WO1985005674A1

WO1985005674A1 - Shape evaluating apparatus

Info

Publication number: WO1985005674A1
Application number: PCT/JP1985/000301
Authority: WO
Inventors: Masahiro Nakajo; Shuji Ueda; Kunio Nakata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1985-12-19
Also published as: JPS60253945A; EP0189482A1; EP0189482A4

Description

明細書

発明の名称

形状測定装置

技術分野

本発明は、レンズ，ミラ一等の平面，球面あるは非球面の形状を精密測定する測定装置に関するものである。

背景技術

現在、非球面レンズは、軽量化，低コスト化を目的として、ビデオテープレコーダ一，ディジタルオーディオデイスク等の精密光学機器やカメラレンズに多く使用されている。

このような非球面レンズの非球面形状の測定は、一般に三次元測定機に代表される触針法で行なわれているが、触針法は点計測のため測定に時間がかかるという欠点がある。そこで近年は、光の干渉を利用して非球面全体の形状を非接触で、かつ高精度に測定する干渉測定法が採用されるように ¾つてきた。このような干渉測定法の代表的なものとして、シュアリング干渉法と縞走査法を組み合わせた縞走査シュアリング干渉法が、リコー · テク - カルレポート JTO. O ， ( 1 9 8 3 ) Ρ ·4〜 Ρ .9 に報告されている。

第 1 図は、この縞走査シュアリング干渉法を採用した形状測定装置の基本構成を示す平面図である。第 1 図を基に動作を簡単に説明すると、光源 1 から射出された光ビーム 2は、集光レンズ ³ とコリメーターレンズ ⁴ で十分な径の光束に拡大された後、ビームスプリッタ 5 , 6を透過し、更に透過球面レンズ 7によ 1)球面波面に変換された後、被測定物 8に入射する。被測定物 Sの球面形状からのずれの情報をもつた反射光ビーム ⁹ は、第 1 のビ一ムスプリッタ 6で透過光ビーム ¹ Oと反射光ビ — ム 1 1 に分割される。透過光ビーム 1 Oは第²のビームスブリッタ 5で反射し、さらに第³のビームスプリッタ ^{1 2}で反射し、レンズ 1 3で光束をしぽつた後撮像装置 ^{1 4}に入射する。一方、反射光ビ - ム ^{1 1} は反射面^{1 5}で反射され、光軸に対して傾けて設置した平行扳 1 ⁶で横ずらしされ、第³のビームスプリッタ 1 2を透過し撮像装置 1 4に入射する。上記 2本の光ビームは撮像装置 ¹ 4の撮像面上で干渉縞を発生する。この千渉縞は反射光ビ―ム 9の波面の微分量に比列して現われるのでこれを処理装置 1 了で積分することにより、被測定物 8の球面波面からのずれを求めることができる。

上記形状測定装置では、さらに干渉縞を高精度に測定するために反射面 1 5をピエゾ駆動装置 1 8で微少量移動して縞走査を行なっており、これにより干渉縞光量のばらつき等のノイズに対して安定に高精度な干渉縞情報を得ることができる。

上記した従来の形状測定装置では、被測定物 8からの反射光ビーム ⁹が透過光ビーム ¹ Oと反射光ビーム ^{1 1} で別々の光路を通るため、空気の擾乱、温度変化等の環境変化が生じると、それぞれの光路で別々に影響が現われ、測定誤差の原因となる, そのため、測定環境の管理上問題があった。また、上記従来の形状測定装置は部品点数が多く、部品の収差管理上やコスト上問題があつた。

発明の開示 - そこで本発明の主たる目的は、測定環境の変化に対して良好 • ¾測定精度を保ち得る形状測定装置を提供することにある。本発明の他の目的は、搆成を簡素化して部品の収差管理を容易とし、またコストの低減をも可能とした形状測定装置を提供することにある。

5 上記本発明の目的は、以下の構成によ達成される。す ¾わち本発明は、光ビームを射出する光源と、前記光源からの光ビ ―ムを被測定物に照射するレンズ系と、前記被測定物よりの反射光から横ずらしされた ²本の光ビームを発生させるビ - 厶スフ。ソ，リタ & 、艮身ォ , と、前記反射鏡及びビームス i o プリッタを相対移動させる移動手段と、前記横ずらしされた ² 本の光ビームにより生じる干渉縞パターンを電気信号に変換する撮像装置と、前記電気信号を処理して前記被測定物の形状を算出する電気信号処理手段を備えた形状測定装置において、會 εビームスプリッタ及び反射鏡を対向して配置し、ビ一

