JPH03188302A - 面形状測定方法及び面形状測定装置 - 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、参照レンズにおける参照面の絶対面形状を求
める面形状測定方法に俤わり、特に、参照面と被測定面
により反射された反射波面により干渉パターンを形成し
、被測定面を変化させて複数の反射面形状を計測し、こ
の計測値を演算することにより参照面の絶対面形状を測
定する面形状測定方法に関するものである９更に本発明
は、この面形状測定方法に最適な面形状測定装置に関す
るものである。

ｒｔｉｆ、来の技術」 従来、干渉計によって光学的な面の形状誤差を測定する
場合には、基準となる参照面と被測定面を干渉させ、そ
の干渉縞から参照面に対する被測定面の形状誤差を計測
している。例えば、量産用のレンズの形状誤差を測定す
る場合には、基準となる原器（基準となるレンズ）の参
照面と量産レンズの被測定面を干渉させ、その干渉縞を
計測することにより、原器に対する量産レンズの形状誤
差を測定していた。特に高精度な測定においては、多照
固自体が有する形状誤差を無視することができず、干渉
計によって被測定面と参照面の両者が有する形状誤差を
同時に検出する必要がある。

被測定面と参照面の両者の形状誤差を同時に検出する方
法として例えば「ニュートンゲージの測定方法」がある
ので説明する。

この方法は参照面と被測定面の真球度測定、確認を次に
述べる３段階に渡って行うものである。

（１）まず第１段階として、第４図に示す様に参照面１
００と被測定面２００とを共通の曲率中心を持つように
配置し、測定を行う。

（２）上記第１段階の測定で、干渉縞が表れない場合で
あっても、必ずしも参照面１００と被参照面２００の双
方の形状に欠陥がないとは限らない。

なぜならば第５図（ａ）に示す様に、参照面１００と被
測定面２００の双方の面の曲率が中心部と周辺部で若干
異なっていたり、部分的に欠陥があった場合でも、互い
に補い合って干渉縞が表れない場合があるからである。

そこで第５１Ｍ（ｂ）に示す裸に、参照面１００と被測
定面２００を正対した位置から大きく左右の方向に変位
させて測定する。次に被測定面２００を大きく上下方向
に変位させて測定する。

（３）上記第１、第２段階の全ての測定を通して干渉縞
に欠陥が認められなかった場合でも、第６図に示す棟に
参照面１００と被測定面２００の両者が、水平及び垂直
両方向の球面の曲率半径が僅かに異なり、しかもそれが
互いに補い合って干渉縞が表れない場合も男えちれる９
そこで第３段階として被測定面２００を９０度回転させ
て測定を行えば、第７図に示す様に水平及び垂直方向の
球面の曲率半径の誤差が干渉縞として表れることになる
。

以上の様な３段階の測定から、それぞれ理想球面からの
誤差を求めることができ、その最大値をＳ、いとすれば
、参照面１００と被測定面２００の理想球面からのｆ−
差は、両者ともＳつ。。以下であることになる。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら上記従来の測定方法では、参照面１００と
被測定面２００のそれぞれの面形状を求めることができ
ないという問題点があった。仮に被測定面２００が完全
な球面であったとしても、参照面１００の面形状誤差に
依存した測定精度となってし才う問題点があった。従っ
て、多照面１００の絶対面形状を精度よく測定すること
のできる面形状測定方法の出現が強く望まれていた。

「課題を解決するための手段」 本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、第１反射面
で形成された反射波面と第２反射面で反射された反射波
面とにより形成された干渉パターンに基づき、第２反射
面を回転又は移動を行うか、或は第２反射面を交換する
ことにより、ｎ通りの反射面形状［Ｗｉ　（ｘ、ｙ）（
ｉ＝１．２、・・・・ｎ）］を求め、 ｎ　ひ１ を演算することにより、 第１反射面形状Ｗｐ（ｘ、ｙ）を求めることを特徴とし
ている。そして本発明の面形状測定方法は、干渉パター
ンを形成させる手段に、フィゾータイプの干渉計を採用
することもでき、更に干渉パターンを形成させるための
光源に、ヘリウム−ネオンレーザ装置を採用することも
可能である。

