JPS6097205A - 面形状測定器 - 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】 技術分野 本発明は、カメラなどに用いられるレンズ特に非球面レ
ンズの面形状を非接触で測定する面形状測定器に関する
。

従来技術 ミラーと被検物の回転駆動を組合せて被検物の全面を走
査しその形状を測定する装置としては、例えばＡｐｐｌ
、　Ｏｐｔ、　２ｏ　Ｎｏ、　１９　、１９８１篩、　
３３６７〜３３７７に記載の’Ａｓｐｈｅｒｉｃ　５ｕ
ｒｆａｃｅ　ｃａｌｉｂｌａｔｏｒ（非球面測定器）゛
がある。第１図にその概要を示すと、光源１から放出さ
れた光ビームｅはビームエクスパンダ２により光束が拡
げられ、ビームスプリッタ３により参照鏡４に向う光束
と対物レンズ５゜回転ミラー６を経て被検物７の表面に
集束する光束とに分けられる。回転ミラー６及び被検物
７は図示されていない回転駆動機構により各々矢印のよ
うに回転せしめられ、集束された光束が被検物７の全面
を走査する。この場合、回転ミ５−６と被検物７との距
離は被検物７の表面の曲率半径とほぼ一致させておく。

被検物７の表面で反射された光束は同じ道を逆行し、回
転ミラー６、対物レンズ５を経て平行光束に変換され、
ビームスプリツタ３において参照鏡４から反射された光
束と重ね合せられ、干渉縞計数部８に入射する。この干
渉縞計数部８では被検物７の表面の球面からのずれ量に
応じた干渉縞の移動が計数され、被検物７の非球面量が
測定される。ところが、この装置の場合、原理的に凸面
の測定ができ々いことや非球面量の大きなものの測定が
困難であることなどの欠点がある。

そこで、光束が被検物上に常に集光するように対物レン
ズをオートフォーカス方式に構成し、非球面量の太きい
ものや凸面のものも計測できるように改良された装置と
して、例えば第２５回自動制御連合会講演会予稿４０４
２（Ｐ、５９３〜５９４）に記載のものがある。その概
要を第２図に示すと、ゼーマンレーザー１０から放出さ
れた光束ぎはビームスプリッタ３によシ参照鏡４に向う
光束とビームスプリッタ１１．対物レンズ５を経て被検
物７上に集束される光束とに分けられる。被検物７上で
反射された光は対物レンズ５で平行光束に変換され、ビ
ームスプリッタ１１によシビームスブリツタ３に向う光
束と光検知器１２に向う光束に分割される。対物レンズ
５は公知技術を用いることにより光検知器１２からの信
号に応じて矢印ａの方向に移動せしめられて入射光束を
被検物７上に常に集光させる機能即ちオートフォーカス
機能を有している。被検物７は矢印すで示されたように
平面的（ｘ−ｙ面とする）に走査される。入射光束の主
光線が被検物７の表面に垂直に入射しない場合には、入
射光束と被検物７からの反射光束は別の光路をたどり、
横ずれした平行光束となって対物レンズ５からビームス
プリッタ１１に向う。

この横ずれ量は光検知器１２により計測され、対物レン
ズ５を光束に対して直交する方向（矢印Ｃ方向）に移動
させて入射光束と反射光束とが重なるようにする。尚、
これと共に被検物７を対応する量だけ移動させる。ビー
ムスプリッタ３に向った光束はこのビームスプリッタ３
において参照鏡４からの反射光と重ね合せられて干渉縞
を形成し、干渉縞計数部８によシ計数される。

この装置の特徴は、オートフォーカス機能を有している
ため、非球面量の大きいものや凹面だけでなく凸面の測
定が可能なことにあるが、高精度を維持するためには参
照鏡４と被検物７との相対的振動を抑制する必要があり
、そのため参照鏡４全被検物７と同じ振動系に固定する
必要を生じる。

