JPH03276044A - 曲面における曲率半径の測定方法及び測定装置 - 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〕 本発明は光の干渉作用を用いて球面、シリンドリカル面
、トロイダル面等の曲面を測定する技術に関し、特に、
被検面の面精度と共に曲率半径を簡単に測定する技術に
関するものである。

〔従来の技術〕

レンズ面等の曲面を評価する際の重要な評価項目として
は、その被検面の面の粗さやうねりを示す「面精度」と
、その被検面の平面度や曲率半径を示す「面形状」とが
ある。そして、これら面精度と面形状の両者を測定でき
る測定方法としては、■ダイヤモンドやルビー等の接触
針を被測定面に当接して走査させる「接触針方式」や、
■光を微小スポットとして被測定面に照射し、このスポ
ットを被測定面全体に走査させる「光プローブ方式」が
知られている。

しかし、■の「接触針方式」では硬い針により被測定面
を傷つけたり、汚したりするという問題があった。また
■の「光プローブ方式」は非接触であるから、このよう
な問題はないが、点で被測定面を走査させるため、測定
に長時間を要するという問題があった。

また、従来のレーザ干渉方式は「面積度」測定には適し
ており、広く用いられているが、これに「面形状」測定
の機能を付加して曲率半径を求める場合は以下のように
なる。

第６図においてａは被測定面を、ｂは参照面を示す。可
干渉光としてのレーザが参照面すから矢印の線に沿って
被測定面に照射される。このとき、参照面すから被測定
面に向かう入射波面の曲率中心が、被測定面ａの曲率中
心Ｏとほぼ一致するような位置にし、参照面すからと被
測定面ａからの各反射光を重畳して、できるだけ稿本数
の少ない干渉縞を生成する。次に、この位置から被測定
面ａと参照面すとの相対位置を変化させ、即ち被測定面
をａからａ′の位置に移動し、入射波面の曲率中心Ｏと
被測定面ａ′の頂点とがほぼ一致する位置（キャッツア
イ干渉縞が出る位置）に移動す・る。このときの被測定
面ａと参照面すとの相対的な移動距離、つまり被測定面
ａ　−ａ　’の頂点間の距離ｌが被測定面ａの曲率半径
ｒとなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、この方法では、曲率半径が大きい場合には、移
動距離ｌが大きくなり、計測が大掛かりになってしまう
。また当然ながら「面形状」の測定に長時間かかる等と
いった問題がある。

本発明は上記の問題点の解決を図ったもので、「面形状
」の測定が簡単にできる「面積度」および「面形状」測
定方法とその装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明の方法は、同一光源
からの可干渉光を対物レンズを介して被測定面と基準に
なる参照面とに照射し、これら両面からの反射光を干渉
させ、干渉縞を形成して被測定面の面形状及び面精度を
測定する方法において、 前記参照面を干渉縞のコントラストが低下しない程度に
光軸上でわずかにシフトし、該シフト前後の干渉縞をイ
メージセンサ上に結像し、イメージセンサの出力からシ
フト前後の面情報を得て、該面情報の変化から可干渉光
のフォーカス位置について差分を求め、シフト量とフォ
ーカス位置の差分とから被測定面の曲率半径を求める構
成としている。

また、本発明の装置としては、同一光源からの可干渉光
を対物レンズを介して被測定面と基＄ムこなる参照面と
に照射し、これら両面からの反射波面を干渉させ、干渉
縞を形成して被測定面の面形状及び面精度を測定する装
置において、対物レンズに参照面を設けると共に、該対
物レンズを光軸に沿って所望距離だけ微小移動できる駆
動手段を設けた構成としている。

また、対物レンズの駆動手段がピエゾ素子、リニヤモー
タ、ボイスコイルの何れかを利用する構成とすることが
できる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図により説明する。なお、この干
渉光学系は、フィゾー型で示されているが、これに限定
されるものではなく、トワイマン・グリーン型等の干渉
計でもよい。

第１図において、１は光源で、可干渉性の高いレーザ光
を発光し、例えばガスレーザまたは半導体レーザ等が使
用される。２ａ、２ｂはビームエクスパンダで、光源１
からの狭い光束を適当な大きさに拡げるためのものであ
る。３は空間フィルタで、ゴースト光や反射光等の不要
な光をカットする。４は光アイソレータでビームスプリ
ンタ４ａとλ／４板４ｂとで構成されている。５は対物
レンズで可干渉光を被測定物６に照射し、その最終面は
半透鏡としての参照面５ａとなっている。