また本発明の面形状測定装置は、光源と、第１反射面で
形成された反射波面と第２反射面で形成された反射波面
とにより干渉パターンを形成するための干渉計と、前記
第２反射面を回転又は移動させることによりｎ通りの反
射面形状を形成させるための駆動手段と、前記干渉計で
形成された干渉パターンを撮像するための撮像手段と、
この撮像手段の画像データに基づき、前記ｎ通りの反射
面形状［Ｗｉ　（ｘ、ｙ）（ｉ　＝１．２、・・・・・
ｎ）コを記憶すると共に、 ｎル＝・１ を演算するための演算制御部とからなっており、第１反
射面形状Ｗｎ（ｘ、ｙ）を求めることを特徴としている
。更に、第２反射面を回転又は移動させる駆動手段に代
えて、第２反射面を交換することによりｎ通りの反射面
形状を形成させるための即動手段を採用することもでき
る。

［作用」 以上の様に構成された本発明は、第１反射面で形成され
た反射波面と第２反射面で形成された反射波面とで干渉
パターンを形成し、第２反射面を回転又は移動させるか
、或は第２反射面を交換することにより、ｎ通りの反射
面形状を求め、この反射面形状から第１反射面形状を演
算するものである。そして、フィゾータイプの干渉計で
干渉パターンを形成することもでき、更に、ヘリウムネ
オンレーザ−装置の光源により干渉パターンを形成する
こともできる。

また本発明の面形状測定装置は、光源からの光線が第１
及び第２反射面に照射され、干渉計が第１反射面で形成
された反射波面と第２反射面で形成された反射波面とに
より干渉パターンを形成する。そして駆動手段が、第２
反射面を回転又は移動させることにより、ｎ通りの反射
面形状を形成させる。更に撮像手段が前記干渉パターン
を撮像し、この撮像データに基づき、演算処理部がｎ通
りの反射面形状を記憶すると共に、第１反射面形状を演
算することができる。なお駆動手段は第２反射面を交換
することにより、ｎ通りの反射面形状をさせるものでも
よい。

「　実力ＩＢ愕Ｊ 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１図は本
実７ｉ１例の面形状測定装置１の構成を示す図であり、
面形状測定装置１は、干渉計２と、参照レンズ３と、被
測定１＃Ｊ４と、被測定物設置台５と、光源６と、撮像
レンズ７と、撮像素子８と、演算制御部９とから構成さ
れている。干渉計２は、参照レンズ３の反射波面と被測
定物４の反射波面とにより干渉パターンを形成させるも
のである。

本実施例では、フィゾータイプの干渉計２が採用されて
いる。この干渉計２は、集光レンズ部２１と、ビームス
プリッタ２２と、対物レンズ部２３とから構成されてい
る。フィゾー干渉縞とは、薄いくさび層に光を垂直に入
射した時、上下の面で反射する光によってできる等厚干
渉の縞である。

フィゾータイプの干渉計２は、このフィゾー干渉縞を鮮
明に観察可能とするなめに、面に入射する光線の方向が
一定になる様に工夫されている。参照レンズ３には基準
となる参照面３１が形成されており、この参照面３１が
第１反射面に該当するものである。被測定物４には、ｌ
！Ｉｒ測定面４１が形成されており、この被測定面４１
が第２反射面に該当するものである。被測定物設置台５
は駆動手段に該当するもので、被測定物４を保持し、こ
の被測定物４の被測定面４１の傾きを調整するためのも
のである９本実施例の被測定物設置台らは、被測定面４
１を直交３方向に移動調整可能となっており、かつ、光
軸と該光軸と直交する２軸を軸として傾き調整可能に構
成されている。なお被測定物設置台５は、被測定面４１
が異なる複数の被測定物４．４・・・を用意し、これら
を順次付は替え可能な構成としたものでもよい。この場
合には被測定物４を交換することにより、複数の被測定
面４１の干渉パターンを得ることができる。

