JPH0211084B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0211084B2 JPH0211084B2 JP21275683A JP21275683A JPH0211084B2 JP H0211084 B2 JPH0211084 B2 JP H0211084B2 JP 21275683 A JP21275683 A JP 21275683A JP 21275683 A JP21275683 A JP 21275683A JP H0211084 B2 JPH0211084 B2 JP H0211084B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- measured
- objective lens
- optical
- measurement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/2416—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures of gears
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、ほぼ回転対称な形状を持つ自由曲
面、又は非球面のレンズやミラーの表面形状を、
高精度に、光学的に非接触で測定する３次元測定
器に関するもので、特にレーザ光を対物レンズ
で、被測定物体面上に集光し、その反射光の周波
数の被測定物体面の移動によつて生ずるドプラー
シフトを検出して、面形状を測定する光学測定装
置に関するものである。
面、又は非球面のレンズやミラーの表面形状を、
高精度に、光学的に非接触で測定する３次元測定
器に関するもので、特にレーザ光を対物レンズ
で、被測定物体面上に集光し、その反射光の周波
数の被測定物体面の移動によつて生ずるドプラー
シフトを検出して、面形状を測定する光学測定装
置に関するものである。
従来例の構成とその問題点
光ヘテロダイン法を利用したレーザ測長器とし
ては、ヒユーレツトパツカード社の製品がある
（例えば、HP5526A）。これは、現在、簡使かつ、
最も精度の高い測長器として知られている。ま
た、これを３次元移動台に取付けて、３次元測定
器や、精密旋盤として使用できることが知られて
いる。
ては、ヒユーレツトパツカード社の製品がある
（例えば、HP5526A）。これは、現在、簡使かつ、
最も精度の高い測長器として知られている。ま
た、これを３次元移動台に取付けて、３次元測定
器や、精密旋盤として使用できることが知られて
いる。
ところで、従来装置では、移動台にコーナーキ
ユーブやミラーを取付け、移動台の動きのみをレ
ーザ測長器で測定したに溜まり、３次元測定器の
場合は、何らかの測定プローグによつて被測定物
の面形状に沿つて、移動台を移動させる。ところ
が、測定プローグは接触型と非接触型があるが、
いずれも測定精度が、レーザ測長器の精度に比べ
一桁程度落ちる。
ユーブやミラーを取付け、移動台の動きのみをレ
ーザ測長器で測定したに溜まり、３次元測定器の
場合は、何らかの測定プローグによつて被測定物
の面形状に沿つて、移動台を移動させる。ところ
が、測定プローグは接触型と非接触型があるが、
いずれも測定精度が、レーザ測長器の精度に比べ
一桁程度落ちる。
一方、上記の欠点を解消する為、被測定物体面
の形状を、レーザ測長法で直接測定することを可
能とした装置として、特願昭57−189761号や、特
願昭58−62444号に記載の装置がある。しかしこ
れらの装置では、最大、30゜程度の傾きを持つ面
までしか測定できない。
の形状を、レーザ測長法で直接測定することを可
能とした装置として、特願昭57−189761号や、特
願昭58−62444号に記載の装置がある。しかしこ
れらの装置では、最大、30゜程度の傾きを持つ面
までしか測定できない。
又、非球面レンズ面のような回転対称な面を、
従来法によつて、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標を測定した場
