JP6406260B2 - 形状測定装置の校正方法および形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光学素子の形状等を測定できる形状測定装置の校正方法および形状測定装置に関する。

一般的に光ピックアップ装置や撮像装置等に用いられる光学素子は、プラスチックやガラスを成形することによって形成されるが、高精度であることが要求されるため、成形された光学素子の形状測定を行うことがしばしば行われる。

特許文献１には、ＸＹＺ軸方向に可動できる測定センサを上下に配置した３次元測定機において、任意に配置された３つの球を上下２つのセンサで測定し，この２つのセンサの位置関係を求めることが開示されている。しかるに、特許文献１に開示された３次元測定機は，構成が大がかりなものであり、より簡素な形状測定装置が望まれている。又、特許文献１で使用される３つの球は、外径を等しくすることが要求されているためコストがかかる。更に配置された３つの球を測定するためにＸＹＺの３軸が必要であり、比較的安価な１軸の厚さ測定機などを使用することができないという問題もある。

特開平１１−１６００３８号公報 特開平１１−２８１３０６号公報

一方、特許文献２には、曲率半径が異なる２つの基準球面の形状測定を行い,一方の基準球面の形状データを用いて行う直角度補正値の推定と,他方の基準球面の形状データを用いて行う接触子補正値の推定を繰り返す技術が開示されている。しかるに、特許文献２の形状測定によれば、形状データ取得のため測定に時間が掛かることや,複数軸の直交度の分離が複雑になるなどの問題がある。

本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、より簡素な形状測定装置を、簡便な方法で校正することができる形状測定装置の校正方法及びそれにより校正された形状測定装置を提供することである。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した形状測定装置の校正方法は、１軸方向に移動するステージに載置した被測定物の形状を測定するために、前記ステージの移動方向に沿って対向して配置された２つの干渉計を有する形状測定装置の校正方法であって、
前記ステージに載置された平行平板を前記２つの干渉計の間に配置して前記２つの干渉計の検出軸線の相対傾角を検出する工程と、
異なる径の複数の基準球を用いて、前記干渉計の検出軸線のずれ量と、前記干渉計の検出軸線に対する前記ステージ移動軸のチルト角とを含む情報を取得し、前記情報から、前記ずれ量と前記チルト角とを算出する工程と、を有することを特徴とする。

この形状測定装置の校正方法によれば、複数の基準球の測定を行って、その頂点位置をそれぞれ検出することにより、前記干渉計の検出軸線のずれ量と、前記干渉計の検出軸線に対する前記ステージ移動軸のチルト角とを含む情報を取得し、前記情報から、前記干渉計の検出軸線のずれ量と、前記干渉計の検出軸線に対する前記ステージ移動軸のチルト角を容易に分離できる。ここで、チルトについては、その前工程で、前記2つの干渉計の検出軸線の相対傾角を検出する（例えば前記干渉計の検出軸線を平行にすれば、相対傾角は０として検出される）ことにより、検出軸線同士のチルトの影響を除去することで、前記干渉計の検出軸線に対する前記ステージ移動軸のチルトのみが残るようにできるため、前記情報にノイズが含まれず,前記ステージ移動軸のチルト角を高精度に求めることができるから、形状測定装置の校正や補正の際の補正値として利用することができる。

本形状測定装置は、１軸方向に移動するステージに載置した被測定物の形状を測定するために、前記ステージの移動方向に沿って対向して配置された２つの干渉計を有し、上述の校正方法により校正されてなることを特徴とする。

本発明によれば、より簡素な形状測定装置を、簡便な方法で校正することができる形状測定装置の校正方法及びそれにより校正された形状測定装置を提供することができる。

本実施形態の形状測定装置に用いる干渉計１０の一例を示す模式図である。 干渉計の検出軸線を平行にする工程を示す図である。 基準球を測定する状態を示す図である。 基準球の干渉縞の例を示す図である。 （ａ）は、ＸＺ座標系における直線Ｘ＝ａＺ＋ｂを示す図であり、（ｂ）は、ＹＺ座標系における直線Ｙ＝ｃＺ＋ｄを示す図である。 校正された形状測定装置で光学素子の形状を測定する状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。

図１は、本実施形態の形状測定装置に用いる干渉計１０の一例を示す模式図である。干渉計１０は、マイケルソン型干渉計であるが、このタイプに限られることはない。光源１１から出射された光束は、フィルター１２を通過し、ビームスプリッタ１３で反射されて、被測定物（ここでは球）ＯＢＪ側に向かい、対物レンズ１４を通過し，ビームスプリッタ１５に入射して分岐される。ビームスプリッタ１５を通過した一部の光束は、被測定物ＯＢＪに入射し、残りの光束はビームスプリッタ１５で反射して，光路長が既知であるミラー１６に入射する。

