚミラー９１ａに対向してフレーム８５上に取り付けたレーザ干渉計９１ｂを利用して触針ＰＲ下端のＺ軸方向の位置が分かる。

図５は、図４に示す面形状測定装置を用いた測定方法の手順を説明するフローチャートである。

最初に、光学素子ＯＥを図４の面形状測定装置１００にセットする（ステップＳ１０）。この工程は、ロボットに行わせることもできるが通常オペレータが行う。内容を具体的に説明すると、光学素子ＯＥの表側の光学面ＯＳ１を上側にして、光学素子測定用治具１０上に取り付ける（図１参照）。つまり、３つの板バネ状の挟持部材５１を取り除いた状態で、３つの外形基準検知手段４０を解除状態として、光学素子ＯＥを円形ステージ２１上に載置する。その後、３つの外形基準検知手段４０を係止状態となるように取り付けて、光学素子ＯＥの周囲から３つの球面部３０保持を付勢するとともに、３つの板バネ状の挟持部材５１を固定位置に取り付ける。これにより、光学素子ＯＥの固定が完了する。この場合も、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡが、３つの球面部３０によって周囲から保持され、３つの板バネ状の挟持部材５１によって基板２０との間に挟持されて固定される。この際、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡが、３つの球面部３０によって周囲から適当な力で付勢され、３つの板バネ状の挟持部材５１によって基板２０の表側に付勢されて固定される。その後、このように光学素子ＯＥを固定した光学素子測定用治具１０をＸＹステージ装置８２上の載置台８２ａに固定する。

次に、基板２０の周辺部に配置された３つの球状被計測部材６０の表面形状を計測することによって、表側の面頂点座標系を測定する（ステップＳ１１）。具体的には、各球状被計測部材６０の頂点近傍に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて球状被計測部材６０の表面に対して触針ＰＲを例えば十字に移動させつつ、駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を球面部３０の表面から離れないように移動させる。これにより、各球状被計測部材６０の中心が算出される。

次に、光学素子ＯＥの周囲に配置された３つの球面部３０の表面形状を計測することによって、面頂点座標を測定する（ステップＳ１２）。具体的には、各球面部３０の頂点近傍に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて球面部３０の表面に対して触針ＰＲを十字移動を行わせつつ、駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を球面部３０の表面から離れないように移動させる。これにより、各球面部３０の中心が算出される。

次に、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの中心に対応する表面外形基準位置を算出する（ステップＳ１３）。ここで、表面外形基準位置は、外縁部ＰＡの側面が真円であると仮定して、３つの球面部３０の中心が通る円の中心を算出して得られた座標とする。なお、外形基準位置の計算方法は、３つの球面部３０の中心が通る円を求めるものに限らず、様々な幾何的計算方法を用いることができる。

次に、光学素子ＯＥの表側の光学面ＯＳ１の表面形状を測定する（ステップＳ１４）。具体的には、光学素子ＯＥの光学面ＯＳ１上方に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて光学素子ＯＥに対して触針ＰＲを２次元的に走査移動させつつ、駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を光学面ＯＳ１から離れないように移動させる。これにより、２次元的な表面形状データが得られる。

次に、ステップＳ１４で得た表面形状データを設計値でフィッティングする座標変換を行う（ステップＳ１５）。具体的には、表面形状データをＺとし、設計値をＺ０とし、これらの差分であるＺｄ＝Ｚ０−Ｚの最小２乗平均値（ＲＭＳ）が最小になるように座標変換を行う。この際、座標変換に必要なデータが座標変換データとして保管される。

次に、光学素子ＯＥの表面外形偏芯を算出する（ステップＳ１６）。ここで、光学素子ＯＥの表面外形偏芯は、外縁部ＰＡの中心に相当する外形基準位置が光学素子ＯＥに関する光学面ＯＳ１の表面形状の計測値から得た光軸ＯＡからずれている量とする。なお、光学素子ＯＥの表面形状は、ステップＳ１５で得た座標変換後の表面形状データに対応するものとなっている。