1 5 ムスプリクタに入力された光ビームを前記ビ —ムスプリッタ及び反射鏡のそれぞれの反射面で反射して横ずらしされた 2本の光ビームを発生させるように搆成したものである。

更に本発明の形状測定装置は、上記した構成に、移動手段、撮像装置及び電気信号処理手段の動作を制御する制御手段を加0 えたものをも含む。

図面の簡単な説明

第 1 図は縞走査シェアリング干渉法を採用した従来の形状測定装置の基本構成を示す平面図、第 2図は本発明の一実施列における形状測定装置の基本構成を示す平面図、第 3図は光束を5 横ずらしする方法の説明図、第 4図は本発明の一実施列におけ- る電気信号処理手段のブ ° ック図、第⁵図はシュアリング干渉法の原理説明図、第 ⁶図は同方法による形状測定アルゴリズムのフローチャート、第ァ図は本実施列の具体的な搆成を示す平面図、第 8図は凸面形状を測定する際の説明図である。

発明を実施するための最良の形態

第 2図は本発明の一実施列における形状測定装置の基本構成を示す平面図である。図において、 2 0は He — Ne レーザ— よりなる光源であり、光源 2 0 よ射出されたレーザービームは集束レンズ ^{2 1} とコリメ一ターレンズ ^{2 2}から成るビームェクスパンダ ² 3で十分な径の光束に拡大され、第 ¹ のビームスブリツタ 2 4を透過し、透過球面レンズ 2 ⁵により、球面波面が作成され、被測定物 2 6に照射される。被測定物 2 6で反射した光ビームは、透過球面レンズ ^{2 5}を通り、第 ¹ のビームスプリツタ 2 4で反射し、ほぼ平行に設置された第 2のビ—ムスプリクタ 2 7と反射鏡 2 8に入射し、第 ²のビ一ムスプリッタ 2 ァ及び反射鏡 2 8のそれぞれの反射面で反射して平行に横ずらしされた 2本の光束に分離される。第 3図でこの様子をさらに詳しく説明すると、第 2のビ一ムスプリッタ 2 7に入射した光ビームは、蒸着面 ⁴ Oで反射光ビーム 4 ¹ と透過光ビーム 42 に分離される。透過光ビーム 4 2は第 2のビームスプリッタ 27 に対向して設置した反射鏡 ² 8の反射面で反射し、再び第 2のビームスプリッタ ² ァに入射し、反射光 ⁴ 1 に対して平行に横ずらしされて出射する。

第 ²図にもどり、上記 ²つの光ビームはほぽ同一の光路を通光束変換レンズ ^{2 9}で光束がしぼられた後、撮像装置 3 Oの J,

撮 iに入射する。

第 4図は本実施列の電気信号処理手段の構成を示したものであ、撮像装置 ³ oで電気信号に変換された干渉縞画像はフレ — ムメモリ 5 0に入力され、デジタル信号に変換されると同時に T V モニタ 5 1 に表示される。さらに干渉縞のデータは、ィンタ — フ - —ス 5 2を介して電子計算機 5 3に入力され、あらかじめプログラムされたァルゴリズムに従って被測定物の形状を計算する。

第²図にもどって、反射鏡^{2 8}はエアスライド ^{3 1} 上に設置されており、マイクロメ一タ 3 2 とピエゾ素子 3 3によって第 2 のビ一ムスプリッタ 2 7に対し平行状態を保ったまま移動できるように構成されている。マイクロメータ 3 2により上記 2 つの光ビームの横ずらし量を変化させ、更にピエゾ素子 3 3によつて反射鏡 2 8を微動させることにより縞走査を行なう。第 4図において、縞走査の走査量は、電子計算機 5 3からの命令に従、インタ — フユ一ス 5 4 , D — A変換器 5 5 ，高圧増幅器 5 6を介してピエゾ素子^{3 3}を駆動することによりコント口 —ルされる。

次に、第 5図を基にシュアリング干渉法と縞走査法の原理について説明する。なお、以下の説明は簡単のため全て一次元で行なう。

被測定物 2 6 よりの反射光ビームは、透過球面レンズ 2 5により生じた仮想基準球面波面よのずれの情報をもつている。この反射波面⁶ O ( W (）とする）とそれを横ずらし量 6 3だけ横ずらしされた波面 6 1 との光路差を 6 2 とする。干渉縞はこの光路差 6 2 ( J とする）に対応して生じ、横ずらし量 ⁶³

( S とする）が微少なときは d W(x) , 、

W ( ) = s (1)