被測定物ＯＢＪからの反射光束と、ミラー１６からの反射光束は、再びビームスプリッタ１５で結合され、対物レンズ１４、ビームスプリッタ１３を通過し、ＣＣＤカメラ１７で干渉画像が検出される。尚、対物レンズ１４，ビームスプリッタ１５，ミラー１６は、アクチュエータ１８により一体的に移動可能となっている。対物レンズ１４及びビームスプリッタ１５の光軸が、検出軸線となる。

次に、形状測定装置の校正方法を、図２、３を参照して説明する。図２、３において、２０は、不図示の駆動手段によりＺ軸方向（ここでは上下方向に対して傾いているものとする）に移動可能なステージである。

まず、干渉計１０の検出軸線を平行にする工程について説明する。図２に示すように、干渉計１０を互いに対向するように、上下に配置する。上方の干渉計の検出軸線をＡＸ１とし、下方の干渉計の検出軸線をＡＸ２とする。次に、ステージ２０に取り付けた平行平板２１を、２つの干渉計１０の間に配置する。上方干渉計１０のＣＣＤカメラ１７により撮像された画像が干渉縞を持つ場合、実線で示すように、その検出軸線ＡＸ１は平行平板２１の表裏面に対して傾いていることがわかる。そこで、干渉縞が検出されなくなるまで、点線で示すように干渉計１０をチルトさせれば、検出軸線ＡＸ１は平行平板２１の表裏面に対して垂直となる。そのほか得られた干渉縞から算出されるチルト量を補正値として使用しても良い。下方の干渉計１０についても同様である。以上により、平行平板２１の表裏面が平行であれば検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２は互いに平行になる、または干渉縞からの算出により検出軸線ＡＸ１とＡＸ２とのチルト量（相対傾角という）は判明する。相対傾角が分かれば、検出軸線ＡＸ１とＡＸ２が必ずしも平行でなくても算出時に補正できる。但し、検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２のずれ量と、検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２に対するステージ２０移動軸（チルト角）は不明のままである。

次に、異なる径の複数の基準球を用いて、干渉計１０の検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２のずれ量と、干渉計１０の検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２に対するステージ２０移動軸のチルト角とを含む情報を取得し、この情報から、ずれ量とチルト角とを算出する工程について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、直径Ｒ１を持つ基準球３１をステージ２０に載置して、基準球３１の最も低い位置（頂点）が、下方の干渉計１０の軸線ＡＸ２上に位置（Ｐとする）するようにセットする。かかる状態は、図４に示すような輪帯状の干渉縞の中心が、下方の干渉計１０のＣＣＤカメラ１７の中心に来ることで検出できる。

その後、ステージ２０をＺ軸方向に移動させて、基準球３１を上方の干渉計１０のピントが合う範囲に移動させるが、Ｚ軸方向は上下方向に対して傾いているので、基準球３１は、上方（検出軸線ＡＸ１の方向）に移動するとともに検出軸線ＡＸ１に交差する方向へも移動する。このとき、図４に示すような輪帯状の干渉縞の中心と、下方の干渉計１０のＣＣＤカメラ１７の中心Ｐとのｘ方向のずれ量ｘ１と、ｙ方向のずれ量ｙ１と、ステージ２０のＺ軸方向の移動量ｚ１とが検出される。

次いで、図３（ｂ）に示すように、直径Ｒ１より小さい直径Ｒ２を持つ基準球３２をステージ２０に載置して、基準球３２の最も低い位置が、下方の干渉計１０の軸線ＡＸ２上に位置するようにする。

その後、ステージ２０をＺ軸方向に移動させて、基準球３２を上方の干渉計１０のピントが合う範囲に移動させる。このとき、図４に示すような輪帯状の干渉縞の中心と、下方の干渉計１０のＣＣＤカメラ１７の中心Ｐとのｘ方向のずれ量ｘ２と、ｙ方向のずれ量ｙ２と、ステージ２０のＺ軸方向の移動量ｚ２とが検出される。

次いで、図３（ｃ）に示すように、直径Ｒ２より小さい直径Ｒ３を持つ基準球３３をステージ２０に載置して、基準球３３の最も低い位置が、下方の干渉計１０の軸線ＡＸ２上に位置するようにする。

その後、ステージ２０をＺ軸方向に移動させて、基準球３３を上方の干渉計１０のピントが合う範囲に移動させる。このとき、図４に示すような輪帯状の干渉縞の中心と、下方の干渉計１０のＣＣＤカメラ１７の中心Ｐとのｘ方向のずれ量ｘ３と、ｙ方向のずれ量ｙ３と、Ｚ軸方向の移動量ｚ３とが検出される。このようにして求めた３次元座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）が、干渉計１０の検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２のずれ量と、干渉計１０の検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２に対するステージ２０の移動軸のチルト角とを含む情報となる。これから、ずれ量とチルト角とを求める。

