JPH1151624A - 面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸対象非球面等の面形状を計測するのに好適
な面形状測定装置を得ること。 【解決手段】 被測定物を対称軸回りに回動可能な割り
出しテーブルと被測定物の対称軸に直交する方向に移動
可能な直線スライダと、該直線スライダ上にあって、該
被測定物の対称軸と直線スライダの移動軸に直交する軸
廻りに回転可能な回転テーブルと、該回転テーブル上に
あって被測定物表面までの距離を光学的に測定する測定
ヘッドを有し、該被測定物の表面形態を該直線スライダ
の位置と該回転テーブルの回転角と該測定ヘッドからの
測定距離、そして該割り出しテーブルの回転角の４つの
測定データから演算により求めること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面形状測定装置に
関し、例えば、カメラ、ビデオ、半導体素子製造装置な
どに用いられる比較的大口系のレンズ、ミラー等の光学
部材の面形状を計測するものであり、特に非球面の形状
を計測するのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レンズやミラー等の光学部材
の面形状を３次元的に測定する面形状測定装置が種々と
提案されている。

【０００３】図１２は特開昭63-223513 号公報で提案さ
れている面形状測定装置の要部概略図である。

【０００４】同図において９０１はベース定盤、９０２
は旋回軸受、９０３はエンコーダ、９０４は旋回ガイ
ド、９０５旋回スライドはλ／４板、９０６はＲ合わせ
ガイド、９０７はＲ合わせスライド、９０８は割り出し
軸受、９０９は割り出し軸モーター、９１０は粗動ガイ
ド、９１１は粗動スライド、９１２は粗動モーター、９
１２ａはねじ、９１３は粗動格子スケール、９１４は格
子ピッチ読み取り装置である。

【０００５】９１５は微動ガイド、９１６は微動スライ
ド、９１７は微動モータ、９１８は微動格子スケール、
９１９は格子ピッチ読み取り装置、９２０はオートフォ
ーカス顕微鏡、９３０は被測定物、９４１は対物レン
ズ、９２１は旋回軸、９２２は割り出し軸である。

【０００６】同装置においてはベース定盤９０１上に搭
載された旋回軸受９０２、旋回ガイド９０４、旋回スラ
イド９０５の作用により、被測定物９３０およびＲ合わ
せガイド９０６、Ｒ合わせスライド９０７が旋回軸受９
０２の回転軸９２１を中心として旋回出来るように構成
されている。

【０００７】この旋回スライド９０５上に搭載されたＲ
合わせスライド９０７の位置を調整することにより、被
測定物９３０の曲率中心と旋回軸９２１を一致させてい
る。

【０００８】一方同じベース定盤９０１上に搭載された
粗動スライド９１１、微動スライド９１６、オートフォ
ーカス顕微鏡９２０は被測定物９３０の表面上にオート
フォーカスを実施し、被測定物９３０の旋回移動または
割り出し回転中の表面からの距離を一定に保つようにサ
ーボされている。

【０００９】従って、被測定物９３０に対するオートフ
ォーカス顕微鏡９２０の相対位置を微動格子スケール９
１８と粗動格子スケール９１３の読み取り値から測定し
て、被測定物９３０形状の基準円からのズレを計測して
いる。

【００１０】このとき、被測定物９３０の割り出し回転
をしないで旋回移動のみを行えば被測定物３０の断面形
状が測定され、割り出し回転と旋回回転を併用して同心
円またはスパイラル走査をして全面形状を測定すること
が出来るようにしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示す面形状測
定装置には次のような問題点があった。 （Ａ１）被測定物がレンズ面であり、その曲率半径Ｒが
大きい場合、Ｒ合わせスライドのストロークを延長しな
ければならず、装置が巨大になり重量、設置面積などの
点で不利となる。 （Ａ２）オートフォーカス顕微鏡の測定可能レンジはわ
ずかであるため、測定のためには被測定物の表面の近傍
まで顕微鏡ヘッドを近づけなければならず、曲率半径Ｒ
の測定可能レンジに相当する直線移動ストロークが粗動
スライドに必要となる。したがって、（Ａ１）と同様に
装置が巨大になり重量、設置面積などの点で不利とな
る。 （Ａ３）被測定物の非球面が大きく、面傾斜が基準球面
からずれて急峻な場合、オートフォーカス顕微鏡の対物
レンズもＮＡの大きなものを使う必要が出てくるが、一
般にＮＡが大きいと、ワークディスタンスが短くなるた
め対物レンズと被測定物の間隔が狭くなり、ぶつかって
しまう。 （Ａ４）球面レンズではＲ１面（表面）、Ｒ２面（裏
面）の加工後にそれぞれの球面中心を結んだ線を軸（光
軸）として外周を加工することで偏心を除去できるが、
回転対象の飛球面レンズでは一つの面で軸が決定されて
しまうために、もう一つのレンズ面の中心または軸を一
致させるには、どちらかの面形状を修正しなければなら
ない。そのためには両面の形状を同じ座標空間の中で比
較する必要があるが、従来例では片面の形状が測定され
るだけであり、両面測定するためには被測定物を裏返し
て再度チャックする必要があり、チャックの誤差が発生
する。本発明は、被測定物として曲率半径の大きいレン
ズ面であっても、装置全体の小型化を図りつつ、被測定
物に接触することなく高精度に面形状を測定することが
できる光測定ヘッド及び面形状測定装置の提供を目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の面形状測定装置
は （１−１）被測定物を対称軸回りに回動可能な割り出し
テーブルと被測定物の対称軸に直交する方向に移動可能
な直線スライダと、該直線スライダ上にあって、該被測
定物の対称軸と直線スライダの移動軸に直交する軸廻り
に回転可能な回転テーブルと、該回転テーブル上にあっ
て被測定物表面までの距離を光学的に測定する測定ヘッ
ドを有し、該被測定物の表面形態を該直線スライダの位
置と該回転テーブルの回転角と該測定ヘッドからの測定
距離、そして該割り出しテーブルの回転角の４つの測定
データから演算により求めることを特徴としている。 （１−２）被測定物を対称軸回りに回動可能な割り出し
テーブルと被測定物の対称軸に直交する方向に移動可能
なスライダと、該直線スライダ上にあって、該被測定物
の対称軸と直線スライダの移動軸に直交する軸廻りに回
転可能な回転テーブルと、該回転テーブル上にあって被
測定物表面までの距離を光学的に測定する測定ヘッドを
該被測定物の表裏面に各々設け、該被測定物の面情報を
該直線スライダの位置と該回転テーブルの回転角と該測
定ヘッドからの測定距離、そして該割り出しテーブルの
回転角の４つの測定データから演算により求めることを
特徴としている。

