JPH02254305A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレンズやミラーなどの被測定物の表面形状の直
交座標測定と極座標測定とを行う光学測定装置に関し、
詳しくはその被測定物の保持装置に関するものである。

従来の技術 光ディスク、高精細ビデオカメラなどに使用される非球
面レンズは、０．１μｍ以下の形状精度が要求される。

このようなレンズを正しく下降するためには、０．０５
μｍ以下の精度で形状を測定評価しなければならない。

本出願人は上記に鑑み、特願昭５９−２２８１１４号、
特願昭６０−１４８７１５号などにおいて、直接レーザ
光を被測定面上に集光し、その反射光を干渉させて被測
定面のＸ−Ｙ−Ｚ座標位置を光ヘテロダイン法に基いて
測定することにより、±０．１〜０．０１μｍの超高精
度測定を実現側る光学、測定装置を提案している。

本装置では被測定面形状の極座標測定を行うため、第１
５図に示すように、被測定物１００を対物レンズ１０１
下方に測定位置に保持する保持部１０２と、この保持部
１０２を被測定面１０３の近似曲率中心をＹ方向に通る
軸Ｐのまわりに回転させる回転部１０４とを備えている
。

発明が解決しようとする課題 ところで被測定面には、第１６図に示すように近似曲率
中心０が下方に位置する凸面（曲率半径Ｒ）や、上方に
位置する凹面Ｃ曲率半径Ｒ’　）がある、一方、対物レ
ンズ１０１と被測定面１０３との間の距離は一定に保持
しなければならない。

しかし従来の光学測定装置では保持部１０２の回転軸Ｐ
が一定高さに位置しているため、対物レンズ１０１の高
さ調整範囲が、同図に示す例ではＲ十Ｒ’必要になり、
現実には極座標測定可能な被測定物の範囲が狭められる
結果となっている。

又被測定物が大きいなどＸ−Ｙ方向において広い範囲を
直交座標測定する場合、回転部が障害となって保持部を
測定位置から退避させることができないため、直交座標
測定可能な被測定物の範囲も狭いという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑み、極座標測定及び直交座標測
定の可能な被測定物の範囲を拡大することが出来る光学
測定装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するため、被測定物を測定位置
に保持可能な保持部と、この保持部を被測定面の近似曲
率中心を通る軸のまわりに回転させる回転部とを備え、
被測定面形状の直交座標測定と極座標測定とを行う光学
測定装置において、前記回転部を昇降可能に支持する支
持手段を設けると共に、この回転部、を昇降させる昇降
手段を設け、且つこれら回転部、支持手段、昇降手段を
前記保持部が測定位置と退避位置との間で移動可能なよ
うに構成したことを特徴とする。

作　　　用 上記構成によれば、回転部を昇降させることによって保
持部を上下移動させることができるので、例えば被測定
面が凸面の場合は保持部を上動させ、凹面の場合は下動
させることにより、対物レンズの測定高さ位置を大きく
変えることなく被測定面の近似曲率中心を回転部の回転
軸に一致させることができる。

又回転部を下降させることにより、保持部を測定位置か
ら退避位置に移動させることができるので、測定空間を
拡大することができる。

この結果、極座標測定及び直交座標測定の可能な被測定
物の範囲を、従来の光学測定装置に比較して大幅に拡大
することができる。

実施例 本発明の一実施例における光学測定装置を、第１図〜第
１４図を参照しながら説明する。

本装置は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標位置を光ヘテロゲイン法に基
いて測定するものであり、半導体レーザ光（λ−７８０
ｎｍ）Ｇを被測定物１の被測定面２に集光し、その反射
光に基いてフォーカスサーボをかけると共に、測定用Ｈ
ｅ−Ｎｅゼーマンレーザ光（λ−６３３ｎｍ）Ｆを被測
定面２に垂直に集光し、その反射光に基いて傾き補正サ
ーボをかけながら被測定面２の形状測定を行うものであ
る。