次に、光学素子測定用治具１０を裏返して不図示の面形状測定装置の保持部にセットする（ステップＳ１７）。この工程は、ロボットに行わせることもできるが通常オペレータが行ってもよい又は行うことが好ましい。内容を具体的に説明すると、光学素子ＯＥを固定した光学素子測定用治具１０をＸＹステージ装置８２上の載置台８２ａから取り外し、光学素子測定用治具１０をそのままにして上下反転させて再度載置台８２ａに固定する。

次に、基板２０の周辺部に配置された３つの球状被計測部材６０の表面形状を計測することによって、裏側の面頂点座標を測定する（ステップＳ１８）。具体的には、各球状被計測部材６０の頂点近傍に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて球状被計測部材６０の裏面に対して触針ＰＲを例えば十字に移動させつつ、駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を球面部３０の表面から離れないように移動させる。これにより、各球状被計測部材６０の中心が算出される。
次に、ステップＳ１１で得た表側の面頂点座標系と、ステップＳ１８で得た表側の面頂点座標系とを比較して、表側座標系と裏側座標系との関係を算出する（ステップＳ１９）。球状被計測部材６０の計測結果を利用すると、基板２０の表側座標系と裏側座標系との関係が得られる。
次に、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの中心に対応する裏面外形基準位置を算出する（ステップＳ２０）。ここで、裏面外形基準位置は、ステップＳ１３で得た表面外形基準位置をステップＳ１９で得た表側座標系と裏側座標系との関係を利用して座標変換することによって得られる。

次に、光学素子ＯＥの裏側の光学面ＯＳ２の表面形状を測定する（ステップＳ２１）。具体的には、光学素子ＯＥの光学面ＯＳ２上方に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて光学素子ＯＥに対して触針ＰＲを２次元的に走査移動させつつ、駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を光学面ＯＳ２から離れないように移動させる。これにより、２次元的な裏面形状データが得られえる。

次に、ステップＳ２１で得た表面形状データを設計値でフィッティングする座標変換を行う（ステップＳ２２）。具体的な手法は、表側のステップＳ１５と同様であるので説明を省略する。

次に、ステップＳ１５で得た座標変換データと、ステップＳ２２で得た座標変換データとを、ステップＳ１９で得た関係を利用して比較して、光学素子ＯＥの両光学面ＯＳ１，ＯＳ２の相対的偏芯を算出する（ステップＳ２３）。

次に、光学素子ＯＥの裏面外形偏芯を算出する（ステップＳ２４）。ここで、光学素子ＯＥの裏面外形偏芯は、外縁部ＰＡの中心に相当する外形基準位置が光学素子ＯＥの光学面ＯＳ２に関する表面形状の計測値から得た光軸ＯＡからずれている量とする。

なお、以上説明した測定方法は単なる例示であり、種々の変形が可能である。例えばステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１８，Ｓ２１の計測を最初に行って、残った計算を一括して行うことも可能である。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る光学素子測定用治具について説明する。第２実施形態の光学素子測定用治具は、第１実施形態の治具を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

図６（ａ）は、第２実施形態の光学素子測定用治具の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の光学素子測定用治具のＡＡ矢視断面図である。また、図７は、図６（ａ）に示す治具の中央部の部分拡大平面図である。

本実施形態の光学素子測定用治具２１０も、光学素子ＯＥを保持して面形状測定装置（図４参照）にセットすることにより、光学素子ＯＥの光学面の形状を表側と裏側とから計測することができ、光学素子ＯＥの偏芯を計測することができるようにしている。このため、基板２２０上に、球面部３０と、第１外形基準検知手段２４０と、第２外形基準検知手段２４６と、挟持装置２５０と、球状被計測部材６０とを設けている。なお、この光学素子測定用治具２１０に固定される光学素子ＯＥは、輪郭が矩形になっている。

基板２２０は、四角形の厚板上の外観を有し、中央に開口２２を有しており、開口２２の縁部分で光学素子ＯＥの外縁部ＰＡを支持する。これにより、基板２２０上に支持された光学素子ＯＥを表と裏の両側から計測することができる。