【００１３】（１−３）被測定物を回動させるための第
１テーブルと、該第１テーブル上の被測定物表面までの
距離を測定するための光学的測長手段と、該光学的測長
手段の少なくとも光束出射部を該第１テーブルの回転軸
に交差する方向に直動させると共に該直動方向と前記第
１テーブルの回動の回転軸方向とに交差する軸周りに回
動させるための第２テーブルと、を有し、前記第１テー
ブル回動時に前記第２テーブルによって前記光学的測長
手段の光束出射方向を調整しながら光束出射位置を変化
させて該光学的測長手段で測長を実行することにより、
前記被測定物の面形状測定を実行することを特徴として
いる。

【００１４】（１−４）被測定物までの距離を測定する
ための光学的測長手段と、該光学的測長手段の少なくと
も光束出射部を被測定物表面に大まかに沿った方向に直
動させると共に該直動方向に交差する軸回りに回動させ
るための回転テーブルとを有し、前記回転テーブルによ
って前記光学的測長手段の光束出射方向を調整しなが該
光学的測長手段で測長を実行することにより、前記被測
定物の面形状測定を実行することを特徴としている。

【００１５】（１−５）被測定物までの距離を測定する
為の光学的測長手段と、該光学的測長手段の前記被測定
物体への光束出射位置を光束出射方向を調整しながら変
化させる光束出射手段とを有することを特徴としてい
る。

【００１６】（１−６）被測定物での距離を測定するた
めの光学的測長手段と、被測定物を回動させるための割
り出しテーブルと、該割り出しテーブル回動時に前記光
学的測長手段の前記被測定物体への光束出射位置を変化
させ、かつ光束出射方向を前記被測定面の被測定点での
法線方向と一致させるように調整する光束調整手段とを
有することを特徴としている。

【００１７】本発明の光測定ヘッドは、 （２−１）予め設定した面から被測定物までの距離の変
化を光路長変化から測定するレーザー干渉測長器と、該
レーザー干渉測長器の一部を介した光束が、該被測定物
の表面で常にＣａｔ’ｓ ｅｙｅ反射するように合焦を
検出し、焦点位置を制御するとともに、測定位置での被
測定面法線が常に一致するように該光束の反射位置の面
傾斜を検出する面情報検出手段とを有していることを特
徴としている。

【００１８】特に （２−１−１）前記面情報検出手段は、前記光束の光軸
方向に移動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレ
ンズに対して該被測定物側と反対側に配置したピンホー
ルと、該ピンホールと該フォーカスレンズを通して被測
定物の表面に照射した光が、再び該フォーカスレンズと
該ピンホールを通ってその光量と入射位置を検出する光
点位置検出器とを有し、該光点位置検出器の出力信号の
うち光量信号を該被測定物の合焦検出に使用し、光点位
置を被測定物の面傾斜検出に使用する事を特徴としてい
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の面形状測定装置の
実施形態１の要部正面図、図２は図１の要部側面図であ
る。図３は図１のレーザー測長器ヘッド（光測定ヘッ
ド）の要部概略図である。

【００２０】同図において、１は直線スライダ、２は回
転テーブル、３はレーザー測長器ヘッド、４は割り出し
テーブル、５は被測定物アライメント用ＸＹステージ、
６はワークホルダ、７は回転テーブル駆動用モーター、
８は回転テーブル回転角検出用エンコーダー、１０は被
測定物頂点位置検出器、２０は測定プローブ光（光
束）、３０は被測定物、４０は直線スライダ移動距離測
定用レーザー測長器光源、４１は直線スライダ移動距離
測定用反射ミラー、４２、４３はスライダ移動距離測定
用干渉計、５０は直線スライダ駆動用モーター、５１は
直線スライダ駆動用ボールねじ、９０はベース定盤、９
１ａ、９１ｂは支柱、９２は梁である。

【００２１】本実施形態では、ベース定盤９０上の両端
に２本の支柱９１ａ、９１ｂが配置してあり、該支柱９
１ａ、９１ｂによって梁９２が定盤９０の表面と平行に
支持されている。直線スライダ１は前記梁９２上に設け
たガイドレールに沿って移動するように配置され、ボー
ルねじ５１、駆動用モーター５０により駆動されてい
る。この直線スライダ１の移動距離はレーザー測長器
（４０、４１、４２、４３）により精密に測定されてお
り、そのために干渉計４２、４３が支柱９１ａ上に配置
され、反射ミラー４１が直線スライダ１上に配置されて
いる。直線スライダ１の移動距離を測定するために２系
統の干渉計４２、４３でレーザー測長を行って、これに
より直線スライダ１のピッチング誤差を補正している。