しかし、振動条件とアツベの誤差とを同時に満足させる
ことは困難が多く、干渉光学系の剛性や振動系の精度に
厳しいものが要求されるので高価になると共に、振動等
の機械的擾乱による影＃を軽減するための環境条件を必
要とする。又、前記したように主光線が被検物７に垂直
に入射するように対物レンズ５を矢印Ｃの方向に横移動
させると主光線が被検物７にあたる位置もずれるため、
このずれに対応した量だけ被検物７を適当なサーボ機構
を用いて平行移動させることが必要となり、その結果被
検物７を駆動するのに高精度のサーボ磯溝を必要とする
と共に測定時間も長くなるという欠点があった。又、被
検物７を平面的に移動させているため、深いＲ（曲率半
径が小さく且つ開き角が大きいこと）の凸面又は凹面に
ついては反射光束が対物レンズ５のＮＡを越えることと
なり、測定ができないという欠点も有していた。

そこで、参照鏡を被検物と一致させて振動等の機械的擾
乱の影響を軽減した例を第３図に示すと、入射する光ビ
ームｅはウォラストンプリズム１３により正常光と異常
光とに分けられ、対物レンズ５により被検物７（ロータ
リーテーブル１４に支持されている）の異なる二点（そ
のうち一点はロータリーテーブル１４の回転中心と一致
させる）に集束される。被検物７で反射した光束は、対
物レンズ５を経て平行光束に変換された後ウォラストン
プリズム１３において再び重ね合せられ、被検物７の凹
凸に応じた干渉縞を形成する。そして、ロータリーテー
ブル１４をその軸のまわりに回転させることにより被検
物７の軸上の集束点と他の集束点との間の相対的高低が
図示しない干渉縞計数部によシ計赦される。これは被検
物７の面粗さの測定に用いられる。

この装置の特徴は、参照鏡が被検物と一致していること
から両者の間の相対的振動を殆ど無視することかでき、
振動等の機械的擾乱に対して極めて安定した系になって
いることである。しかし、測定しているものが二点間の
高低の相対的変化いいかえると被検物の面形状の各点の
微分値或は勾配なので、面形状をめるためにはこれらの
値を積分する必要があり、個々の微分値或は勾配での誤
差量が積算される欠点があった。

目　的 本発明は、上記問題点に鑑み、振動や空気の流動等の機
械的擾乱や被検物の回転駆動機構の精度に影響されるこ
とが少なく、非球面量の太きいもの或は深いＲのものを
凹面及び凸面の両方について高精度に且つ短時間に測定
し得る面形状測定器を提供せんとするものである。

概要 本発明による面形状測定器は、可干渉性光源を発した光
ビームを直交する二つの偏光（夫々ヲｐ偏光及びＳ偏光
とする）状態にある光束に分離し、各々被検物上の一定
距離だけ横ずれ（シア量と呼ぶ）した場所に被検物の表
面に垂直に自動集束させ、それらの反射光束をｐ、８両
偏光に対応した共役光路を形成する参照光路からの光束
と各々独立に干渉させることによりシア量だけ離れた被
検物上の二点における面形状に関する情報を取得して、
被検物の表面形状の測定を行うようになっている。

実施例 以下、第４図乃至第６図に示した一実施例に基づき上記
従来例と同一の部材には同一符号を付して本発明の詳細
な説明すれば、第４図は本発明による面形状測定器の基
本的な構成を示しており、光源１は可視、赤外或は紫外
の光ビームｌを発する光源であって、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
ーのように可干渉性の光束を発するものが用いられる。

１５　、１６゜１７は偏光プリズムで、ｐ、８両偏光を
分離または結合する。１８は１／２波長板で、軸のまわ
りに回転可能となっている。１９．　、２０はファラデ
イローテータで、ガラスまたは結晶が用いられ、たとえ
ば光ビームの進行方向に磁場が印加されていて入射する
ｐ、８両偏光の偏光面を４５°だけ回転する機能をもつ
。尚、ガラスとしては保谷硝子株式会社製のＦＲ−５な
どを用いることができる。