光源６は、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー装
置かち構成されている。レーザー光線を使用することに
より、可干渉距離を大きく収ることができ、フィゾータ
イプの干渉計２と組み合わせることにより、コンパクト
で高精度な面形状測定装置を提供することができる。な
お光源６は、ヘリウム−ネオンレーザ−装置に限ること
なく、干渉計２もフィゾータイプの干渉計２に限定され
るものではない。

撮像レンズ７は、干渉計２で形成された干渉パターンを
撮像素子８に投影するためのものである。

撮像素子８は干渉パターンをｎ像するものであり、本実
施例では、ＣＣＩ）等から構成されたエリアセンサが採
用されている。

演算側ｔｎ　ａ　９は、マイクロコンピュータやメモリ
部、操作部、表示部等から構成された演算処理装置であ
る。この演算処理部９は、撮像素子８により撮像された
干渉パターンから波面形状を演算するためのもので、複
数の波面形状データを記憶することができ、これらの平
均化処理等を行うことができる。

次に本発明の測定原理を説明する。第２図は、参照面３
１と被測定面４１を拡大して示したものであり、参照面
３１の面形状をＷＩＩＩ（ｘ、ｙ）と定義し、被測定面
４１の測定されている領域の面形状をＷ、、（ｘ、ｙ）
と定義することにする。従って、第２図（ａ）で示され
る状態の場合に、観測される波面形状は、 Ｗｌ　（ｘ、ｙ）＝：ｗ、（ｘ、ｙ）＋ＷＴ１　（ｘ、
ｙ）・（１） と表される。

次に第２図（ｂ）で表される様に被測定面４１を移動さ
せることにより被測定領域を変化させる。

この変化された被測定領域の面形状をＷｌ２（ｘ、ｙ）
とすれば、観測される波面形状ＶＶｚ（ｘ−ｙ）は、 Ｗ２　（Ｘ、　ｙ）＝ＷＲ（Ｘ、ｙ）＋ＷＴ２　（Ｘ、
　ｙ）・・・（２） となる。この様に被測定面４１を様々な向きに回転させ
たり、もしくは複数の形状の被測定面４１．４１・・・
に交換することにより、ｎ通りの波面形状Ｗ＋　（ｘ、
ｙ）（ｉ＝１．２、−−・−ｎ）を求めることができ、
これらの波面形状を全て加算すると、 ｉ’ｗｉ（ｘ、ｙ）＝ＩＩＷＲ（Ｘ、　ｙ）η− ＋尤Ｗ。儀（ｘ、　ｙ） ｊ＊１ ・・・・・　（３） となる。これを利用してＷＲ（ｘ、ｙ）を求めると、・
　・　・　・　・　（４） となる。ところが、第４式の第２項は、様々な被測定面
４１．４１・・・の平均化された面形状を表しており、
測定回数ｎを増やして行くと零に近似させることができ
る。従って第４式は、ｎが大となれば、 ・　・　・　・　・　（５） と表すことができる。この結果、第５式を利用して、 ｗｙｌ　（ｘ、ｙ）＝Ｗ、（ｘ、ｙ）　−Ｗ、（ｘ、ｙ
）（６） を演算することにより、被参照面４１の面形状Ｗ、、（
ｘ、ｙ）を求めることができる。

以Ｅの様に、多照面３１の面形状Ｗｎ　（ｘ、　ｙ　）
の絶対面形状を求めることができる。そして、参照面３
１の絶対面形状を利用することにより、被測定面４１を
精度よく求めることが可能となる。