合、測定データを円筒座標系に変換する必要があ
る。
従来法によつて、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標を測定した場
合、測定データを円筒座標系に変換する必要があ
る。
発明の目的
本発明は、上記の従来法の欠点を解消するもの
で、被測定物体面の形状を、レーザ測長法で直接
測定することによつて高精度測定を可能とすると
共に、非球面レンズ面等の、ほぼ回転対称な被測
定物を、傾いた軸を中心に回転させることによ
り、従来法の２倍、即ち、最大±60゜の傾きを持
つ面の測定まで可能とし、さらに、直接円筒座標
系による測定データを出すことができる光学測定
装置を得ることを目的とする。
で、被測定物体面の形状を、レーザ測長法で直接
測定することによつて高精度測定を可能とすると
共に、非球面レンズ面等の、ほぼ回転対称な被測
定物を、傾いた軸を中心に回転させることによ
り、従来法の２倍、即ち、最大±60゜の傾きを持
つ面の測定まで可能とし、さらに、直接円筒座標
系による測定データを出すことができる光学測定
装置を得ることを目的とする。
発明の構成
上記目的を達する為、本発明の光学測定装置
は、測定光（周波数f1）と、参照光（周波数f2）
の２つの周波数が安定化された放射光を発生する
放射光源と、この放射光源からの放射光を一定の
スポツトサイズと広がり角を持つ放射光に変換す
る光学系と、この放射光を測定光f1と参照光f2に
光路を分離する光分離手段と、測定光を被測定物
体面上に集光する対物レンズと、測定光の光軸方
向をＺ軸方向とし、Ｚ軸からの距離をＲとした円
筒座標系Ｒ−θ−Ｚにおいて、被測定物をＲ方向
（半径方向）の移動と、θ方向（回転角）の回転
を可能とした移動手段と、被測定物体面からの反
射光の一部を受光して、焦点が被測定物体面から
ずれた場合の焦点誤差信号を検出する第二の光検
出器群、及び、焦点誤差信号を発生するように、
反射光の光路内に設置された光学系と、この焦点
誤差信号に応じて対物レンズと被測定物体面との
距離が一定となるよう対物レンズを移動させる移
動台を有し、被測定物体面から反射した測定光
と、参照光とを干渉させ、これらのビート周波数
の変動から被測定物体面の形状を高精度に測定で
きる構成としたものである。
は、測定光（周波数f1）と、参照光（周波数f2）
の２つの周波数が安定化された放射光を発生する
放射光源と、この放射光源からの放射光を一定の
スポツトサイズと広がり角を持つ放射光に変換す
る光学系と、この放射光を測定光f1と参照光f2に
光路を分離する光分離手段と、測定光を被測定物
体面上に集光する対物レンズと、測定光の光軸方
向をＺ軸方向とし、Ｚ軸からの距離をＲとした円
筒座標系Ｒ−θ−Ｚにおいて、被測定物をＲ方向
（半径方向）の移動と、θ方向（回転角）の回転
を可能とした移動手段と、被測定物体面からの反
射光の一部を受光して、焦点が被測定物体面から
ずれた場合の焦点誤差信号を検出する第二の光検
出器群、及び、焦点誤差信号を発生するように、
反射光の光路内に設置された光学系と、この焦点
誤差信号に応じて対物レンズと被測定物体面との
距離が一定となるよう対物レンズを移動させる移
動台を有し、被測定物体面から反射した測定光
と、参照光とを干渉させ、これらのビート周波数
の変動から被測定物体面の形状を高精度に測定で
きる構成としたものである。
実施例の説明
以下、本発明の実施例について、図面に基づい
て説明する。発振周波数f1，f2のゼーマンレーザ
１から出た光は、λ／４板２で、２つの偏光方
向、つまり、電場が紙面に垂直な方向に偏波した
f2の光と、紙面に平行な方向に偏波したf1の光に
分けられる。そして、ビームスプリツタ３で一部
の光が分離され、ビート周波数（f1−f2）が光検
出器４により検出される。ビームスプリツタ３を
通過した光のうちf2の光は偏光プリズム５によつ
て上方に反射し、固定ミラー７で反射して光検出
器８上に達する。一方、f1の光は被測定物９の表
面で反射するが、被測定物９が移動すると、移動