第１図に示す同装置の全体構成において、３は本体ベー
スとしての下部石定盤、４はこの下部石定盤３との間に
Ｘテーブル５及びＹテーブル６を介してＸ−Ｙ方向に移
動可能な上部石定盤、７は上部石定盤４の前面に設けら
れＺ方向に移動可能に支持されたＺ移動部、８は被測定
物１を保持するＬ字状の保持台、９はこの保持台８をＹ
方向の軸Ｐ（第２図参照）まわりに回転させるエアース
ピンドル、１０はこのエアースピンドル９を昇降可能に
支持し且つ２方向の軸Ｑまわりに旋回可能な旋回台であ
る。

Ｚ移動部７は、第４図に示すように、リニアモータ１０
を介してバネ１１により上部石定盤４に吊持されている
。Ｚ移動部７の内部には、第６図に示すように、半導体
レーザ光Ｇを放射する半導体レーザ１２が設置されてい
る。半導体レーザ１２から放射された半導体レーザ光Ｇ
は、レンズ１３、偏光プリズム１４、λ／４波長板１５
を通過してグイクロイックミラー１６で下向きに全反射
され、対物レンズ１７の開ロー杯に入射して被測定物１
の被測定面２に集光する。半導体レーザ光Ｇの集光位置
は、ゼーマンレーザ光Ｆの２座標測定に用いられる測定
光Ｆｚ、の照射位置と略一致する。被測定面２が傾いて
いれば、半導体レーザ光Ｇの反射光の一部は前記対物レ
ンズ１７の開口外に向けて反射させられるが、残部は対
物レンズ１７の開口内に向けて反射させられる。対物レ
ンズ１７に戻った反射光はグイクロイックミラー１６及
び偏光プリズム１４で全反射され、レンズ１８で集光さ
れてハーフミラ−１９で二分割される。

分割された各反射光は、焦点前及び焦点後に設置された
夫々のピンホール２０を通過し、夫々の光検出器２１に
照射される。対物レンズ１７の集光位置が被測定面２に
あれば、第６図に示すように、各光検出３２１で検出さ
れる光量は最大となる、被測定面２と対物レンズ１７と
の間の距離（Ｚ方向）が変化すると、第７図に示すよう
に、各光検出器２１上の照射位置がズして光量が低下す
るこれら光検出器２１の出力の差から、第４図に示すフ
ォーカス誤差信号発生部２２でフォーカス誤差信号が発
生する。第４図においてスイッチＳＷ１が仮想線で示す
位置にあるとき、駆動回路２３はこのフォーカス誤差信
号がゼロとなるようにリニアモータｌＯを制御し、Ｚ移
動部７をＺ方向に移動させる。このようにして、半導体
レーザ光Ｇと次に述べるゼーマンレーザ光Ｆの測定光Ｆ
ｚ。

の集光位置が常に被測定面２にあるようにフォーカスサ
ーボがかけられる。

２つの周波数ｆ１、ｆ、で発振するＨｅ−Ｎｅゼーマン
周波数安定化レーザ２４から放射されたレーザ光Ｆの一
部は、第１のハーフミラ−２５を透過した後、第２のハ
ーフミラ−２６で分離されて測定位置のＸ−Ｙ座標測定
に用いられる。一方、第１のハーフミラ−２５で反射さ
れたレーザ光Ｆｚは、測定位置のＺ座標測定に用いられ
る。このレーザ光Ｆｚは偏光プリズム２７で、測定光Ｆ
ｚ＋と参照光Ｆｚ、とに分離される。測定光Ｆｚ、の周
波数ｆ、と参照光Ｆｚ、の周波数ｆｔとの差は数百）［
Ｈｚで、互いに垂直な直線偏光となっている。尚、Ｘ−
Ｙ座標測定に使用されるレーザ光Ｆｘ、Ｆｙも、各光路
途中で夫々のコーナキューブ４４によって測定光Ｆ　ｘ
ｌｓ　Ｆ３’ｌと参照光Ｆｘｚ、ＦＶｚとに分離される
。