即ち本実施例の面形状測定装置は、参照面３１で形成さ
れた反射波面と被測定物面４１で形成された反射波面と
により形成された干渉パターンを、干渉計２で測定し、
この干渉パターンをｗｋ＠レンズ７を介して撮像素子８
に投影する。撮像素子８は、干渉パターンの画像データ
を演算処理部９に送出する。そして被測定物設置台７を
駆動させ、被測定面４１を回転又は移動させる９回転又
は移動毎に、それぞれの干渉パターンを撮像素子８で計
測し、画像データを演算処理部９に記憶する。

更に演算処理部９は、回転又は移動毎のデータを第５式
に代入し、得られた値を第６式に使用することによりｗ
、参照面４１の絶対面形状を求めることができる。

次に、本実施例の面形状測定方法を利用した応用例を第
３図に基づいて説明する。第３図は、被測定面４１の有
効径のなす角が参照面３１に比較して小さい場合を示し
たものであり、参照面３１の測定領域を変化させること
により、被測定面４１の絶対面形状を求めることができ
る。この応用例ではＶ記実施例と異なり、被測定面４１
の絶対面形状を求めるものである。即ち本応用例では、
被測定面４１が第１反射面に該当し、参照面３１が第２
反射面に該当している。

第３図（ａ）において、参照面３１の測定領域の面形状
をＷＲＩ　（ｘ　、　ｙ　）とし、被測定面４１の面形
状をＷＴ（Ｘ、３／）とおけば、ｆｊｌ測される波面形
状Ｗ１（ｘ、ｙ）は、 Ｗｌ（Ｘ、３’）　−ＷＲｌ（Ｘ、３／）＋Ｗｔ（ｘ、
ｙ）・・・・・（７） となる。そして第３図（ｂ）に示す様に、被測定面４１
を移動すると、多照面３の測定領域が移動し、その参照
面３の測定領域の面形状をＷ、２（ｘ、ｙ）とすれば観
測される波面形状Ｗ２（Ｘ、ｙ）は、Ｗ２　（ｘ、　ｙ
　）　＝ＷＲ２（ｘ、　ｙ　）　＋Ｗｔ　（ｘ、　ｙ　
）・・・・　（８） となる。この様に被測定面４１を移動、回転成はより、
ｎ通りの波面形状Ｗ＋　（ｘ、　ｙ）（ｉ＝１．２、・
・・・・ｎ）を求めることができる。但しこの場合には
、参照面３１の測定領域と観測される波面形状の領域が
各測定で移動するので、座標（ｘ、ｙ）を被測定面４１
の座標（ｘ、ｙ）に−致させる必要がある。

以上の様に観測される波面形状Ｗｔ（ｘ、ｙ）を加算す
れば、 ＋ｎＷｔ（ｘ　　ｙ） ・　・　・　（９） となる。そして第９式からＷｙ（ｘ、ｙ）について求め
れば、 ｎ　　” ・　・　・　・　・　（１０） となり、被測定面４１の有効径のなす角に対して参照面
３１が大きく、更に測定回数ｎを増加させれば、第１０
式の第２項は零と近似することができ第１０式は、 （ｎ） となり、被測定面４１の絶対面形状を求めることができ
る。

なお本実施例は参照面３１を球面にすることにより、参
照面３１の絶対真球度を求めることができ、この参照面
３１を利用して景産レンズ等の真球度を測定することが
できるという効果がある。

なお、参照面３１は必ずしも球面に限られるものではな
く、第２反射面に相当する面を移動させても干渉縞がｗ
Ａ８ｎ１される曲面であれば、何れの曲面にも適用する
ことができる。

なお従来の面形状測定方法では、（λ／１ｏ）乃至（λ
／２０）程度の面精度を得るのが限界であったが、本実
施例を使用することにより、例えばｎが６４程度で（λ
／１６０）程度まで測定することができる。