参照面５ａは、対物レンズ５の焦点位置と一致する曲率
中心を有する球面として形威され、その焦点が被検体６
における被測定面６ａの曲率中心とほぼ一致する位置に
配置される。また、参照面と被測定面とは微小な角度で
チルトまたはシフト可能になっている。

光源１から発せられた可干渉光の光束は、ビームエクス
パンダ２ａ、２ｂで拡大され、対物レンズ５を経て、参
照面５ａで一部が反射され、残りが被測定面６ａに達し
て反射される。

参照面５ａと被測定面６ａからの反射光は、来た光路を
戻り、互いに重なりあって干渉縞を形成する。この干渉
縞は、被測定面６ａが球面であれば勿論形成されるが、
被測定面６ａがシリンドリカル面またはトロイダル面で
あっても参照面５ａとほぼ平行になるスリット状の部分
について干渉縞を形威する。また参照面５ａが平面であ
れば、被測定面６ａが平面であっても干渉縞を形威でき
る。したがって、この明細書において曲面とは球面、シ
リンドリカル面、トロイダル面及び平面を含むものとな
る。そして、この干渉縞は集束レンズ７によってＣＣＤ
ラインセンサ等からなるイメージセンサ８上に結像され
、フリンジ走査法、フーリエ変換法等の解析手段で処理
されて面データを得ることになる。

本発明は、上記の構成に加えてさらに対物レンズに駆動
手段９を設けている。この駆動手段９の一実施例を第２
図に示す。同図において、対物レンズ５は取付は具１０
によって固定され、この取付は具１０は上下に設けられ
たピエゾ素子１）を介シてフレーム１２に固定されてい
る。ピエゾ素子１）に印加する電圧を調整することによ
って光軸Ｘ方向に対物レンズ５及び参照面５ａを所望の
距離だけ移動することができる。

第３図は駆動手段９としてボイスコイルを使用した実施
例を示す。対物レンズ５はフォーカスコイル１４に支持
され、フォーカスコイル１４はヨーク１５，１６と磁石
１７とで形威する磁気回路内に摺動自在に設けられてい
る。

フォーカスコイル１４に駆動電流が供給されると、その
電流の方向と大きさに応じて対物レンズ５は光軸Ｘの方
向に進退することになる。その他、図示しないがラック
とピニオンを利用したものや、各種のりニヤモータを利
用して駆動手段９を構成することができる。

次に、曲率半径の測定原理を説明する。

先ず、第１図において、参照面５ａからの入射波面の曲
率中心と、被測定面６ａの曲率中心とがほぼ一致するよ
うに、参照面５ａと被測定面６ａ間の距離を決めて干渉
縞を形威し、イメージセンサ８上に結像させる。ここで
、入射波面の曲率中心は第４図の点ＡＯにあるとする。

このときの入射波面の曲率中心Ａｏは被測定面６ａの曲
率中心と必ずしも一致している必要はないが、以降の説
明の簡略化のためにＡｎと一致しているものとする。し
たがって、Δのシフトをする前の入射光は被測定面６ａ
に垂直に入射し、入射波面と被測定面からの反射波面は
同じ光路をたどる。

次に、対物レンズ５を、干渉縞のコントラストが低下し
ない程度に、光軸上で図の左側に既知の量Δだけわずか
にシフトする。今度は入射波面は被測定面６ａに垂直に
は入射しないので、入射波面と反射波面の光路は一致せ
ず、入射波面の曲率中心はＡｏからΔ左方のＡ１に移動
する。一方反射波面の曲率中心はＡＯからｐだけ右方の
Ａ２に移動する。

被測定面７ａの曲率半径をｒとすれば、上記Δ、ｐおよ
びｒとの間には、 の関係が成り立つ。即ち、ｐを求めれば、Δは既知であ
るから被測定面の曲率半径ｒを求めることができる。