２１．２２はπ／４０−テータで、入射光ビームの偏光
面を右または左に４５°回転せしめる。ビームスプリッ
タ１１は、被検物７からの反射光束を分割して一方を干
渉計の方へ戻し他方を光検知器１２に向ける。２３は複
屈折プリズムで、たとえばロションプリズムなどが用い
られ、対物レンズ５の焦点位置に固定され、対物レンズ
５ヘプリズムの喫角により定まる一定の開き角をもった
正常光束と異常光束を供給する。これらの光束は対物レ
ンズ５によシ平行な二つの光束となって被検物７上のた
とえば６０μｍだけ横ずれした二点に集束せしめられる
。又、複屈折プリズム２３は対物レンズ５と組になって
図示しない回転防止機構を具備した無摩擦の直線案内装
置に保持され、やけシ図示しない直線駆動装置によシ被
検物７と対物レンズ５との間隔が常に該対物レンズ５の
焦点距離に等しくなるように駆動される。光検知器１２
は対物レンズ５と被検物７の間隔の対物レンズ５の焦点
距離からのずれ量（デフォーカス量）を公知の手段を用
いて検出し、前述の直線駆動装置へ誤差信号として送る
。２４　、２５’、　２６　、２７は鏡である。参照鏡
４には直角プリズムを用いる。従って、ｐ、Ｓ両側光成
分に対応した参照光束は丁度共通の光路を逆行する形に
なる。２８．２９は干渉縞計数部であり、たとえば特公
昭５１−４７３４４号公報に開示されている偏光を利用
した可逆計数のできる光波干渉計を用いることができる
。尚、被検物７はガラス或はプラスチックのレンズ又は
金型などが対象となり、光軸のまわシ或は第４図矢印方
向へ回転駆動せしめられる。

本発明による面形状測定器は上述の如く構成されている
から、光ビームｅが直線偏光であって紙面内の偏光（ｐ
偏光）から４５°傾いた偏光面をもつように設定されて
いるとすれば、光ビームｌは偏光プリズム１５によりｐ
偏光とＳ偏光成分に分離され、前者は１／２波長板１８
を通り楕円偏光に変換される。この偏光状態は１／２波
長板１８を回転することにより変えることができる。こ
の回転角は、被検物７の反射率が低い場合たとえばガラ
ス面での反射のように４チ程度の反射率となる場合には
、偏光プリズム１６に入射する光をｐ偏光に近い楕円偏
光とし、被検物７からの反射光と参照鏡４からの反射光
量とがなるべく同程度となるように選ぶ。逆に、被検物
７が一部の金型のように反射率の高いものの場合には、
偏光プリズム１６に対し４５°の方向に偏光面を選び、
なるべく等量の光が被検物７及び参照鏡４に向うように
する。

次に、偏光プリズム１６では、楕円偏光のｐ偏光成分が
ファラデイローテータ１９に向い、Ｓ偏光成分は反射さ
れて参照鏡４に向う。最初にｐ偏光成分についてのべる
とファラデイローテータ１９により４５°だけ偏光面が
回転せしめられる。この様子を第５図に示す。ｐ偏光を
第５図のＩで表わすと、ファラデイローテータ１９を通
過することによりたとえば■の状態に変り、πン４０−
テータ２１に左旋性のものを用いるならばこれを通過す
ることにより■のｐ偏光に戻り、偏光プリズム１７を通
過してビームスプリッタ１２を経て複屈折プリズム２３
に至る。この複屈折プリズム２３にロションプリズムを
用いた時にはｐ偏光は方向を変化させずに進み、対物レ
ンズ５により被検物７の表面に集束される。そして、ｐ
偏光は被検物７の形状による位相変化を受けた後再び同
じ光路を逆行し、対物レンズ５．複屈折プリズム２３を
経てビームスプリッタ１１に至る。ここで反射された光
束は光検知器１２に入射するので、デフォーカス量が検
知される。通過した光束は偏光プリズム１７を通過し、
π／４０−テータ２１を通過して第５図のＩからＨの状
態に偏光面が変り、更にファラデイローテータ１９を通
過することによシ■から■の状態即ちＳ偏光に変換され
、偏光プリズム１６で反射して干渉縞計数部２８に向う
。