Ｚ座標測定に用いられる測定光Ｆｚ＋は、第８図に示す
ように、Ｐ偏波を全透過しＳ偏波を部分透過する特殊偏
光プリズム２８と、ファラデー素子２９と、λ／２板３
０とを通過し、Ｓ偏波となって偏光プリズム３１で全反
射される。そしてλ／４板３２、集光レンズ３３を通過
し、ミラー３４上に集光して反射された測定光Ｆｚ、は
前記λ／４板３２によってＰ偏波となり、前記偏光プリ
ズム３１を全透過して対物レンズ１７に入射し、被測定
面２に垂直に集光される。被測定面２からの反射光は上
記入射光と同一光路を戻るが、Ｓ偏波となって特殊偏光
プリズム２８で一部反射された後、偏光プリズム２７で
全反射され、Ｚ軸先検出器３５に達する。被測定面２の
形状測定時は、被測定面２上の測定点のＺ座標の変動速
度に応じて前記反射光の周波数がドプラーシフトし、ｆ
Ｉ＋Δとなる。尚、反射光の光路が被測定面２の傾きに
応じてズレようとする際は、特殊偏光プリズム２日で一
部反射された反射光を４分割光検出器３６が検知し、集
光レンズ移動手段３７により集光レンズ３３をｘ−ｙ方
向に移動させて入射光の対物レンズ１７への入射位置を
変化させることにより、常に反射光が同一光路を戻るよ
うに傾き補正サーボがかけられる。

一方、参照光Ｆｚ、は前記偏光プリズム２７で全反射さ
れた後、レンズ３８によってＺ軸ミラー３９上に集光さ
れ、反射されて前記Ｚ軸先検出器３５に達する０反射光
の周波数は、Ｘ、Ｙテーブル５．６の移動真直度などの
誤差により、ｆ２＋δとなる。従ってＺ軸先検出器３５
では、ＣｆＩ＋Δ）−（ｆ！＋δ）がビート信号として
検出され、Ｚ座標検出装置３７において被測定面２の測
定位置のＺ座標が正確に得られる。

尚、被測定面２の測定位置のＸ、Ｙ座標は、Ｚ移動部７
に設置したＸ、Ｙ軸ミラー３８．３９に集光されたＦｘ
ｔ、Ｆｙｌの反射光と、下部石定盤１側に設置したＸ、
Ｙ軸ミラー４０．４１に集光された参照光Ｆｘ、、Ｆｙ
、の反射光との周波数の差によって、Ｘ、Ｙ軸先検出器
４２．４３で検出される。

被測定物１を保持する保持台８は、第９図に示すように
、Ｚ軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６、基板４７
から基本構成されたスライドガイド装置を介してＺ−ｘ
方向移動可能にエアースピンドル９に取付けられている
。これらＺ軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６、基
Ｆｉ４７は磁性体からなっている。Ｚ軸スライド仮４５
は背面側に形成されたＸ方向の凹溝部４８が、Ｘ軸スラ
イド板４６の前面側に形成されたＸ方向の凸部４９に面
接触状態で嵌合している。Ｘ軸スライド板４６の背面側
に形成されたＸ方向の凹溝部５０は、基板４７の前面側
に形成されたＸ方向の凸部５１に面接触状態で嵌合して
いる。これら凹溝部４８５０及び凸部４９．５１の表面
は平滑に研磨されている。

Ｘ軸スライド板４６の上面に固定された保持部材５２は
、Ｚ輸送リネジ５３を回転可能に保持している。Ｘ軸送
りネジ５３のネジ部は、Ｚ軸スライド板４５の上部に螺
設された雌ネジ部５４に螺合している。Ｘ軸スライド板
４６の両側面に取付けられた枠部材５５の一方は、Ｘ軸
送りネジ５６を回転可能に保持している。Ｘ軸送りネジ
５６のネジ部は、基板４７の一側部に穿設された雌ネジ
部５７に螺合している。この基板４７の略中央部には、
Ｚ軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６のスライドを
固定する固定ネジ５８のネジ部に螺合する雌ネジ部５９
が穿設されている。Ｘ軸スライド板４６の略中央部には
、固定ネジ５８の軸部を挿通するＸ方向の長孔６０が開
設されている。