【００２２】直線スライダ１上には回転テーブル２が配
置されており、駆動用モーター７により駆動され、その
回転角度は軸に直結した回転角検出用のエンコーダ８に
より回転角度が精密に計測されている。

【００２３】回転テーブル２上にはレーザー測長器ヘッ
ド（測定ヘッド）３が配置され、それより射出されるプ
ローブ光２０が軸対称な被測定物３０を半径方向に走査
できるようにしてある。

【００２４】一方ベース定盤９０上のほぼ中央に割り出
しテーブル４が配置され、該割り出しテーブル４上に割
り出しテーブル回転軸と被測定物３０の回転対称軸をア
ライメントするためのＸＹテーブル５が配置され、該Ｘ
Ｙテーブル５上にワークホルダ６が配置され、該ワーク
ホルダ６上に被測定物３０が載置されている。

【００２５】前記測定ヘッド３からのプローブ光２０と
前記割り出しテーブル４の回転軸は直線スライダ１と回
転テーブル２の初期位置において、一致するように精密
に調整してある。

【００２６】さらに、梁９２上に被測定物３０の頂点位
置を測定する被測定物の頂点位置を検出する為のハイト
ゲージ等の頂点位置検出器（補助測定装置）１０が配置
してあり、これは被測定物３０をアライメント後、測定
プローブ光２０の光路に挿入し、測定終了後に測定プロ
ーブ光２０の光路から外れるように移動可能となってい
る。

【００２７】図９は図１の一部分の測定方法を示す拡大
説明図である。

【００２８】同図において、被測定物３０の軸（Ｚ）に
対し、前記直線スライダ１は直交方向（Ｘ）に移動可能
となっており、前記回転テーブル２は被測定物３０の軸
と直線スライダ１の移動軸に直交する軸（Ｙ）廻りに回
転可能となるように配置してある。この配置において、
軸対象な被測定物３０の回転対称軸が測定プローブ光２
０の走査する面（ＸＺ平面）上に来るように調整してい
る。

【００２９】従って、この構成において直線スライダ１
と回転テーブル２の位置を適切に組み合わせることによ
り同図のＸＺ平面により切り取られる被測定物３０の一
断面に対し、常に被測定物３０の面の法線と測定プロー
ブ光２０を一致させることができるようにしている。

【００３０】この状態において、まず測定プローブ光２
０と被測定物軸（Ｚ軸）を一致させるように直線スライ
ダ１と回転テーブル２の位置および被測定物３０の位置
を調整し、そのときの被測定物３０の頂点位置を頂点位
置検出器１０で測定した後、レーザー測長器ヘッド３内
に設けた反射光軸位置測定センサ（不図示）により、被
測定物３０で正反射して戻ってきた光の位置が一定にな
るように直線スライダ１と回転テーブル２にサーボをか
ける。

【００３１】レーザー測長器ヘッド３の初期値として前
記頂点位置検出器１０で測定した値をプリセットし直線
スライダ１の位置カウンタを０にリセット、回転テーブ
ル２の回転角カウンタを９０度にプリセットし、測定初
期状態とする。

【００３２】次に直線スライダ１を位置サーボにより動
かしながら測定プローブ光２０が常に被測定物３０の法
線と一致するように回転テーブル２をサーボし、同時刻
の割り出しテーブルの回転角、直線スライダ位置、回転
テーブル回転角度、レーザー測長器で得た測定距離を読
み込み、演算により測定プローブ光２０が当たっている
位置の空間座標を算出する。

【００３３】図１１に空間座標計算の説明図を示す。

【００３４】同図においてＬ₀は測定初期状態のレーザ
ー測長器３のプリセット値、Ｌは任意の位置におけるレ
ーザー測長器３の読み取り値、Ｓは直線スライダ１の移
動距離、θは回転テーブル２の回転角を表す。

【００３５】被測定物３０の頂点に原点を取り、半径方
向をＸ、軸方向をＺとするれば、同図より明らかに Ｘ＝Ｓ−Ｌｃｏｓθ…（１） Ｚ＝Ｌｓｉｎθ−Ｌ₀ …（２） となり、被測定物３０の頂点を含む１断面の空間座標が
測定できる。

【００３６】被測定物３０を被測定物の割り出しテーブ
ル４を用いて軸廻りに回転して断面を測定して、これに
より被測定物３０の３次元形状を測定している。

【００３７】次に図３を用いて、測定ヘッド（光測定ヘ
ッド）３の光学構成について説明する。

【００３８】同図において、３０１は光源からの２周波
光を導光する偏波面保存機能のある光ファイバー、３０
２は光ファイバー３０１から射出した光をコリメートす
るコリメータレンズ、３０３は２周波光を空間的に分離
する偏向ビームスプリッタ、３０４ａ、３０４ｂは直線
偏向を円偏向に変換するλ／４板、３０５は片面（同図
においては右側の面）が高精度に平面研磨された非コー
ト面３０５ａ、もう片面が反射防止コートされた平面で
あるところの参照平面板３０５ｂ、３０６は集光レン
ズ、３０７は折り曲げミラー、３０８は集光レンズ、３
０９はピンホール、３１０は光軸方向（矢印方向）に移
動可能で被測底面３０上に測定光２０を集光させるフォ
ーカスレンズ、３１１は集光レンズ、３１２は直交する
偏向成分の光を干渉させる偏光板、３１３は光の強度変
化を検出するフォトディテクタ、３１４は光の強度と入
射光の光点位置を検出する光点位置検出器、３２０はフ
ォーカスレンズ３１０を光軸方向に駆動する直動スライ
ダ、３２１は該直動スライダをガイドする直線ガイドで
ある。