速度のＺ成分vzによつて、反射光の周波数はドプ
ラーシフトし、f1からf1（１−2vz／ｃ）となる。反射 光は一部が偏光プリズム１０によつて分けられ、
位置サーボとフオーカスサーボの誤差信号を発生
させる為、光検出器１１，１２に達する。前記偏
光プリズム１０はＰ偏波が全透過し、Ｓ偏波が一
部反射し、残りが透過する性質を持つ。偏光プリ
ズム１０を透過した反射光は、偏光プリズム５で
全反射し、光検出器８上に達する。光検出器８上
でf2とf1＋Δfとのビート周波数f1＋Δf−f2が得ら
れ、光検出器４上で得られたビート周波数f1−f2
との差からΔfが求まり、これを積分して変位Ｚ
が求まる。こうして求めたＺの測定精度は、0.1
〜0.01μm程度である。位置サーボ及びフオーカ
スサーボについては、特願昭57−189761号に記載
されているが、再掲すると以下のとおりとなる。
位置サーボについては、第２図において、被照射
面９がａ傾くと、反射光は2a傾き、対物レンズ
１３透過後の反射光の中心位置はF2sin2aだけ変
化する。なおF2は対物レンズ１３の焦点距離で
ある。ところが、対物レンズ１３か、あるいは入
射光の中心をF2sinαだけ平行移動させれば、反射
光は入射光と同一の光路を戻る。すなわち第２図
のように、反射光の位置ずれがあれば、例えば反
射光の一部を、二分割されている光検出器１１で
受け、位置ずれに応じて発生する誤差信号によつ
て、対物レンズ１３を光軸に対して垂直な方向に
動かし、第３図のように、反射光位置が一定にな
るようサーボをかける。
て説明する。発振周波数f1，f2のゼーマンレーザ
１から出た光は、λ／４板２で、２つの偏光方
向、つまり、電場が紙面に垂直な方向に偏波した
f2の光と、紙面に平行な方向に偏波したf1の光に
分けられる。そして、ビームスプリツタ３で一部
の光が分離され、ビート周波数（f1−f2）が光検
出器４により検出される。ビームスプリツタ３を
通過した光のうちf2の光は偏光プリズム５によつ
て上方に反射し、固定ミラー７で反射して光検出
器８上に達する。一方、f1の光は被測定物９の表
面で反射するが、被測定物９が移動すると、移動
速度のＺ成分vzによつて、反射光の周波数はドプ
ラーシフトし、f1からf1（１−2vz／ｃ）となる。反射 光は一部が偏光プリズム１０によつて分けられ、
位置サーボとフオーカスサーボの誤差信号を発生
させる為、光検出器１１，１２に達する。前記偏
光プリズム１０はＰ偏波が全透過し、Ｓ偏波が一
部反射し、残りが透過する性質を持つ。偏光プリ
ズム１０を透過した反射光は、偏光プリズム５で
全反射し、光検出器８上に達する。光検出器８上
でf2とf1＋Δfとのビート周波数f1＋Δf−f2が得ら
れ、光検出器４上で得られたビート周波数f1−f2
との差からΔfが求まり、これを積分して変位Ｚ
が求まる。こうして求めたＺの測定精度は、0.1
〜0.01μm程度である。位置サーボ及びフオーカ
スサーボについては、特願昭57−189761号に記載
されているが、再掲すると以下のとおりとなる。
位置サーボについては、第２図において、被照射
面９がａ傾くと、反射光は2a傾き、対物レンズ
１３透過後の反射光の中心位置はF2sin2aだけ変
化する。なおF2は対物レンズ１３の焦点距離で
ある。ところが、対物レンズ１３か、あるいは入
射光の中心をF2sinαだけ平行移動させれば、反射
光は入射光と同一の光路を戻る。すなわち第２図
のように、反射光の位置ずれがあれば、例えば反
射光の一部を、二分割されている光検出器１１で
受け、位置ずれに応じて発生する誤差信号によつ
て、対物レンズ１３を光軸に対して垂直な方向に
動かし、第３図のように、反射光位置が一定にな
るようサーボをかける。
被照射面９が焦点位置からずれた場合、反射光
の光路は一定でなくなるので良くない。そこで例
えば、反射光をレンズ１６と円柱レンズ１７とで
絞り込み、生じた非点収差から誤差信号を取り出
し、対物レンズ１３、或いは、被測定物体を光軸
方向に動かし、フオーカスサーボをかける。
の光路は一定でなくなるので良くない。そこで例
えば、反射光をレンズ１６と円柱レンズ１７とで