３つの第１外形基準検知手段２４０は、それぞれ球面部３０を光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの側面に当接させるとともに、各球面部３０を介して外縁部ＰＡの側面を適当な力で押圧する役割を有する。ここで、第１外形基準検知手段２４０は、球面部３０を先端に固定したロッド４１を軸方向に滑らかに移動させる摺動機構２４２と、ロッド４１を先端側に付勢する板バネ状の付勢部材２４３とを備える。

第２外形基準検知手段２４６は、３つの球面部３０を基板２２０上に適当な配置で固定する板状の部材であり、複数の輪郭段差部分２４６ａ，２４６ｂの隅に球面部３０を接着剤等によって固定している。この際、第２外形基準検知手段２４６の形状は、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡとの干渉を避け得るものとなっている。

以上説明した第１外形基準検知手段２４０と第２外形基準検知手段２４６とにより、偏芯計測用の計６つの球面部３０を光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの側面に略間隔で配置することができ、外縁部ＰＡの側面に与える力を略均等で所望の大きさにすることができる。

各挟持装置２５０は、２つの板バネ状の挟持部材５１と、両挟持部材５１を支持する支持体２５２とを備える。各挟持部材５１の先端部の裏面には、図７に示すように、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの上面に当接する接触部５１ａが形成されている。各挟持部材５１によって、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡを点接触で均等に支持することができ、光学素子ＯＥを高精度で安定して支持することができる。

なお、光学素子ＯＥの外縁部ＰＡは、矩形の輪郭を有しており、その一辺には、ゲートカット部として突起部ＰＰが形成されている。突起部ＰＰに球面部３０を当接させると、偏芯の計測精度が得られないので、隣接する２つの球面部３０のちょうど中央に突起部ＰＰが配置されるように、基板２２０上における第１外形基準検知手段２４０の配置を調整する。

以上説明した第２実施形態の光学素子測定用治具も、図４（ａ），４（ｂ）に示す面形状測定装置１００にセットすることができ、矩形の輪郭を有する光学素子ＯＥの表面及び裏面の形状を計測することができるとともに、光学素子ＯＥ偏芯を計測することができる。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態では、３つの球面部３０をすべて外形基準検知手段４０によって可動としているが、１又は２つの球面部３０を図６に示す第２外形基準検知手段２４６と同様のもので固定し、残った球面部３０を外形基準検知手段４０によって可動に支持し光学素子ＯＥの外縁部ＰＡに付勢することもできる。
また、上記実施形態では、既知の球面形状を有する複数の球面部３０を光学素子ＯＥの外縁部ＰＡの側面に当接させ、触針を当該球面部に接触させることによって光学素子ＯＥの外形基準を計測しているが、特に接触による測定には限定されず、光学素子ＯＥや球面部３０を撮影し、光学的な解析によって光学素子ＯＥの偏芯を補助的に決定することもできる。

（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態の光学素子測定用治具の平面図及び断面図である。（ａ）、（ｂ）は、図１の光学素子測定用治具の拡大平面図及び拡大断面図である。（ａ）は、回転制限部材の部分拡大図であり、（ｂ）は、回転制限部材の変形例を示す。（ａ）、（ｂ）は、面形状測定装置の構造を説明する正面図及び側面図である。図４に示す面形状測定装置を用いた測定方法を説明するフローチャートである。（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態の光学素子測定用治具の平面図及び断面図である。図６の光学素子測定用治具の拡大平面図である。

符号の説明

１０…光学素子測定用治具、２０…基板、２２…開口、３０…球面部、４０…外形基準検知手段、４１…ロッド、４３…付勢部材、４３ａ…バネ、４３ｃ…アジャスタ部、５０…挟持装置、５１…挟持部材、５１ａ…接触部、６０…球状被計測部材、７０…回転制限部材、８１…定盤、８２…ＸＹステージ装置、８３ａ，８３ｂ，９１ａ…ミラー、８３ｄ，８３ｅ，９１ｂ…レーザ干渉計、８４…Ｚ駆動装置、８６…昇降機構、９９…制御装置、１００…面形状測定装置、ＯＡ…光軸、ＯＥ…光学素子、ＯＳ１，ＯＳ２…両光学面、ＰＡ…外縁部、ＰＲ…触針、