また、偏光プリズム１６に左から入射した楕円偏光のも
う一方のＳ偏光成分についてのべると、これは偏光プリ
ズム１６で反射され参照鏡４への光路を左まわりにたど
シ、再び偏光プリズム１６で反射され鏡２５を経て干渉
縞計数部２９１Ｃ入射する。

要約すれば、偏光プリズム１６に左から入射した光束の
ｐ偏光成分は被検物７の形状に関する情報を坦って干渉
縞計数部２８に入射し、Ｓ偏光成分は参照光束となり干
渉縞計数部２９に入射する。

以上偏光プリズム１５を通過したｐ偏光成分についての
べてきたが、偏光プリズム１５で反射したＳ偏光成分に
ついても全く同様の経過をたどる。

Ｓ偏光成分は、１／２波長板１８によシ楕円偏光に変換
され、鏡２４．２６を経て偏光プリズム１６に下から入
射する。入射光束のうちｐ偏光成分は、偏光プリズム１
６を通過して参照鏡４への光路を右まわりにたどり偏光
プリズム１６を経て干渉縞計数部２８に入射する。Ｓ偏
光成分は、偏光プリズム１６で反射された後ファラデイ
ローテータ２０゜π／４０−テータ２２．鏡２７．偏光
プリズム１７゜複屈折プリズム２３を経てｐ偏光の光路
に対して一定の開き角を有する異常光の光路をとり、対
物レンズ５によりｐ偏光の集束点に対してシア量だけ横
ずれした点に集束し、その点の形状に対する情報を担っ
て同じ光路を逆にたどシ、対物レンズ５、複屈折プリズ
ム２３を経て偏光プリズム１７で反射され、鏡２７．π
／４０−テータ２２．ファラデイローテータ２０を経て
ｐ偏光に変換され、偏光プリズム１６を通過して鏡２５
を経て干渉縞計数部２９に入射する。

以上のことから、干渉縞計数部２８では、偏光プリズム
１５を透過した成分のうちのｐ成分がファラデイローテ
ータ１９を往復１回通過することによ［Ｓ偏光に変換さ
れて被検物７の一場所の形状の情報を担った信号光とし
て入射し、偏光プリズム１５で反射した成分のうちのｐ
成分が参照光として入射する。同様に、干渉縞計数部２
９では、偏光プリズム１５で反射した成分のうちＳ偏光
がファラデイローテータ２０を往復１回通過することに
よりｐ偏光に変換されて被検物７のシア量だけ横ずれし
た場所の形状情報を担った信号光として入射し、偏光プ
リズム１５を透過した成分のうちのＳ偏光成分が参照光
として入射する。いいかえると、被検物７のシア量だけ
離れた二点に対して偏光の異なる独立の干渉計が二つあ
ることになる。そして、両方の参照光路及び信号光路は
共通光路に近い配置をとっているため、振動或は空気の
流動などの機械的擾乱や被検物７の回転駆動系の精度の
影響を受けにくい構成となっている。

