JP5188377B2

JP5188377B2 - 球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法

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Publication number: JP5188377B2
Application number: JP2008318066A
Authority: JP
Inventors: 正之奈良
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010139463A

Description

本発明は、球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法に係り、特に、光学的に透明な球体の真球度および曲率半径の測定方法に関する。

従来、可干渉性の光源から出力された光が基準板の参照面で反射された参照光と、その光源からの光が被測定物の測定対象面（被検面）で反射された測定光とを干渉させて生成した干渉縞に基づき、被測定物の表面形状に関する測定を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−８２７８１号公報

しかしながら、上記特許文献１の場合、より正確な測定とするため、好適な干渉縞を生成するように被測定物の位置を調整する作業は煩雑であった。
また、光学的に透明な球体を被測定物とした場合、その透明な球体に光源からの光が照射されると、球体上面側の凸面で反射される反射光と、凸面を透過して球体下面側の凹面で反射される反射光とが生じるので、参照光を合わせると３つの反射光が混在することとなる。

本発明の目的は、光学的に透明な球体の表面形状に関する好適な測定が可能となる、球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、球体の真球度の測定方法であって、
光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面を参照面とし、前記球体の前記光源と反対側の下面を被検面とするように、前記上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過して前記下面で反射された第二反射光とを干渉させ、
前記第一反射光と前記第二反射光とが干渉することで生成した干渉縞を測定することにより得られる前記第一反射光と前記第二反射光との光路差の分布に基づき、前記球体の真球度を算出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、球体の曲率半径の測定方法であって、
光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面を参照面とし、前記球体の前記光源と反対側の下面を被検面とするように、前記上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過して前記下面で反射された第二反射光とが干渉して干渉縞が生成される際に、前記球体が位置する第一配置を測定し、
次いで、前記球体を前記光源から光軸に沿って離間させて前記球体の前記参照面に焦点が合った際に、前記球体が位置する第二配置を測定し、
前記第一配置から前記第二配置までの移動量に基づき、前記球体の曲率半径を算出することを特徴とする。

本発明によれば、球体の真球度の測定方法において、光学的に透明な球体の上面を参照面とし、球体の下面を被検面とすることで、上面（参照面）での第一反射光と、下面（被検面）での第二反射光とが干渉した干渉縞を生成させて、例えば、フィゾー型干渉計を応用した干渉計を用いて、それら反射光による干渉縞を測定することにより球体の上面と下面との間の光路差の分布を算出することができ、その光路差分布に基づいて球体の真球度を算出することができる。特に、干渉計における干渉縞の生成に伴う反射光の到達を指標とすることによって、球体に向けて照射する光の焦点を球体の中心に合わせる作業を比較的容易に行うことができるので、その干渉縞の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体の真球度の測定を行うことができる。
また、球体の曲率半径の測定方法において、光学的に透明な球体の上面を参照面とし、球体の下面を被検面とすることで、例えば、フィゾー型干渉計を応用した干渉計を用いて、光源から照射された光の焦点が球体の中心となって第一反射光と第二反射光とにより干渉縞が生成される球体の第一配置と、光源から照射された光の焦点が球体の上面（参照面）となる球体の第二配置を容易に検出することができ、その第一配置から第二配置までの移動量に基づいて、球体の曲率半径を好適に測定することができる。

以下、本発明の実施形態たる球体の真球度の測定方法および球体の曲率半径の測定方法について図面を参照して説明する。
本発明において、光学的に透明な球体に対する測定を実施するにあたり、フィゾー型の干渉計を応用した干渉計１００を用いる。

干渉計１００は、図１に示すように、光源１と、コリメータレンズ２と、ビームスプリッタ３と、対物レンズ４と、結像レンズ５と、撮像素子６、制御部７等を備えている。

光源１は、例えば、可干渉性に優れたレーザ光を出力するレーザ光源である。

コリメータレンズ２は、ビームスプリッタ３の前面側と光源１との間に配されており、光源１から出力された光を平行光に変換し、ビームスプリッタ３の前面に向けて入射させる。