【００３９】光源部で作られたレーザー測長用の２周波
光は偏波面保存用の光ファイバー３０１によって偏光関
係を保ったままフレキシブルに測定ヘッド３に導光さ
れ、光ファイバー３０１の出射端から射出された拡散光
はコリメータレンズ３０２の作用により平行光に変換さ
れ、偏光ビームスプリッタ３０３に入射する。

【００４０】偏光ビームスプリッタ３０３は直交する直
線偏光を反射成分と透過成分に分離する作用があるの
で、２周波光のうち一方の周波数の光Ｌａ１はそのまま
直進してλ／４板３０４ａに進み、λ／４板の作用で円
偏光に変換され、その一部は参照平面板３０５の非コー
ト面３０５ａで反射され、同じ光路を戻りλ／４板３０
４ａで再び直線偏光に変換され偏光ビームスプリッタ３
０３に戻るが、偏光方位が９０度回転しているので今度
は反射されて上方（フォトディテクタ３１３方向）へ向
かい、集光レンズ３１１、偏光板３１２を通ってフォト
ディテクタ３１３に入射する。この光を参照光ＬＲと呼
ぶ。

【００４１】２周波光のうちもう一方の光Ｌａ２は反射
されて、下方へ向かい、λ／４板３０４ｂを通過して円
偏光に変換された後、集光レンズ３０６を通ってピンホ
ール３０９の近傍で一度収束した後、拡散光となるが、
フォーカスレンズ３１０の作用で再び収束光となり被測
定物３０の表面に向かうが、ちょうど表面で収束するよ
うに調整される場合、Ｃａｔ’ｓ ｅｙｅ反射となり、
同じ光路を戻ってフォーカスレンズ３１０、ピンホール
３０９、集光レンズ３０６を通ってλ／４板３０４ｂで
再び直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ３０３
に戻るが、偏光方位が９０度回転しているために、今度
は直進して上方へ進み、集光レンズ３１１、偏光板３１
２を通ってフォトディテクタ３１３に入射する。この光
を測定光ＬＳと呼ぶ。（尚、本実施形態では測定光ＬＳ
は測定光（測定プローブ光）２０と同じである。） 前記参照光ＬＲと測定光ＬＳは偏光方位が直交している
が、偏光板３１２を介し、その作用により干渉させるこ
とができて、差周波に相当する周波数のビート信号がフ
ォトディテクタ３１３で検出される。

【００４２】光源部分で取り出したビート信号を基準と
して前記フォトディテクタ３１３で検出したビート信号
の位相を測定すると測定光ＬＳの光路長変化が測定で
き、測定ヘッド３と被測定物３０表面との距離変動が検
出可能となる。

【００４３】このとき、測定光ＬＳの波長をλとして距
離変化ｄと検出位相φ（ｒａｄ）には φ＝４πｄ／λ…（３） という関係になり、これにより高精度な距離変化を測定
している。

【００４４】本実施形態では、以上の各要素３０１〜３
０６、３０９〜３１３は予め設定した面（例えば各要素
が収納されている筐体ＴＳの面ＴＳａ）から被測定物３
０の表面までの距離情報を測定するレーザー干渉測長器
の一要素を構成している。

【００４５】ところで、λ／４板３０４ａを通過した円
偏光は、参照平面板３０５の非コート面３０５ａを透過
し、折り曲げミラー３０７、集光レンズ３０８を通って
ピンホール３０９近傍で一旦収束してピンホール３０９
を通過し、フォーカスレンズ３１０で再び収束されて被
測定物３０の表面でＣａｔ’ｓ ｅｙｅ反射し、違う光
路を通ってフォーカスレンズ３１０に戻り、再びピンホ
ール３０９を通って光点位置検出器３１４に入射する。

【００４６】ここで用いている光点位置検出器３１４は
本来の光点位置に比例するアナログ信号の他に、入射す
る光量に比例するアナログ信号も検出できるようになっ
ている。

【００４７】いまフォーカスレンズ３１０の位置が不適
当で、測定光２０が被測定物３０の表面で集光していな
い場合、その共役点であるところのピンホール３０９の
位置に戻ってきた光は収束しておらず、したがってピン
ホール３０９を通過した光の光量は減少し、光点位置検
出器３１４の光量信号が減少する。

【００４８】また、被測定物３０上の被測定点の法線と
測定光軸が一致していないと、光点位置検出器３１４の
光点位置信号が変化する。

【００４９】そこで本実施形態では、光点位置検出器３
１４で得られる光量信号をオートフォーカス信号とし、
光点位置信号を面傾斜信号としている。

【００５０】本実施形態において、各要素３０１〜３０
５、３０７〜３１０、３１４は被測定物３０とフォーカ
スレンズ３１０との合焦状態を検出するとともに、被測
定物３０の面傾斜を検出する面情報検出手段の一要素を
構成している。

【００５１】次に、本実施形態のシステム構成について
図４を用いて説明する。同図において、１００は装置全
体を制御するコンピュータ、１０１は測定プローブ光２
０を被測定物３０の面上でフォーカスさせるためのオー
トフォーカスサーボ用のサーボドライバ、１０２は測定
プローブ光２０の光軸と測定点の面法線を一致させるた
めの回転テーブルサーボドライバ、１０３は直線スライ
ダ１を所定の位置に移動させるための直線スライダドラ
イバ、１０４は被測定物３０を光軸まわりに回転移動さ
せるための割り出しテーブルドライバである。