Ｚ軸スライド板４５の略中央部には前記軸部を挿通する
大径の角孔６１が開設されている。Ｘ軸スライド板４６
には四つの円孔６２が開設され、各円孔６２に非磁性体
からなる円筒カラー６３を周囲に備えた円柱状の磁石６
４が嵌着されている。

磁石６４の両端面は、Ｘ軸スライド板４６の表面より若
干沈んでいる。本実施例では磁石６４の磁性体に対する
吸着力により、Ｘ軸スライド仮４６とＺ軸スライド板４
５及び基板４７との密着性を更に向上させている。磁石
６４の材質はサマリウムコバルトが好適であるが、それ
以外の材質を用いてもよい。

このようなスライドガイド装置において、保持台８上の
被測定物ｌをＸ方向に移動させる場合は、第１Ｏ図に示
すように、Ｚ輸送リネジ５３を回転操作してＺ軸スライ
ド板４５を微調スライドさせる。Ｘ方向に移動させる場
合は、第１１図に示すように、Ｘ送すネジ５６を回転操
作してＸ軸スライド板４６を微調スライドさせる。固定
する際は固定ネジ５８によって締付ける。本実施例のス
ライドガイド装置によれば、被測定面２の極座標測定時
などにおいて生じるガタ付きが事実上全くなく、被測定
面２の超高精度測定の実現に寄与するところ大である。

前記旋回台１０は、第１図に示すように、エアースピン
ドル９が設置固定された支持板６５と、この支持板６５
を昇降可能に案内支持する四本の支持柱６６と、これら
支持柱６６が立設された旋回基盤６７とを備えている。

旋回基盤６７は枢支ビン６８によって旋回可能に枢支さ
れている。旋回基盤６７上には、支持板６５に穿設され
た雌ネジ部に螺合する送りネジ６９と、この送りネジ６
９を回転させるモータ７０とが配設されている。

送りネジ６９はその下部に固定されたギア７１とこのギ
ア７Ｌに噛合するウオーム７２とを介して回転させられ
る。

このように構成された旋回台１０によれば、保持台８に
被測定物１を保持させて被測定面２の形状測定を行う場
合は、第２図及び第３図に実線で示す測定位置に保持台
８を設置する。より大きな被測定物１の形状測定を行う
場合は、第２図に示すように、モータ７０を駆動してエ
アースピンドル９をその上端部が上部石定盤２の下端部
よりも低い位置に下降させる０次にこの状態で旋回台１
０を、第１２図に矢印で示す方向に枢支ピン６８を中心
として旋回させる。これにより、保持台８を２移動部７
下方の測定位置から退避位置に移動させることができ、
Ｚ移動部７の下方空間を拡大することができる。尚、極
座標測定を行う場合は被測定面２の近似曲率中心がエア
ースピンドル９の回転軸Ｐと一致するようにモータ７０
でエアースピンドル９を昇降させる。

次に、第４図及び第１２図を用いて、フォーカスサーボ
系の詳細な説明を行う。

第４図において、７３はＺ移動部７のＺ方向における平
衡位置からの変位量を検出する位置検出器、７４は位置
検出器７３からの出力によって位置信号を発生する位置
信号発生回路、７５は位置信号に基いてＺ移動部７のＺ
方向に位置を表示する位置表示手段、７６は０．３Ｈｚ
の周波数発振器７７はＺ移動部７をＺ方向に移動させる
ためのボリューム、７８はボリューム７７の操作設定電
圧に基きバネ１１の復元力の影響をなくすように位置信
号を増幅して駆動回路２３に信号を送る差動増幅器、７
９はゲインコントロール回路、８０は被測定面２の反射
率に応じてサーボゲインの切替え操作を行うための操作
部である。この操作部には、第１２図に示すように、半
導体レーザ光Ｇ及びゼーマンレーザ光Ｆの被測定面２で
の各反射率を三つの範囲に切替えるための反射率切替ス
イッチと、両レーザ光Ｇ、Ｆの反射率切替えの連動と独
立作動とを選択するための連動スイッチと、各レーザ光
Ｇ、Ｆの反射光量を表示する反射光量モニターメータと
を備えている。