ビームスプリッタ３は、前面側から入射された光を、後面側に透過させて出射させる。
また、ビームスプリッタ３は、後面側から入射された光の光路を９０°曲げて、光出射側面から出射させる。

対物レンズ４は、ビームスプリッタ３の後面側と被測定物を載置する載置台９との間に配されており、ビームスプリッタ３の後面側から出射された光を被測定物（球体１０）に向けて集光する。
また、対物レンズ４は、被測定物（球体１０）で反射された反射光を、ビームスプリッタ３の後面に向けて入射させる。

結像レンズ５は、ビームスプリッタ３の光出射側面と撮像素子６との間に配されており、ビームスプリッタ３の光出射側面から出射された光を撮像素子６へ導く。
なお、結像レンズ５と撮像素子６の間に、絞り板８が配されている。

撮像素子６は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）であり、参照面で反射された第一反射光と、被検面で反射された第二反射光とを干渉させて生成した干渉縞の撮像を行う。
また、撮像素子６は、撮像した干渉縞に関するデータ（例えば、干渉縞の画像データ）を、制御部７に出力する。

制御部７は、入力された干渉縞に関するデータに基づき、所定の測定処理を実行する。
例えば、制御部７は、干渉縞に関するデータに基づいて、第一反射光と第二反射光との光路差の分布を算出する。また、制御部７は、算出した光路差の分布に基づき、例えば、球体の真球度を算出する。
また、制御部７は、反射光の測定を行った被測定物としての球体の配置に基づき、球体の曲率半径を算出する。

次に、本発明に係る球体の真球度の測定方法について説明する。

図１に示すように、干渉計１００における所定の載置位置（載置台９）に、被測定物である光学的に透明な球体１０を載置する。なお、載置台９に載置された球体１０は、図示しない駆動部によって、光軸に沿った方向や、光軸と交差する方向に移動可能に備えられている。

次いで、光源１から球体１０に向けて光を照射し、球体１０の中心Ｏに焦点を合わせるように、その球体１０の位置（球体１０が載置された載置台９の位置）を調整する。
ここで、光源１から照射された光の焦点が球体１０の中心Ｏに合った場合、球体１０の光源１側の上面を参照面１１とし、球体１０の光源１と反対側の下面を被検面１２とすると、図２に示すように、入射光が参照面１１で反射された第一反射光Ｒ１と、入射光が参照面１１を透過し被検面１２で反射された第二反射光Ｒ２とが生じる。
そして、第一反射光Ｒ１と第二反射光Ｒ２は、それぞれ入射光の経路をたどるように戻り、対物レンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ５を通じて、撮像素子６へと導かれる。ただし、第二反射光Ｒ２は第一反射光Ｒ１より、球体１０の中心Ｏを通過する一往復分（参照面１１と被検面１２の間の一往復分）、長い光路を有している。

こうして、球体１０における参照面１１と被検面１２の間の一往復分の光路長が異なる第一反射光Ｒ１と第二反射光Ｒ２が同じ経路を通って撮像素子６に導かれるため、第一反射光Ｒ１と第二反射光Ｒ２とがその光路長が異なることに伴い干渉することとなり、撮像素子６において干渉縞が検出されて測定される。

なお、図３に示すように、光源１から照射された光の焦点が球体１０の中心Ｏに合わない場合、反射光が入射光の経路をたどって戻ることができないので、反射光が撮像素子６へ導かれない。
つまり、球体１０の中心Ｏに焦点を合わせることで、撮像素子６に反射光が到達することとなるので、撮像素子６への反射光の到達を指標とすることによって、球体１０の中心Ｏに焦点を合わせる作業（球体１０の位置調節作業）を比較的容易に行うことが可能になっている。

次いで、撮像素子６で測定された干渉縞に基づき、制御部７が、測定された範囲中の各点での、参照面１１と被検面１２との間の光路差の分布を算出する（後述する式（１）参照）。
例えば、制御部７は、干渉縞の画像データに対してフーリエ変換法による処理を施すことで、光の位相（例えば、被検面１２の位相）を求めて、各点での光路差の分布を算出する。つまり、撮像素子６で測定された干渉縞は、球体１０の光学的な直径（球体１０の中心Ｏを通る参照面１１と被検面１２の距離）のばらつきを含んでいるので、この干渉縞から、測定された範囲中の各点における参照面１１と被検面１２との間の光路差の分布を算出することができる。
また、制御部７は、算出した光路差の分布に基づき、球体１０の真球度を算出する（後述する式（２）参照）。