更に第６図を用いて詳しく説明すれば、第６図は縦軸に
非球面量りを横軸に回転角θを夫々とったものであり、
第４図に於て被検物７をその近似曲率中心を中心として
回転させた時の回転角θと非球面量りとの関係を示した
ものである。被検物７の形状情報をシア量だけ横ずれし
た偏光の異なる二つの光束を用いて取得しているため、
同じ形状を二重に測定している。たとえば、Ｐ偏光の光
束が第６図の０からＰまで測定したとすれば、Ｓ偏光は
同じ形状を０からＰを経てシア量だけずれたＱまで測定
することになる。測定の途中で振動などの機械的擾乱や
回転駆動系の不完全性などにより被検物７が移動したと
すれば、たとえばＰ偏光の測定値には図中矢印で示七た
実線の擾乱が入るが、これとほぼ同じ擾乱（図中点線図
示）がＳ偏光の測定値にも入る。従って、測定から得ら
れた非球面曲線ＯＰと横軸θの間の面積と非球面曲線Ｏ
ＰＱと横軸θとの間の面積の差をめると、擾乱等による
ノイズ成分は打ち消されて非球面曲線ＰＱと横軸θとの
間のノイズを含まない真の面積がめられ、これをシア量
で除することにより即ち、本発明の面形状測定器は、Ｐ
、８両偏光について共通の参照鏡４を有していると共に
各々独立の干渉計を有しているので、被検物７の非球面
量りを各回転角に対し誤差の積算なしにめることができ
ることに特徴があり、この点が第３図に示した従来例と
異なるところである。従って、本発明の面形状測定器に
よれば、振動や空気の流動等の機械的擾乱や被検物７の
回転駆動機構の精度に影響されることが少なく高精度の
測定が可能である。又、本発明の面形状測定器は、オー
トフォーカス機能を有しているので非球面量の大きいも
のや凹面だけでなく凸面の測定も可能であると共に、被
検物７を回転駆動する構成となっているので深いＲのも
のも測定し得る。

第７図は第二の実施例を示す。図中、３０．３１は直角
プリズムで、３０は矢印で示したように紙面内で光軸に
垂直な方向に図示されていない駆動機構により駆動でき
るように保持され、３１は固定されている。また、ビー
ムスプリッタ１１と光検知器１２は偏光プリズム１６と
干渉縞計数部２８との間に設置され、公知の技術にょシ
ブフォーカス量の検出と共に光ビームの横ずれ量をも検
出できる構造を有しているものとする。この実施例は、
入射光束の主光線と被検物７の表面とが直交しない場合
に入射光束を横ずれさせてその主光線が被検物７の表面
に垂直に入射させるための補正光学系を具備したもので
ある。第８図に示すように入射光束ｌに対し被検物７が
βだけ傾いている場合には、反射光束は２βだけ振られ
て実線で示す反射光路をとり、対物レンズ５を通過した
後では入射光束に対して平行に横ずれした光束となって
干渉計の方へ戻ってゆく。この光束の横ずれ量は光検知
器１２により検知され、直角プリズム３０が光検知器１
２からの誤差信号が零となるように光束の横ずれ量の半
分だけ平行移動され、第８図の点線で示した光路をとり
対物レンズ５により被検物７に垂直に入射する。従って
、反射光は入射と同じ光路を逆にたどる。本実施例に示
された傾き角補正光学系の、従来の第２図に示された対
物レンズ５を移動させる方式に対する利点は、第８図に
示されたように、入射光束ｌと被検物７との交点が入射
光束ｅを点線のように平行移動させても対物レンズ５の
球面収差を除いて全く同じ位置にあるので、第２図に示
されたように被検物７を移動させる必要がなく、サーボ
機構が簡単になり且つ測定時間が短縮されることにある
。