Claims

光学素子測定用治具に支持された光学素子の形状を測定する光学素子形状測定方法であって、
前記光学素子測定用治具は、
測定対象となる光学素子を載置する、第一面及び該第一面の裏面に相当する第二面とを有する基板と、
一部が前記基板に支持され、既知の球面形状を有する球面部を前記光学素子側面部に光軸と垂直な方向から当接可能に備えた複数の外形基準検知手段と、
を備え、
前記複数の外形基準検知手段の内の少なくとも一つは、前記光学素子を押圧するような付勢力を以って当接可能に構成されており、
前記光学素子の側面部に前記複数の外形基準検知手段の球面部が当接した状態を維持したまま、各球面部の位置を計測することにより前記光学素子の外形基準を求めるとともに、前記光学素子の光学面の表面形状を測定することにより、前記光学素子の外形基準に対する前記光学面の偏芯を測定することを特徴とする光学素子形状測定方法。
前記複数の外形基準検知手段の各球面部は、前記光学素子に対し、前記光学素子の外周を等分割する位置でそれぞれ当接するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子形状測定方法。
前記複数の外形基準検知手段の内、前記光学素子を押圧するような付勢力を以って当接する外形基準検知手段は、
前記基板に支持された支持部と前記球面部との間に弾性部材を有するとともに、前記弾性部材と球面部との間であって前記弾性部材による前記光学素子に対する付勢力を調整可能な調整手段
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子形状測定方法。
前記光学素子の光軸と垂直な面に複数箇所で当接し、前記光学素子を前記基板との間に挟持して前記光学素子の光軸方向の位置規制を行う複数の挟持手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
前記複数の外形基準検知手段のうち２つの外形基準検知手段の球面部は、前記基板に載置される光学素子の光軸方向からみた外形形状の一辺に対応する位置の側面部に当接するよう構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
前記複数の外形基準検知手段のうち２つの外形基準検知手段の球面部は、当接する側面部の当接箇所間に、前記光学素子の突起部が配置されるよう構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
前記光学素子を押圧するよう付勢力を以って挟持する前記挟持手段は、前記光学素子を押圧する押圧力をＦ（Ｎ）とするとき、
以下の範囲
０．１＜Ｆ＜１０
を満足することを特徴とする請求項４記載の光学素子形状測定方法。
前記光学素子を押圧するよう付勢力を以って当接する前記外形基準検知は、前記光学素子を押圧する押圧力をＦ'（Ｎ）とするとき、
以下の範囲
０．０１＜Ｆ'＜１
を満足すことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
前記基板は、載置された光学素子を前記第一及び第二面のいずれの方からも測定可能な開口部を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
前記挟持手段は、少なくとも３つ以上備えることを特徴とする請求項４又は７記載の光学素子形状測定方法。
前記挟持手段が前記光学素子と当接する接触部は、球状に構成されていることを特徴とする請求項４，７，又は１０に記載の光学素子形状測定方法。
前記光学素子に対して、前記外形基準検知手段と前記挟持手段とが当接する各位置は、前記光学素子の光軸方向から見て互いに異なる位置に交互に配置されるよう構成したことを特徴とする請求項４，７，１０又は１１に記載の光学素子形状測定方法。
前記基板の第一面側から載置された光学素子の面形状を測定した後、前記基板を反転させ、前記基板の第二面側から前記光学素子の面形状を測定することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光学素子形状測定方法。
請求項１３に記載の光学素子形状測定方法であって、ゲートカット部を有する外形を有する光学素子は、前記光学素子の光軸方向からみて前記挟持手段の当接位置と前記ゲートカット部とがオーバーラップする位置に配置されることを特徴とする光学素子形状測定方法。