例えば、球体１０の直径をＤ（θ，φ）とし（θ：球の緯度にあたる角度、φ：球の経度にあたる角度）、球体１０内部の屈折率をｎとした場合、干渉縞に基づいて制御部７で計算された光路差の分布ｍ（θ，φ）は、以下の式（１）で表すことができる。

また、制御部７は、算出した光路差の分布ｍ（θ，φ）における、ｍ（θ，φ）の最大値と最小値の差をとり、光学的な真球度Ｓ_０を以下の式（２）により算出する。
Ｓ_０＝ｍａｘ（ｍ（θ，φ））−ｍｉｎ（ｍ（θ，φ）） … 式（２）

また、球体材料の屈折率ｎが既知である場合、光路差の分布ｍ（θ，φ）を屈折率ｎで割ることにより、直径値のばらつきを算出することができる（式（３））。
Ｄ_Ａ（θ，φ）＝ｍ（θ，φ）／ｎ … 式（３）
また、球体１０の（実長さでの）真球度Ｓは、以下の式（４）により算出できる。
Ｓ＝ｍａｘ（Ｄ_Ａ（θ，φ））−ｍｉｎ（Ｄ_Ａ（θ，φ）） …式（４）

なお、ここで測定された干渉縞は、１回の測定で光が当たった範囲のものであるので、球体１０の全面に亘る測定を行う場合には、球体１０を回転させての複数の測定を行う必要がある。その際、図４に示すように、各測定での測定範囲の一部分が重なるスティッチングを行うようにすることで、球体１０全体の真球度を求めることができる。

このように、本発明に係る球体の真球度の測定方法によれば、光学的に透明な球体１０の上面を参照面１１とし、球体１０の下面を被検面１２とすることで、フィゾー型干渉計を応用した干渉計１００を用いて、参照面１１と被検面１２との間の光路差の分布を算出することができ、その光路差分布に基づいて球体１０の真球度を算出することができる。
特に、干渉計１００における撮像素子６への反射光の到達を指標とすることによって、球体１０に向けて照射する光の焦点を球体１０の中心Ｏに合わせる作業を比較的容易に行うことができるので、撮像素子６による干渉縞の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体１０の真球度の測定を行うことができる。

次に、本発明に係る球体の曲率半径の測定方法について説明する。

図５に示すように、干渉計１００における載置台９に、光学的に透明な球体１０を載置する。
次いで、その球体１０に向けて光源１から光を照射し、載置台９の位置を調整することで、球体１０の中心Ｏに焦点を合わせる（図中、左側の状態）。この球体１０の中心Ｏに光の焦点があった状態で、第一反射光Ｒ１と第二反射光Ｒ２とにより干渉縞が生成されるので、撮像素子６において干渉縞が検出される。なお、前述したように、球体１０に向けて照射する光の焦点を球体１０の中心Ｏに合わせる作業は、撮像素子６への反射光の到達（具体的には、反射光の到達光量）を指標とすることによって容易に行うことができる。
そして、この球体１０の中心Ｏに焦点が合って、干渉縞が生成した際の球体１０の位置（例えば、球体１０が載置された載置台９の位置であって、光軸方向に沿う位置）を測定し、その位置を第一配置とする。

次いで、球体１０を、光源１から光軸（例えば、対物レンズ４における光軸）に沿った方向に離間させるように、載置台９を移動させる。なお、球体１０が光源１から離間するように移動すると、光源１から照射された光の焦点が球体１０の中心Ｏからずれるので、反射光が撮像素子６にほとんど導かれなくなる。
そして、球体１０の上面である参照面１１に光の焦点が合うまで移動させる（図中、右側の状態）。なお、この球体１０表面の参照面１１に光の焦点が合うと、その反射光が撮像素子６に届くようになり、その反射光を検出可能になる。つまり、撮像素子６への反射光の到達を指標とすることによって、球体１０の参照面１１に焦点を合わせる作業を比較的容易に行うことができる。
この球体１０の参照面１１に焦点が合って、撮像素子６が反射光を検出した際の球体１０の位置（例えば、球体１０が載置された載置台９の位置）を測定し、その位置を第二配置とする。