α χ が成り立つので、反射波面 W'Czは干渉縞 J を電子計算機⁵³ で積分処理することにより求めることができる。

次に、 J を高精度に求めるための縞走査法について説明

N¾ Γ

する。反射面 2 8を微少量移動し、横ずらしされた波面⁶ 1 の位相を 1 波長分変化させると、干渉縞 J W(r)上の任意の点での干渉縞強度は正弦波状に ² 7Γだけ変化する。このときの初期位相は J W(r)となるので、干渉縞強度の変化をサンプルし、電子計算機 5 3で計算をすれば W(r)を高精度に求められる。すなわち、横ずらしされた波面 6 1 の位相をごとに N段階変化させ、干渉縞の任意の点における干渉縞強度 Ij (r) を N回測定するとしたとき、 J Wfe)は

N

∑ sin2 π-—

λ

jW(r)= tan ； m 0 d C 2π· (2) π

：] - 2 で求められる。ただしスは光源の波長である。〔前記リコー . テク二カノレレボート，/¾ 1 Ο ， ( 1 983 ) Ρ.6 〜 Ρ.了参照〕第 6図に、本実施列の装置により形状を測定する際のァルゴリズムを示す。

測定を開始すると、まずフレームメモリ 5 Οにおて干渉縞画像をあらかじめ設定した測定点数でサンブルした後電子計算 — T ―

機 5 3に入力する（ステップ 1 )。次にピヱゾ素子を义/ ^Ν だけ移動し、同様に干渉縞画像を入力する（ステップ ² ) 。これをあらかじめ設定したピエゾ素子移動数（ Ν — ¹ )回繰返し、 Ν枚の干渉縞画像を入力する（ステップ ³ ：)。入力が終わると初期位相値 J を前記の (S)式に従つて計算する ( ステップ ⁴ ): 次に、 J W(r)は一 7Γ 〜； rの値をもち、測定点間で ² ； rの位相飛びが生じる部分があるのでこれを補正する（ステップ⁵ )。さらに、補正した J W(r)を積分し、 W ( )を求める（ステップ ⁶ ：) 。第 7図に本実施列の具体構成を示す。各構成部品は定盤 100 上に設置され、振動の影響を除去し、さらに各構成部品の相対位置関係の変化を減少している。 ¹ 〇 ¹ は He — Νβ レーザー光源であり、専用の高圧電源で駆動してる。 ¹ 02は集束レンズであり顕微鏡の対物レンズを使用している。また 1 0 3はピンホールで、集束レンズ Ο 2のほぼ焦点位置に設置され、測定に使用する波面を整形する。集束レンズ ¹ Ο 2 とピンホ — ル 1 Ο 3は保持具 1 Ο 4で保持され、各位置関係はマイクロメ —タ 1 Ο 5で調整できる。 1 0 6は反射ミラ一で、省スペース化のため光路をほぼ 90°曲げている。 1 0 7はコリメ一ターレンズで、 ²枚の単レンズにより構成されている。コリメ一ターレンズ ¹ Ο ⁷は保持具 1 0 8で保持され、ありと傾きの調整が可能である。 1 Ο 9はあおり調整用のマイクロメータ一である。第 ¹ のビームスプリッタ ^{1 1} Οは平面扳タイプのもので、保持具 ^{1 1 1} で保持され、あおりと傾きの調整が可能である。

1 1 2はあおり調整用のマイクロメータ一である。 ₃は透過球面レンズで、被測定物 1 1 5の形状によって取眷える必要があるため、保持具 ^{1 1 4}はロックインタイブのものを使用してお、またあおりと傾きの調整が可能である。被測定物 ^{1 1 5} の保持具 1 1 6は三つ爪をもちさまざまな径の被測定物を保持できるようになっている。この保持具 ^{1 1 6}は、あおり，傾きの他に上下，左右の位置調整が可能である。さらに保持具

1 1 6はレール 1 1 7上に設置され、光軸方向に移動可能で、移動量はリニアスケ一ルで測定できる。 ^{1 1 8}は第²のビームスプリッタである。 1 1 9は反射鏡で保持具 1 2 Oで保持され、あおりと傾きの調整が可能である。さらに保持具 ^{1 2} Oはエア — スライド 1 2 1 上に固定され、マイクロメータ 1 2 2とピエゾ素子 1 2 3で第 2のビームスプリッタ 1 ¹ 8にほぽ平行に移動可能である。 1 2 4は光束変換レンズ、 1 2 5は撮像装置で、共に保持具 1 2 6で保持され、撮像装置 1 2 5は光軸方向に移動可能であり、干渉縞の撮像面上での大きさを変化させることができる。