これにより、被測定面２の反射率に応じて夫々のサーボ
ゲインを切替えることができるので、広い範囲の反射率
に対してサーボゲインを略一定にすることができ、高精
度測定可能な被測定面２の範囲を拡大することができる
。又同一被測定面２においてレーザ光Ｇ、Ｆの波長に起
因する反射率の相違にも対処することができるので、フ
ォーカスサーボと傾きサーボとを夫々の反射率に応じて
正常に動作させることができる。更に、測定中の被測定
面２の反射率を夫々のレーザ光Ｇ、Ｆにおいて１１１！
認しながらゲイン切替えを行うことができる。尚、本実
施例では対応可能な反射率の範囲を３〜１００％として
いるが、０〜１００％としてもよい。

以上のように構成された光学測定装置において非曲面レ
ンズを被測定物１としその被測定面２の形状測定を行う
には、先ず被測定物１を保持台８上に保持させる。この
とき、エアースピンドル９の回転軸Ｐが被測定面２の曲
率中心を通るようにエアースピンドル９を昇降又はスラ
イドガイド装置をｘ−Ｚ方向に微調スライドさせる。次
にボリューム７７を操作してＺ移動部７をＺ方向に移動
させ、第１３図に示すように、対物レンズエフを被測定
面２の先端部に対するフォーカス位置の上方１〜２ｍｍ
の位置に初期位置を設定する。このとき、同図に示すよ
うなスケール８１を上部石定盤４の前面側に設置してお
くと好適である。

スイッチＳｗ、をオンにすると、Ｚ移動部７はフォーカ
ス誤差信号が出るまで、すなわち対物レンズ１７がフォ
ーカス引き込み範囲に達するまで下降する。フォーカス
誤差信号が検出されたらスイッチＳｗｔを切替えてフォ
ーカスサーボをかける。これにより、対物レンズ１７を
フォーカス位置に引き込むことができる。

次に被測定面２のＸ−Ｙ−Ｚ座標における測定原点Ｓ（
図示せず）を求める方法を、第１４図を参照しながら説
明する。

現在のレーザ光Ｇの被測定面２上の集光位置を初期原点
（Ｘａ、Ｚａ）Ｓｏとし、この初期原点Ｓ０の同−Ｙ座
標位置での被測定面２の中心からのズレ量を求めて第１
の目標原点Ｓ１を得るため、同−Ｙ座標位置において初
期原点３６近傍の一定範囲で二位置のＸ−２座標を測定
する。夫々のＸ−Ｚ座標を、（Ｘｌ、Ｚｄｌ）、（Ｘ　
２＋　Ｚ　ｄｚ）とする。

測定によって得られた測定面（第１４図実線）の計算球
面（第１４図仮想線）からのズレ量をＺｄとすると、 Ｘ”　＋Ｙｔ　＋　（Ｚ＋Ｒ−Ｚｄ）”　＝Ｒ”　装置
ケル。

但し、Ｒは初期原点Ｓ０近傍の曲率半径である。

一方、計算球面はＲ−、／１コ”−＝Ｙ１測定面はＲ−
−＋ａ　　−Ｚａ なので、Ｚｄは、 Ｄ「τＸ”−−ａ−Ｚａと なる。

ここでＸ＜Ｒとすると、 Ｚｄ　＃Ｒ−Ｘ”　＋２　Ｒ−Ｒ＋　（ＸｌＸａ）”＋
２Ｒ−Ｚａ −（（ＸｌＸａ）”　−Ｘ”　）÷２Ｒ−Ｚａ’＝Ｘａ
　　−Ｘ＋Ｒ＋Ｘａ”＋２Ｒ−Ｚａここで、Ｘａ”＋　
２　Ｒ−Ｚａなので、Ｚ　ｄ　寓Ｘ　ａ　−Ｘ　十Ｒ−
，となる。