以上の３次元座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を、２次元の座標系にプロットし、各点を通過する直線を引く。まずｘｚ座標系においては、図５（ａ）に示す直線Ｘ＝ａＺ＋ｂが得られる。ここで、Z＝０である時、X＝ｂとなるが、ｘｚ面に投影された状態で、このｂが軸線ＡＸ１，ＡＸ２のずれ量であり、直線の傾きａはステージ２０のチルト角をθxとするとa=sinθxの関係が成り立つ。更に、ｙｚ座標系においては、図５（ｂ）に示す直線Ｙ＝ｃＺ＋ｄが得られる。ここで、Z＝０である時、Y＝ｄとなるが、ｙｚ面に投影された状態で、このｄがｙ方向の軸線ＡＸ１，ＡＸ２のずれ量であり、直線の傾きｃはステージ２０のチルト角をθyとするとｃ=sinθyの関係が成り立つ。よって、ａ、ｂ、ｃ、ｄの値が０になるように、干渉計１０を相互に調整し、又干渉計１０の検出軸に対してステージ２０の移動軸を調整する、または求められたずれ量やチルト角を使用して軸線ＡＸ１，ＡＸ２、ステージ２０の移動軸の軸間関係を補正することで、形状測定装置の校正（ステージ２０と２つの干渉計１０とを位置決めする工程）が完了する。

図６は、このようにして干渉計１０のずれ量とチルト校正を行った形状測定装置で、ステージ２０上に載置された光学素子であるレンズＬの形状測定を行う状態を示す図である。検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２が一致し、且つステージ２０の移動方向（Ｚ軸方向）が検出軸線ＡＸ１，ＡＸ２と一致しているので、高精度な測定を行える。尚、干渉計を用いた形状測定については知られているので、詳細な説明は省略する。更に、検出軸が校正された形状測定装置において上下検出軸により基準球の面頂を測定する事で、１軸方向のステージ移動量と基準球の直径から上下干渉計の検出点間隔を知る事ができる。光学素子の測定時に上記検出点間隔とステージ移動量から光学素子の厚みを算出する事ができる。

以下、好ましい実施態様についてまとめて説明する。

上記校正方法において、算出された前記ずれ量と前記チルト角と前記２つの干渉計の検出軸線の相対傾角に基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計とを位置決めする工程を有することが好ましい。これにより、前記ずれ量と前記チルト角とを算出することができるから、これら及び相対傾角に基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計とを精度良く位置決めすることができる。

また、算出された前記ずれ量と前記チルト角と前記2つの干渉計の検出軸線の相対傾角に基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計との位置関係を補正する工程を有することが好ましい。これにより、前記ずれ量と前記チルト角とを算出することができるから、これら及び相対傾角に基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計との位置関係を精度良く補正することができる。

また、前記複数の基準球は、互いに異なる径の３つの球であることが好ましい。これにより、前記複数の基準球を２つ用いる場合に比べて、校正の精度をより高めることができる。尚、４つ以上の基準球を用いることは任意である。

また、前記ステージに載置された平行平板を前記２つの干渉計の間に配置して前記相対傾角の検出を行い、その検出結果に基づいて前記干渉計の検出軸線を位置決めすることが好ましい。かかる工程において、前記干渉計により観察される干渉縞を用いて、前記検出軸線の相対傾角を検出でき、それにより例えば前記干渉計の検出軸線を平行に出来る。

本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、基準球は最低２つであっても良く、４つ以上用いても良い。

１０ 干渉計
１１ 光源
１２ フィルター
１３ ビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
１５ ビームスプリッタ
１６ ミラー
１７ カメラ
１８ アクチュエータ
２０ ステージ
２１ 平行平板
３１ 基準球
３２ 基準球
３３ 基準球
ＡＸ１，ＡＸ２ 検出軸線

Claims (5)

1. １軸方向に移動するステージに載置した被測定物の形状を測定するために、前記ステージの移動方向に沿って対向して配置された２つの干渉計を有する形状測定装置の校正方法であって、
   前記ステージに載置された平行平板を前記２つの干渉計の間に配置して前記２つの干渉計の検出軸線の相対傾角を検出する工程と、
   異なる径の複数の基準球を用いて、前記干渉計の検出軸線のずれ量と、前記干渉計の検出軸線に対する前記ステージ移動軸のチルト角とを含む情報を取得し、前記情報から、前記ずれ量と前記チルト角とを算出する工程と、を有することを特徴とする形状測定装置の校正方法。
2. 算出された前記ずれ量と前記チルト角と検出された前記２つの干渉計の検出軸線の相対傾角とに基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計とを位置決めする工程を有することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置の校正方法。
3. 算出された前記ずれ量と前記チルト角と検出された前記２つの干渉計の検出軸線の相対傾角とに基づいて、前記ステージと前記２つの干渉計との位置関係を補正する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置の校正方法。
4. 前記複数の基準球は、互いに異なる径の３つの球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形状測定装置の校正方法。
5. １軸方向に移動するステージに載置した被測定物の形状を測定するために、前記ステージの移動方向に沿って対向して配置された２つの干渉計を有し、請求項１〜４のいずれかの校正方法により校正されてなることを特徴とする形状測定装置。

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