なお、前記第 2図では凹面の形状を測定する場合について示したが、凸面の形状を測定する場合は、第 8図に示すように被測定物 9 Oを透過球面レンズ ⁹ 1 の焦点位置 9 2 より透過球面レンズ ₉ 寄りに設置する。また平面形状を測定する場合は、第 2図の透過球面レンズ 2 5を取り除く。

また、第 2図では第 1 のビ一ムスプリッタ 2 4としてブリズムタイプのものを示してあるが、第 7図で示したように平面板タィプのものでも良い。また第 2図にいて光束変換レンズ 29 は撮像装置 ³ Oの撮像面が干渉縞を入力するのに十分な大きさであれば必要 ¾い。また、本実施列では、反射鏡 2 8を移動して縞走査を行 ¾ たが、第²のビ一ムスプリッタ ² ァを移動しても良いことは言うまでも ¾い。

産業上の利用可能性

以上のように本発明によれば、ビームスブリックと反射鏡を対向して設置して波面の横ずらしを行ない、また反射面あるいはビームスプリッタの少なくとも一方を微少量移動することによ 1?縞走査を行 ¾ うため、構成が簡単化され、さらに横ずらしされた 2つの光ビームがほとんど同じ光路を通、環境の変化に対して安定であり、高精度で形状を測定できる。

Claims

求の

1 . 光ビームを射出する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物に照射するレンズ系と、前記被測定物よ ]?'の反射光から橫ずらしされた²本の光ビームを発生させるビームスプリッタ

5 及び反射鏡と、前記ビームスプリッタ及び反射鏡を相対的に移動させる移動手段と、前記横ずらしされた ²本の光ビームにより生じる干渉縞パターンを電気信号に変換する撮像装置と、前記電気信号を処理して前記被測定物の形状を算出する電気信号処理手段を備えた形状測定装置において、前記ビームスプリ 'ク i o タ及び反射鏡を対向して配置し、前記ビームスプリッタに入力した光ビームを前記ビームスプリッタ及び反射鏡のそれぞれの反射面で反射して横ずらしされた 2本の光ビームを発生させるように構成したことを特徵とする形状測定装置。

2 . 請求の範囲第 1 項において、反射鏡にピエゾ素子を取付

1 5 け、このピエゾ素子を駆動することにより、前記反射鏡及びビ —ムスプリッタを相对的に移動させることを特徵とする形状測

3 . 請求の範囲第 1 項または第 2項において、反射鏡をエア— スライド上に設置することを特徵とする形状測定装置。

0 ⁴ . 請求の範囲第¹ 項または第 2項において、反射鏡を保持する保持具に、前記反射鏡のあおりと傾きを調整する手段を設けることを特徵とする形状測定装置。 .

5 - 請求の範囲第 ¹ 項におて、平面扳タイブのビ— ムスプリツタを用いることを特徵とする形状測定装置。

5

6 . 光ビームを射出する光源と、前記光源からの光ビームを被 • 測定物に照射するレンズ系と、前記被測定物よの反射光から横ずらしされた 2本の光ビームを発生させるビームスプリッタ及び反射鏡と、前記ビームスプリッタ反び反射鏡を相対的に移動させる移動手段と、前記横ずらしされた ²本の光ビームによ 5 り生じる干渉縞パターンを電気信号に変換する撮像装置と、前記電気信号を処理して前記被測定物の形状を算出する電気信号処理手段と、前記移動手段，撮像装置及び電気信号処理手段の動作を制御する制御手段を備えた形状測定装置において、前記ビームスプリ 'クタ及び反射鏡を対向して配置し、このビ一ムス i o プリッタに入力した光ビームを前記ビームスプリッタ及び反射鏡のそれぞれの反射面で反射して横ずらしされた ²本の光ビームを発生させるように搆成したことを特徴とする形状測定装置 _c ァ . 請求の範囲第 6項において、反射鏡にピエゾ素子を取り付け、このピエゾ素子を駆動することにより、前記反射鏡及びビ 5 — ムスプリッタを相対的に移動させることを特徵とする形状測

8 . 請求の範囲第 6項または第 7項において、反射鏡をエアースライド上に設置することを特徴とする形状測定装置。

9 . 請'求の範囲第 6項または第 7項において、反射鏡を保持す0 る保持具に、前記反射鏡のあおりと傾きを調整する手段を設けることを特徴とする形状測定装置。

1 0 . 請求の範囲第 7項において、ピエゾ素子を、制御手段に内蔵された電子計算機からの命令により制御するように構成したことを特徴とする形状測定装置。

5

1 - 請求の範囲第 6項において、平面扳タイブのビ一ムスプ • リツタを用いることを特徵とする形状測定装置。

5

10

15

20

25