故に、 Ｘａ　＝Ｒ＋ｘ　ＨＺｄ ＝Ｒ・　（Ｚ　ｄｌ−Ｚ　ｄｘ）÷（Ｘｌ　　Ｘり以上
のようにして、第１の目標原点Ｓ１を得ることができる
。以下、同様にして、この第１の目標原点Ｓｌ近傍の同
−Ｘ座標位置における二位置のＹ−Ｚ座標を測定し、第
１の目標原点Ｓ、の被測定面２の中心からのズレ量を求
めて第２の目標原点Ｓｇ　　（図示せず）を得る。

この第２の目標原点３つは被測定面２の中心に一致する
ので、この目標原点Ｓ２を被測定レンズ面のＸ−Ｙ−Ｚ
座標における測定原点Ｓとして被測定面２の形状測定を
行うことにより、Ｘ−Ｙ方向に対称な範囲を測定するこ
とができる。又これに基いて、極座標測定を行う場合の
測定位置を決めることもできる。

本発明は上記実施例に示すほか、種々の態様に構成する
ことができる。

例えば、初期原点近傍の同−Ｘ座標位置における二位置
のＹ−Ｚ座標から測定を行うことができる。又上記実施
例では非球面状凸レンズのレンズ形状を測定したが、本
発明は非球面状凹レンズや凹面ミラー、及び球面状の各
種レンズやミラーなどにも適用することができる。尚、
本発明に用いる光学測定装置の構成は、上記実施例に示
すのもの限定されないのは勿論であり、例えば接触式の
測定プローブを備えた光学測定装置にも本発明を適用す
ることができる。

発明の効果 本発明は上記構成、作用を有するので、対物レンズの測
定高さ位置を大きく変えることなく被測定面の近似曲率
中心を回転部の回転軸に一致させることができると共に
、保持部を測定位置から退避位置に移動させて測定空間
を拡大することができるので、極座標測定及び直交座標
測定の可能な被測定物の範囲を、従来の光学測定装置に
比較して大幅に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光学測定装置の全体
構成を示す概略斜視図、第２図は同装置における旋回台
の正面図、第３図はその平面図、第４図は同装置におけ
るフォーカスサーボ系のブロック図、第５図はその光路
図、第６図は対物レンズがフォーカス位置にあるときの
光路図、第７図は対物レンズがフォーカス位置から外れ
たときの光路図、第８図は同装置における傾きサーボ系
の光路図、第９図は同装置において被測定物の保持枠を
エアースピンドルに対してＸ−２方向に移動可能に案内
支持するスライドガイド装置の分解斜視図、第１０図は
その縦断側面図、第１１図はその横断平面図、第１２図
は同装置における反射率切替え操作部の正面図、第１３
図は同装置における対物レンズの位置設定の説明図、第
１４図は同装置において被測定面上のＹ方向における初
期原点から目標原点を求める概略説明図、第１５図は従
来の光学測定装置の正面図、第１６図はその要部を拡大
して示す概略正面図である。 １・・・・・・被測定物、２・・・・・・被測定面、８
・・・・・・保持台、９・・・・・・エアースピンドル
、６５・・・・・・支持板、６６・・・・・・支持柱、
６７・・・・・・旋回基盤、６９・・・・・・送りネジ
、７０・・・・・・モータ、Ｐ・・・・・・回転軸。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 第 図 ／ｌ 第 ２−−一慢・１０ 図 第 図 第 図 第 図 譬 矢ジ 図 第 図 Ｌ〜１、〜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物を測定位置に保持可能な保持部と、この保持部
   を被測定面の近似曲率中心を通る軸のまわりに回転させ
   る回転部とを備え、被測定面形状の直交座標測定と極座
   標測定とを行う光学測定装置において、前記回転部を昇
   降可能に支持する支持手段を設けると共に、この回転部
   を昇降させる昇降手段を設け、且つこれら回転部、支持
   手段、昇降手段を前記保持部が測定位置と退避位置との
   間で移動可能なように構成したことを特徴とする光学測
   定装置。