【００５２】先述の、直線スライダ移動距離データ、回
転テーブル回転角データ、測定プローブ距離データはコ
ンピュータ１００に適当なインターフェースを介して取
り込まれている。

【００５３】測定ヘッド３に設けられた光点位置検出器
３１４より得られるオートフォーカス信号は、フォーカ
スサーボドライバ１０１に送られ、フォーカスレンズ３
１０を駆動して常に測定プローブ光２０が被測定物３０
の表面でフォーカスするようにサーボされる。但し、被
測定物３０が無いときや、サーボ信号が途切れたときに
サーボをオフできるようにコンピュータ１００からのサ
ーボオン・オフ信号がサーボドライバ１０１に送出され
る。

【００５４】面傾斜信号は、回転テーブルサーボドライ
バ１０２に送られ、回転テーブル２を駆動して常に測定
プローブ光２０が被測定点法線と一致するようにサーボ
される。但し、被測定物３０が無いときや、サーボ信号
が途切れたときにサーボをオフできるようにコンピュー
タ１００からのサーボオン・オフ信号がサーボドライバ
１０１に送出される。

【００５５】直線スライダ１はコンピュータ１００の指
令により、任意の位置に移動可能なように直線スライダ
ドライバ１０３を介して駆動モータ５０、ボールねじ５
１が作動する。

【００５６】割り出しテーブル４はコンピュータ１００
の指令により、任意の回転角度位置に移動可能なように
割り出しテーブルドライバ１０４を介して回動する。

【００５７】次に本実施形態の測定動作の初期手順につ
いて図５のフローチャートを用いて説明する。

【００５８】本実施形態の面形状測定装置においては、
測定を開始する前に次のような初期設定を行っている。

【００５９】まず、被測定物３０の設計形状データを入
力する。これは最終的な測定結果を設計形状との差の形
式で表現するためである。

【００６０】次に、被測定物３０をワークホルダ６にセ
ットし、割り出しテーブル４を回転させながら被測定物
３０の表面を不図示の変位センサなどを用いて表面変位
の回転に伴う変化が最も小さくなるようにＸＹテーブル
５を調整し、割り出しテーブル４の回転軸と被測定物軸
を一致させる。

【００６１】ここで、頂点位置検出器１０を光路に挿入
し、測定ヘッド３に対する被測定物頂点位置の絶対距離
を測定する。これはレーザー干渉測長器の初期カウンタ
のプリセット値を決定するためである。

【００６２】次に、測定ヘッド３を初期位置、すなわち
割り出しテーブル４の回転軸とプローブ光軸が一致する
位置にセットし、フォーカスを確認した後、フォーカス
サーボドライバ１０１と回転テーブルサーボドライバ１
０２の機能をオンにする。

【００６３】ここで、先述の頂点位置検出器１０での測
定結果をもとにレーザー干渉測長器のカウンタをプリセ
ットする。

【００６４】また、この位置での直線スライダ位置カウ
ンタをリセットし、回転テーブル回転角カウンタ、割り
出しテーブル回転角カウンタもリセットする。

【００６５】これで、初期設定が完了し、次に図６に示
す測定シーケンスに入る。

【００６６】ここでは、同心円状に測定しいていく場合
の測定シーケンスについて説明する。

【００６７】まず被測定物半径方向に測定点を所定ステ
ップ移動するために、フォーカスサーボと回転テーブル
サーボをかけたままで、直線スライダ１を移動する。

【００６８】次に割り出しテーブル４を回転させ、所定
の回転角ピッチで直線スライダ位置、回転テーブル回転
角、測定プローブ距離のデータを取り込み、（１）、
（２）式で計算される被測定物３０の表面座標を保存す
る。なお、この計算は全データ取得後に行ってもよい。

【００６９】割り出しテーブル４の一回転分のデータを
取り終えたら、被測定物半径方向にさらにステップ移動
して同じ測定を繰り返す。

【００７０】全面のデータが揃ったら、３次元形状デー
タとして整理し、設計形状からの誤差を計算して結果を
表示する。

【００７１】この計算においては必要に応じて曲率半径
も計算可能である。

【００７２】全面スキャンの方法は、この他にもスパイ
ラル状、断面を割り出し角を変えながら測定していく方
法などが適用可能である。

【００７３】図７は本発明の面形状測定装置の実施形態
２の要部正面図、図８は図７の要部側面図である。

【００７４】図中、図１、図２で示した要素と同一要素
には同符番を符している。

【００７５】本実施形態は、実施形態１に比べて、２つ
の直線スライダ１ａ、１ｂレーザー測長ヘッド（光測定
ヘッド）３ａ、３ｂ等を設けて、被測定物３０の表裏面
の面形状を測定している点が異なっているだけであり、
その他の構成は基本的に同じである。

【００７６】同図において、１ａ、１ｂは直線スライ
ダ、２ａ、２ｂは回転テーブル、３ａ、３ｂはレーザー
測長器ヘッド、４は割り出しテーブル、５は被測定物ア
ライメント用ＸＹステージ、６はワークホルダー、７
ａ、７ｂは回転テーブル駆動用モーター、８ａ、８ｂは
回転テーブル回転角検出用エンコーダー、１０ａ、１０
ｂは被測定物頂点位置検出器、２０ａ、２０ｂは測定プ
ローブ光、３０は被測定物、４０は直線スライダ移動距
離測定用レーザー測長器光源、４１ａ、４１ｂは直線ス
ライダ移動距離測定用反射ミラー、４２ａ、４２ｂ、４
３ａ、４３ｂはスライダ移動距離測定用干渉計、５０
ａ、５０ｂは直線スライダ駆動用モーター、５１ａ、５
１ｂは直線スライダ駆動用ボールねじ、９０はベース定
盤、９１ａ、９１ｂは支柱、９２は梁、９３はワークス
テージ支柱である。