「効果」 以上の様に構成された本発明は、第１反射面で形成され
た反射波面と第２反射面で反射された反射波面とにより
形成された干渉パターンに基づき、第２反射面を回転又
は移動を行うが、或は第２反射面を交換することにより
、ｎ通りの反射面形状を求め、これらの形状データを演
算することにより、第１反射面形状Ｗａ　（Ｘ　、　Ｙ
　）を求める様に構成されているので、第１反射面形状
の絶対面形状を求めることができるという卓越した効果
がある。そして本発明の面形状測定方法は、干渉パター
ンを形成させる手段に、フィゾータイプの干渉計を採用
することもでき、更に干渉パターンを形成させるための
光源に、ヘリウム−ネオンレーザ装置を採用することも
できるので、可干渉距離が短くなりコンパクトな面形状
測定装置を提供することができるという効果がある。

そして本発明の面形状測定装置は、光源と、第１反射面
で形成された反射波面と第２反射面で形成された反射波
面とにより干渉パターンを形成するための干渉計と、前
記第２反射面を回転又は移動させることによりｎ通りの
反射面形状を形成させるための駆動手段と、前記干渉計
で形成された干渉パターンを撮像するための撮像手段と
、この撮像手段の画像データに基づき、前記ｎ通りの反
射面形状を記憶すると共に、第１反射面形状を演算する
ための演算制御部とから構成されているので、ｎ通りの
反射面形状を効率よく連続に変化させることができ、干
渉計によりＩＥｌｌｍされた干渉パターンを、撮像手段
を介して演算制御部に送出しているので、高ＭＫで操作
も簡便な面形状測定装置を提供することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は本実施例
の構成を示すものであり、第２図は測定の順序を説明す
る図、第３図は応用例を説明する図、第４図から第７図
は従来技術を説明する図である。 １　・　・ ２　・　・ ３１　・ ４　・　・ ４　ｌ　・ ５　・　・ ６　・　・ ８　・　・ ９　・　・ 面形状測定装置本体 干渉計　　３・・・ 繋照面 被測定物 被測定面 被測定物設置台 光源　　　７・・・・撮像レンズ 撮像素子 演算制御部 ・参照レンズ 第１図 第２図 第３図 １２−

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１反射面で形成された反射波面と第２反射面で
   反射された反射波面とにより形成された干渉パターンに
   基づき、第２反射面を回転又は移動を行うか、或は第２
   反射面を交換することにより、ｎ通りの反射面形状［Ｗ
   ＿ｉ（ｘ，ｙ）（ｉ＝１、２、・・・・ｎ）］を求め、 ▲数式、化学式、表等があります▼ を演算することにより、 第１反射面形状Ｗ＿Ｒ（ｘ，ｙ）を求めることを特徴と
   する面形状測定方法。
2. （２）干渉パターンを形成させる手段が、フィゾータイ
   プの干渉計である請求項１記載の面形状測定方法。
3. （３）干渉パターンを形成させるための光源が、ヘリウ
   ム−ネオンレーザ装置である請求項１〜２記載の面形状
   測定方法。
4. （４）光源と、第１反射面で形成された反射波面と第２
   反射面で形成された反射波面とにより干渉パターンを形
   成するための干渉計と、前記第２反射面を回転又は移動
   させることによりｎ通りの反射面形状を形成させるため
   の駆動手段と、前記干渉計で形成された干渉パターンを
   撮像するための撮像手段と、この撮像手段の画像データ
   に基づき、前記ｎ通りの反射面形状［Ｗ＿ｉ（ｘ，ｙ）
   （ｉ＝１、２、・・・・・ｎ）］を記憶すると共に、 ▲数式、化学式、表等があります▼ を演算するための演算制御部とからなつており、第１反
   射面形状Ｗ＿Ｒ（ｘ，ｙ）を求めることを特徴とする面
   形状測定装置。
5. （５）請求項４記載の面形状測定装置において、第２反
   射面を回転又は移動させる駆動手段に代えて、第２反射
   面を交換することによりｎ通りの反射面形状を形成させ
   るための駆動手段を採用した面形状測定装置。