次いで、球体１０（載置台９）の第一配置から第二配置までの移動量を求め、その移動量に基づき、制御部７が球体１０の曲率半径Ｃｒを算出する。
なお、本実施形態の場合、光源１から照射された光の焦点が、球体１０の中心Ｏから球体１０の表面（参照面１１）まで移動するように、球体１０（載置台９）が移動されているので、その移動量は球体１０の半径に相当しており、この第一配置から第二配置までの移動量Ｃｒが、曲率半径「Ｃｒ」として測定される。

このように、本発明に係る球体の曲率半径の測定方法によれば、光学的に透明な球体１０の上面を参照面１１とし、球体１０の下面を被検面１２とすることで、フィゾー型干渉計を応用した干渉計１００を用いて、光源１から照射された光の焦点が球体１０の中心Ｏとなる球体１０の第一配置と、光源１から照射された光の焦点が球体１０の表面（参照面１１）となる球体１０の第二配置を容易に検出することができ、その第一配置から第二配置までの移動量に基づいて、球体１０の曲率半径を測定することができる。
特に、干渉計１００における撮像素子６への反射光の到達を指標とすることによって、第一配置と第二配置とを容易に検出することができるので、球体１０の半径に相当する第一配置から第二配置までの移動量の測定を容易に行うことが可能となり、好適に球体１０の曲率半径の測定を行うことができる。

なお、以上の実施の形態において、曲率半径のみを測定する場合、撮像素子６で反射光の光量ピークの検出を行えれば曲率半径の測定が可能となるので、撮像素子６にＣＣＤを用いる必要はなく、例えば、より安価な半導体光電変換素子等を用いてもよい。なお、この構成の場合、球体の上面での反射がなされればよいので、球体が透明である必要もない。

また、以上の実施の形態における球体の曲率半径の測定方法において、球体１０（載置台９）の移動量に基づき、球体の曲率半径を測定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、対物レンズ４を移動させることで焦点を移動させるようにして、その対物レンズ４の移動量に基づいて球体の曲率半径を測定してもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本実施形態における干渉計と、その干渉計を用いた球体の真球度の測定方法を示す説明図である。図１における球体部分の拡大図である。対物レンズが集光した光の焦点が球体の中心に合わない状態を示す説明図である。球体の真球度の測定方法におけるスティッチングに関する説明図である。本実施形態における干渉計を用いた球体の曲率半径の測定方法を示す説明図である。

符号の説明

１光源
２コリメータレンズ
３ビームスプリッタ
４対物レンズ
５結像レンズ
６撮像素子
７制御部
８絞り板
９載置台
１０球体
１１参照面（上面）
１２被検面（下面）
１００干渉計
Ｏ中心（球体の中心）
Ｒ１第一反射光
Ｒ２第二反射光
Ｃｒ曲率半径（移動量）

Claims

光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過し前記球体の前記光源と反対側の下面で反射された第二反射光とを干渉させ、
前記第一反射光と前記第二反射光とが干渉することで生成した干渉縞を測定することにより得られる前記第一反射光と前記第二反射光との光路差に基づき、前記球体の真球度を算出することを特徴とする球体の真球度の測定方法。
光学的に透明な球体の中心に焦点を合わせるように、その球体に向けて所定の光源から光を照射し、
前記球体の前記光源側の上面で反射された第一反射光と、前記上面を透過し前記球体の前記光源と反対側の下面で反射された第二反射光とが干渉して干渉縞が生成される際に、前記球体が位置する第一配置を測定し、
次いで、前記球体を前記光源から光軸に沿って離間させて前記球体の前記上面に焦点が合った際に、前記球体が位置する第二配置を測定し、
前記第一配置から前記第二配置までの移動量に基づき、前記球体の曲率半径を算出することを特徴とする球体の曲率半径の測定方法。