【００７７】図中、ベース定盤９０上に２本の支柱９１
ａ、９２ｂが配置してあり、該支柱９１ａ、９１ｂによ
って梁９２が定盤９０の表面と平行に支持されている。

【００７８】直線スライダ１ａは、前記梁９２上に設け
たガイドレールに沿って移動するように配置され、ボー
ルねじ５１ａ、駆動用モーター５０ａにより駆動されて
いる。この直線スライダ１ａの移動距離はレーザー測長
器（４０、４１ａ、４２ａ、４３ａ）により精密に測定
されており、そのために干渉計４２ａ、４３ａが支柱９
１ａ上に配置され、反射ミラー４１ａが直線スライダ１
ａ上に配置されている。直線スライダ１ａの移動距離を
測定するために２系統のレーザー測長を行って、直線ス
ライダ１ａのピッチング誤差を補正している。

【００７９】直線スライダ１ａ上には回転テーブル２ａ
が配置されており、駆動用モーター７ａにより駆動さ
れ、回転角度は軸に直結した回転角検出用のエンコーダ
８ａにより回転角度を精密に計測している。回転テーブ
ル２ａ上にはレーザー測長器ヘッド（測定ヘッド）３ａ
が配置され、プローブ光２０ａが軸対象な被測定物３０
を半径方向に走査できるようにしてある。

【００８０】直線スライダ１ｂは前記ベース定盤９０上
に設けたガイドレールに沿って移動するように配置さ
れ、ボールねじ５１ｂ、駆動用モーター５０ｂにより駆
動される。この直線スライダの移動距離はレーザー測長
器（４０、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ）により精密に測定
されており、そのために干渉計４２ｂ、４３ｂが支柱９
１ａ上に配置され、反射ミラー４１ｂが直線スライダ１
ｂ上に配置されている。直線スライダ１ｂの移動距離を
測定するために２系統のレーザー測長を行って、直線ス
ライダ１ｂのピッチング誤差を補正している。

【００８１】直線スライダ１ｂ上には回転テーブル２ｂ
が配置されており、駆動用モーター７ｂによって駆動さ
れ、回転角度は軸に直結した回転角検出用のエンコーダ
８ｂにより回転角度を精密に計測している。

【００８２】回転テーブル２ｂ上にはレーザー測長器ヘ
ッド（測定ヘッド）３ｂが配置され、プローブ光２０ｂ
が軸対象な被測定物を半径方向に走査できるようにして
ある。

【００８３】一方ベース定盤９０上ほぼ中央にワークス
テージ支柱９３を介して割り出しテーブル４が配置さ
れ、該割り出しテーブル４上に割り出しテーブル回転軸
と被測定物の回転対称軸をアライメントするためのＸＹ
テーブル５が配置され、該ＸＹテーブル５上にワークホ
ルダ６が配置され、該ワークホルダ６上に被測定物３０
が載置されている。

【００８４】この割り出しテーブル４、ＸＹテーブル
５、ワークホルダ６は実施形態１と機能的には同一のも
のであるが、被測定物３０を下からも測定可能なように
被測定物３０の下側があくように配置されている。

【００８５】前記プローブ光２０ａ、２０ｂと前記割り
出しテーブル４の回転軸は直線スライダ１ａ、１ｂと回
転テーブル２ａ、２ｂの初期位置において、一致するよ
うに精密に調整してある。

【００８６】さらに、梁９２上に被測定物３０の頂点位
置を測定する頂点位置検出器（補助測定装置）１０ａ、
１０ｂが配置してあり、これは被測定物３０をアライメ
ント後、測定プローブ光２０ａ、２０ｂの光路に挿入
し、測定終了後測定プローブ光２０ａ、２０ｂの光路の
から外れるように移動可能となっている。

【００８７】図１０は図７の一部分の測定方法を示す拡
大説明図である。

【００８８】図１０に示すように測定ヘッド３ａ、３ｂ
を被測定物３０の上下面側に設けることにより、面形状
とともに、被測定物３０の偏心を高精度に測定すること
を可能としている。

【００８９】同図において、記号１ｂ、２ｂ、３ｂ、１
０ｂ、２０ｂはそれぞれ、１ａ、２ａ、３ａ、１０ａ、
２０ａと同じ手段、作用を持ったものであり、これらは
図９で示した要素１、２、３、１０、２０ですでに説明
したとおりである。但し、直線スライド１ｂは直線スラ
イド１ａに対して平行度が高精度に調整してあり、回転
テーブル２ｂの回転軸と回転テーブル２ａの回転軸も平
行度が高精度に調整してある。また上下の測定プローブ
光軸は測定初期状態において、被測定物３０の割り出し
テーブル４の回転軸と高精度に一致するように調整され
ている。

【００９０】このように上下の測定ヘッド３ａ、３ｂの
光軸、運動軸を高精度に一致するように調整しておくこ
とで、上下面の結果は異なる測定ヘッド３ａ、３ｂによ
るものではあるが、同一の座標空間において測定された
ものと見なすことができる。

【００９１】したがって、測定した上下面の形状データ
は、相対的な空間的位置関係を直接比較することがで
き、これにより一方の面（非球面）を基準にした他方の
面の偏心を測定している。