次に、ｐの値の求め方を説明する。

いま、対物レンズがΔだけシフトした時のイメージセン
サ８上の干渉縞を解析し、面データ（面精度十面形状）
を得る。

ここで、第４図に示すように被測定面からの入射光束と
光軸との角度をθとし面データをφとすれば、φ＃ｐｃ
ｏｓθの関係があり、ｃｏｓθに対する面データを第５
図のようにプロットすると、はぼ−次点線上に乗る。な
お、第５図において縦軸は面データで、単位は可干渉光
の波長λであり、横軸は入射光束が光軸となす角θに対
するｃｏｓθである。この−次直線は面データを回帰計
算することにより容易に求めることができ、この直線の
傾きは参照面からのデフォーカス量、即ち前述のｐに等
しい。対物レンズの正弦条件が十分得られているとき、
前述の入射光の角度θは、次式により求めるこ′とがで
きる。

θ−５ｉｎ−’　　（）　　　　　　　　　　　・−−
・・■ここで、Ｒは参照面の曲率半径、ｈは参照面上の
入射光線高さ（第４図参照）である。

また、Δのシフト前において、入射波面の曲率中心Ａｏ
と被測定面６ａの曲率中心とが一致していない場合でも
、シフト前後の反射光束におけるデフォーカスの差分を
同様にして求めることができ、これがｐとなる。

このようにして求めたｐを０式に代入すれば、Δは既知
であるから、被測定面の曲率半径ｒを求めることができ
る。また、各面データの一次回帰直線からのずれは、面
粗さ、面のうねり等の面精度を示し、本発明によって面
精度と面形状（曲率半径）の両方を求めることが可能に
なる。

以上の面データの解析は、コンピュータを用いたフーリ
エ変換法やフリンジ走査法等によって非常に高速に解析
できるので、曲率半径ｒの算出等も当然に高速で求める
ことができる。また、上記の説明から明らかなように、
本発明は曲率半径の大きなものを測定する場合でも、対
物レンズ５をわずかな量Δだけ移動させればよく、装置
も簡単になる。

なお、式のは反射波面の球面収差を考慮していないが、
球面収差を考慮することによって、より精度の高い計測
が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、対物レンズ又は被
測定物を光軸上でわずかにシフトさせることで被測定面
の曲率半径を簡単に測定できる。

また、面形状ばかりでなく、面精度の測定も同時に行え
るという格別の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定装置の構成を示す正面図、第２図
、第３図は対物レンズの駆動手段の構成を示す図、 第４図は対物レンズ又は被測定物を光軸上でシフトさせ
た場合の入射波面の曲率中心の移動する状態を示す図、 第５図は対物レンズ又は被測定物を光軸上でシフトさせ
た場合の面データの測定結果を示す線図、 第６図は被測定面の曲率半径を求める従来の方法を説明
する図である。 ｌ・・・光源、５・・・対物レンズ、５ａ・・・参照面
、６・・・被測定物、６ａ・・・被測定面、８・・・イ
メージセンサ、９・・・駆動手段。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一光源からの可干渉光を対物レンズを介して被
   測定面と基準になる参照面とに照射し、これら両面から
   の反射波面を干渉させ、干渉縞を形成して被測定面の面
   形状及び面精度を測定する方法において、 前記参照面を干渉縞のコントラストが低下しない程度に
   光軸上でわずかにシフトし、該シフト前後の干渉縞をイ
   メージセンサ上に結像し、イメージセンサの出力からシ
   フト前後の面情報を得て、該面情報の変化から可干渉光
   のフォーカス位置について差分を求め、シフト量とフォ
   ーカス位置の差分とから被測定面の曲率半径を求めるこ
   とを特徴とする曲面における曲率半径の測定方法。
2. （２）同一光源からの可干渉光を対物レンズを介して被
   測定面と基準になる参照面とに照射し、これら両面から
   の反射波面を干渉させ、干渉縞を形成して被測定面の面
   形状及び面精度を測定する装置において、 対物レンズに参照面を設けると共に、該対物レンズを光
   軸に沿って所望距離だけ微小移動できる駆動手段を設け
   たことを特徴とする曲面における曲率半径の測定装置。
3. （３）対物レンズの駆動手段がピエゾ素子、リニヤモー
   タ、ボイスコイルの何れかを利用することを特徴とする
   請求項２記載の曲面における曲率半径の測定装置。