第９図は第三の実施例を示す。図中、３２は光アイソレ
ータであり、３３は１／４波長板である。

光アイソレータ３２は光源１と干渉計との間の干渉を遮
断するもので公知のものである。第−及び第二の実施例
のファラデイローテータ１９．２０およびπ／４０−テ
ータ２１，２２の代りに本実施例では１／４波長板３３
が挿入しである。偏光プリズム１６−を通過したＰ偏光
は１／４波長板３３により円偏光に変換され、偏光プリ
ズム１７により円偏光のうちのＰ偏光成分が透過し、Ｓ
偏光成分は系の外に向う。偏光プリズム１７を通過した
Ｐ偏光は、第一の実施例の説明でのべたようにビームス
グリツタ１１．複屈折プリズム２３゜対物レンズ５を経
て被検物７に収束され、反射された後入射の光路を逆に
たどり対物レンズ５等を経て１／４波長板３３に入射す
る。ここでＰ偏光は円偏光に変換され、そのうちのＳ偏
光成分は信号光として偏光プリズム１６により反射され
干渉縞計数部２８に至る。又、円偏光のうちのＰ偏光成
分は、偏光プリズム１６．１／２波長板１８を経て偏光
プリズム１５に入射し、光束の一部は偏光プリズム１５
により反射され系の外に向い、残りの光束はこれを通過
して光アイソレータ３２に入射し遮断される。１／４波
長板３３に左から入射するＳ偏光の光束も同様にして一
部は信号光として干渉縞計数部２９に入射し、残りは系
外に或いは光アイソレータ３２により遮断され失なわれ
る。以上のべた事から、本実施例は、光量の損失を除け
ば第４図に示された第一の実施例と全く同じ作用を示す
ことがわかる。

尚、以上のべた各実施例では偏光プリズム１５として偏
光ビームスプリッタを用いているがふつうのビームスプ
リッタを用いることも可能である。

〜また４あるいは３０として直角プリズムを用いている
が、キャッツアイを用いることもできる。また被検物７
の駆動機構として回転駆動機構を用いた場合を示したが
、平面駆動機構を用いることができることはもちろんで
ある。鵞た対物レンズ５ノ代すにホログラムレンズなど
の他の光収束部材動や空気の流動等の機械的擾乱や被検
物の回転駆動機構の精度に影響されることが少なく、非
球面量の大きいもの或は深いＲのものを凹面及び凸面の
両方について高精度に且つ短時間に測定し得るという実
用上極めて重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は夫々従来の面形状測定器の光学系を
示す図、第４図は本発明による面形状測定器の一実施例
の光学系を示す図、第５図は上記実施例における偏光面
の回転を説明する図、第６図は上記実施例の非球面量算
出の原理図、第７図は第二の実施例の光学系を示す図、
第８図は上記第二の実施例の傾き角補正光学系の作用を
説明する図、第９図は第三の実施例の光学系を示す図で
ある。 １・・・・光源、４・・・・参照鏡、５・・・・対物レ
ンズ、７・・・・被検物、１１・・・・ビームスプリッ
タ、１２・・・・光検知器、１５，１６．１７・・・・
偏光プリズム、１８・・・・１／２波長板、１９．２０
・・・・ファラデイローテータ、２１．２２・・・・π
／４０−テータ、２３・・・・複屈折プリズム、２４，
２５゜２６．２７・・・・鏡、２８．ｉ９・・・・干渉
縞計数部。 辷ＤｊＩじＣ 第１頁の続き ０発　明　者　川　島　隆 ＠発明者　用土　−雄 ＠発明者植竹　敏文 東京都渋谷区幡ケ谷２の４３の２　オリンパス光学工業
株式東京都渋谷区幡ケ谷２の６の２　オリンパス光学工
業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉性の光束を発する光源と、該光束を相異な
   る二つの偏光成分に一旦分離した後これらを結合させる
   分−結合光学系と、分離された二つの偏光成分の各一部
   に対して共通光路を有する参照光学系と、結合した二つ
   の偏光成分を分離して被検物上の横ずれした二点に夫々
   集束させる集束光学系と、被検物上で反射した二つの偏
   光成分と前記参照光学系の二つの偏光成分の同じ偏光成
   分同志により形成される干渉縞を夫々計数する二つの干
   渉縞計数部とから構成された面形状測定器。
2. （２）被検面に入射する光束の傾き角を補正する光学系
   を具備していることを特徴とする特許請求の範囲（１）
   に記載の面形状測定器。