【００９２】同図における測定ヘッド３ａ、３ｂは実施
形態１で説明したレーザー測長器ヘッド３と同一のもの
であり、被測定物３０の表面でのプローブ光フォーカス
情報と面傾斜情報に対応した信号を出力するとともに、
初期位置からの光路長の変化が検出可能となっている。

【００９３】本構成においては独立した測定ヘッド３
ａ、３ｂが被測定物３０の上下に配置されているため、
被測定物３０をワンチャックで両面測定が可能となって
いる。２つの独立した測定ヘッド３ａ、３ｂが移動軸の
平行度などの配置関係と初期位置でのプローブ光軸の一
致度合いを管理されており、それぞれの面の空間的位置
関係がほぼ同一の装置基準で比較できるようにして、面
形状と共に、偏心が測定可能となっている。

【００９４】独立した２つの測定ヘッド３ａ、３ｂを持
つ本構成の場合、測定シーケンスを工夫することによ
り、測定精度を向上させている。

【００９５】例えば、一方の測定ヘッド画面形状を測定
している間、他方の面測定用ヘッドを割り出し回転テー
ブルの回転軸とプローブ光軸が一致する位置に固定し、
取得されるデータを面形状データから逐次差し引くこと
により、割り出し回転テーブル４の上下動に起因する測
定誤差を排除するようにしている。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば以上説明したように、各
要素を設定することにより、被測定物として曲率半径の
大きいレンズ面であっても、装置全体の小型化を図りつ
つ、被測定物に接触することなく高精度に面形状を測定
することを達成している。

【００９７】この他本発明では、 （Ｂ１）被測定レンズの軸に直交する直線スライダと該
直線スライダ上にレンズ軸と直線スライダ軸の両軸に直
交する軸まわりに回転可能な回転テーブルを設け、該回
転テーブル上にレーザー測長器の測定ヘッドを搭載す
る。 （Ｂ２）被測定レンズは、その軸まわりに回転可能な割
り出しテーブル上に搭載される。 （Ｂ３）レーザー測長器の測定ヘッドはオートフォーカ
ス機能を有し、常に被測定レンズ表面でCat's eye 反射
するように制御される。 （Ｂ４）レーザー測長器の測定ヘッドはその測定光軸が
常に被測定物の測定位置における法線と一致するように
前記直線スライダと回転テーブルの２自由度をトラッキ
ング制御し、レーザー測長器の信号が途切れないように
する。 （Ｂ５）前記直線スライダの移動距離、回転テーブルの
回転角度、レーザー測長器の光路長変化の３つの主デー
タおよび誤差補正用の副データから測定位置の空間的座
標を算出する。 （Ｂ６）前記直線スライダと回転テーブルの運動の組み
合わせで被測定レンズの半径方向を走査し、前記割り出
しテーブルの運動により被測定レンズの周方向の捜査を
行うことで被測定面全面の形状を測定する。 （Ｂ７）以上述べた構成の測定ヘッドを被測定レンズの
裏面側にも同様に構成し、被測定レンズの着脱無しに両
面を測定する。こと等の構成を取ることにより、 （Ｃ１）被測定物の曲率半径Ｒが大きい場合でも、移動
ステージのストロークは短くて済み、装置が巨大になら
ず、重量、設置面積などが大幅に縮小される。 （Ｃ２）測定ヘッドであるレーザー測長器は測定可能レ
ンジが長く取れるため、測定ヘッドを被測定物表面の近
傍まで近づける必要がなく、被測定物との接触に起因す
る被測定形状の制約が無くなると共に、接触事故による
装置、測定物のダメージが回避される。 （Ｃ３）光プローブによる非接触測定であるため、被測
定物を傷つける恐れが無く、高速な測定が可能となる。 （Ｃ４）２つの測定ヘッドを有する構成では、被測定物
の形状、曲率半径だけでなく、偏心も測定可能であり、
非球面を含むレンズ測定では本装置だけで単レンズの評
価がすべて可能となる。 （Ｃ５）２つの測定ヘッドを有する構成では、一方のヘ
ッドが形状測定のためのスキャン中に他方のヘッドを割
り出しテーブルの回転中心軸と一致させた点に固定して
測定し、その差をとることで被測定物全体の上下動の誤
差を除去できる。等の効果を得ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の全体構成を表す正面図

【図２】 本発明の実施形態１の全体構成を表す側面図

【図３】 本発明の実施形態１の測定ヘッド部分を表す
詳細図

【図４】 本発明の実施形態１のシステム図

【図５】 本発明の実施形態１の初期設定フロー図

【図６】 本発明の実施形態１の測定フロー図

【図７】 本発明の実施形態１の全体を表す正面図

【図８】 本発明の実施形態１の全体構成を表す側面図

【図９】 本発明の１ヘッドでの測定方法説明のための
補助図

【図１０】 本発明の２ヘッドでの測定方法説明のため
の補助図

【図１１】 本発明の測定原理説明のための補助図

【図１２】 従来の面形状測定装置の要部概略図

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ 直線スライダ ２、２ａ、２ｂ 回転テーブル ３、３ａ、３ｂ レーザー測長ヘッド ４ 割り出しテーブル ５ 被測定物アライメント用ＸＹス
テージ ６ ワークホルダ ７、７ａ、７ｂ 回転テーブル駆動用モーター ８、８ａ、８ｂ 回転テーブル回転角検出用エン
コーダ １０、１０ａ、１０ｂ 被測定物頂点位置検出器 ２０、２０ａ、２０ｂ 測定プローブ光 ３０ 被測定物 ４０ 直線スライダ移動距離測定用レ
ーザー測長器光源 ４１、４１ａ、４１ｂ 直線スライダ移動距離測定用反
射ミラー ４２、４２ａ、４２ｂ、４３、４３ａ、４３ｂスライダ
移動距離測定用干渉計 ５０、５０ａ、５０ｂ 直線スライダ駆動用モーター ５１、５１ａ、５１ｂ 直線スライダ駆動用ボールねじ ９０ ベース定盤 ９１、９１ａ、９１ｂ 支柱 ９３ ワークステージ支柱 １００ システム制御コンピュータ １０１ フォーカスサーボドライバ １０２ 回転テーブルサーボドライバ １０３ 直線スライダドライバ １０４ 割り出しテーブルドライバ ３０１ 変波保存光ファイバー ３０２ コリメータレンズ ３０３ 偏光ビームスプリッタ ３０４ａ、３０４ｂ λ／４板 ３０５ 参照平面ミラー ３０６、３０８、３１１集光レンズ ３０７ 折り曲げミラー ３０９ ピンホール ３１０ フォーカスレンズ ３１２ 偏光板 ３１３ フォトディテクタ ３１４ 光点位置検出器 ３２０ フォーカスサーボ用直線スライ
ダ ３２１ 直線スライダガイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｍ 11/00 Ｇ０１Ｍ 11/00 Ｌ Ｍ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物を対称軸回りに回動可能な割り
   出しテーブルと被測定物の対称軸に直交する方向に移動
   可能な直線スライダと、該直線スライダ上にあって、該
   被測定物の対称軸と直線スライダの移動軸に直交する軸
   廻りに回転可能な回転テーブルと、該回転テーブル上に
   あって被測定物表面までの距離を光学的に測定する測定
   ヘッドを有し、該被測定物の表面形態を該直線スライダ
   の位置と該回転テーブルの回転角と該測定ヘッドからの
   測定距離、そして該割り出しテーブルの回転角の４つの
   測定データから演算により求めることを特徴とする面形
   状測定装置。
2. 【請求項２】 被測定物を対称軸回りに回動可能な割り
   出しテーブルと被測定物の対称軸に直交する方向に移動
   可能なスライダと、該直線スライダ上にあって、該被測
   定物の対称軸と直線スライダの移動軸に直交する軸廻り
   に回転可能な回転テーブルと、該回転テーブル上にあっ
   て被測定物表面までの距離を光学的に測定する測定ヘッ
   ドを該被測定物の表裏面に各々設け、該被測定物の面情
   報を該直線スライダの位置と該回転テーブルの回転角と
   該測定ヘッドからの測定距離、そして該割り出しテーブ
   ルの回転角の４つの測定データから演算により求めるこ
   とを特徴とする面形状測定装置。
3. 【請求項３】 予め設定した面から被測定物までの距離
   の変化を光路長変化から測定するレーザー干渉測長器
   と、該レーザー干渉測長器の一部を介した光束が、該被
   測定物の表面で常にＣａｔ’ｓ ｅｙｅ反射するように
   合焦を検出し、焦点位置を制御するとともに、測定位置
   での被測定面法線が常に一致するように該光束の反射位
   置の面傾斜を検出する面情報検出手段とを有しているこ
   とを特徴とする光測定ヘッド。
4. 【請求項４】 前記面情報検出手段は、前記光束の光軸
   方向に移動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレ
   ンズに対して該被測定物側と反対側に配置したピンホー
   ルと、該ピンホールと該フォーカスレンズを通して被測
   定物の表面に照射した光が、再び該フォーカスレンズと
   該ピンホールを通ってその光量と入射位置を検出する光
   点位置検出器とを有し、該光点位置検出器の出力信号の
   うち光量信号を該被測定物の合焦検出に使用し、光点位
   置を被測定物の面傾斜検出に使用する事を特徴とする請
   求項３の光測定ヘッド。
5. 【請求項５】 被測定物を回動させるための第１テーブ
   ルと、該第１テーブル上の被測定物表面までの距離を測
   定するための光学的測長手段と、該光学的測長手段の少
   なくとも光束出射部を該第１テーブルの回転軸に交差す
   る方向に直動させると共に該直動方向と前記第１テーブ
   ルの回動の回転軸方向とに交差する軸周りに回動させる
   ための第２テーブルと、を有し、前記第１テーブル回動
   時に前記第２テーブルによって前記光学的測長手段の光
   束出射方向を調整しながら光束出射位置を変化させて該
   光学的測長手段で測長を実行することにより、前記被測
   定物の面形状測定を実行することを特徴とする面形状測
   定装置。
6. 【請求項６】 被測定物までの距離を測定するための光
   学的測長手段と、該光学的測長手段の少なくとも光束出
   射部を被測定物表面に大まかに沿った方向に直動させる
   と共に該直動方向に交差する軸回りに回動させるための
   回転テーブルとを有し、前記回転テーブルによって前記
   光学的測長手段の光束出射方向を調整しなが該光学的測
   長手段で測長を実行することにより、前記被測定物の面
   形状測定を実行することを特徴とする面形状測定装置。
7. 【請求項７】 被測定物までの距離を測定する為の光学
   的測長手段と、該光学的測長手段の前記被測定物体への
   光束出射位置を光束出射方向を調整しながら変化させる
   光束出射手段とを有することを特徴とする面形状測定装
   置。
8. 【請求項８】 被測定物での距離を測定するための光学
   的測長手段と、被測定物を回動させるための割り出しテ
   ーブルと、該割り出しテーブル回動時に前記光学的測長
   手段の前記被測定物体への光束出射位置を変化させ、か
   つ光束出射方向を前記被測定面の被測定点での法線方向
   と一致させるように調整する光束調整手段とを有するこ
   とを特徴とする面形状測定装置。