絞り込み、生じた非点収差から誤差信号を取り出
し、対物レンズ１３、或いは、被測定物体を光軸
方向に動かし、フオーカスサーボをかける。
本発明における光学測定装置は、回転対称な、
非球面レンズ面の測定等に好適なもので、回転対
称な被測定物９は、回転方向（θ）とＸ方向
（ｒ）の二方向に動かされ、Ｚ方向の厚さ変化が
測定される。前述のように、被測定物９の傾きに
応じて、対物レンズ１３をＸ方向に移動させた
時、集光点の位置は、対物レンズの移動量X1だ
け移動する。これは、入射光が平行光であれば厳
密に成り立つ。従つて、測定点の位置は、被測定
物の移動量X1から、対物レンズの移動量X2を引
いた、X1−X2となる。回転対称な被測定面９の
中心をゼロとおくと、X1−X2は、円筒座標系で
の半径ｒとなる。X1−X2は、対物レンズ及び被
測定物の取付け部に取り付けられたミラーを利用
して、Ｚ方向と同様、レーザ測長法で高精度で測
定できる。回転角度θについては、回転部２３に
取り付けられたロータリーエンコーダによつて測
定できる。
非球面レンズ面の測定等に好適なもので、回転対
称な被測定物９は、回転方向（θ）とＸ方向
（ｒ）の二方向に動かされ、Ｚ方向の厚さ変化が
測定される。前述のように、被測定物９の傾きに
応じて、対物レンズ１３をＸ方向に移動させた
時、集光点の位置は、対物レンズの移動量X1だ
け移動する。これは、入射光が平行光であれば厳
密に成り立つ。従つて、測定点の位置は、被測定
物の移動量X1から、対物レンズの移動量X2を引
いた、X1−X2となる。回転対称な被測定面９の
中心をゼロとおくと、X1−X2は、円筒座標系で
の半径ｒとなる。X1−X2は、対物レンズ及び被
測定物の取付け部に取り付けられたミラーを利用
して、Ｚ方向と同様、レーザ測長法で高精度で測
定できる。回転角度θについては、回転部２３に
取り付けられたロータリーエンコーダによつて測
定できる。
なお、１５はビームスプリツタ、１４，１８は
λ／４板、１７は円柱レンズ、２１は測定値表示
部、２０は被測定物測定位置表示部、２２は対物
レンズ駆動装置、１９は被測定物駆動装置であ
る。
λ／４板、１７は円柱レンズ、２１は測定値表示
部、２０は被測定物測定位置表示部、２２は対物
レンズ駆動装置、１９は被測定物駆動装置であ
る。
対物レンズ１３の開口角より、被測定面の傾き
角αが大きい場合は、原理的に測定できない。作
動距離との関係で、対物レンズのNA（開口数）
を0.6より大きくするのはむずかしいので、開口
角は、36゜より大きくとりにくい。（開口角は、
sin-1NAで表わされるが、NA＝0.6の時、36゜と
なる。）従つて、上述の方法でも、被測定面の傾
きが、30゜より大の時、測定ができなくなる。そ
こで、本発明の第二実施例においては、第４図の
ように、被測定物の回転方向への駆動部の回転軸
を、角度βだけ傾ける。その後、Ｘ方向とθ方向
に被測定物を移動させ測定する。ほぼ回転対称な
面であれば、面の中心から周辺までＸを変化さ
せ、θ方向に回転させれば、全面の測定ができ
る。面の傾きが最大α1まで測定できるとし、回転
軸をβ（β≦α1）傾けると、回転中心に対し、最
大α1＋βの傾きを持つた被測定物まで測定可能
で、最大では、α1＝β＝30゜の時、60゜の傾きを持
つ被測定物まで測定可能となる。
角αが大きい場合は、原理的に測定できない。作
動距離との関係で、対物レンズのNA（開口数）
を0.6より大きくするのはむずかしいので、開口
角は、36゜より大きくとりにくい。（開口角は、
sin-1NAで表わされるが、NA＝0.6の時、36゜と
なる。）従つて、上述の方法でも、被測定面の傾
きが、30゜より大の時、測定ができなくなる。そ
こで、本発明の第二実施例においては、第４図の
ように、被測定物の回転方向への駆動部の回転軸
を、角度βだけ傾ける。その後、Ｘ方向とθ方向
に被測定物を移動させ測定する。ほぼ回転対称な
面であれば、面の中心から周辺までＸを変化さ
せ、θ方向に回転させれば、全面の測定ができ
る。面の傾きが最大α1まで測定できるとし、回転
軸をβ（β≦α1）傾けると、回転中心に対し、最
大α1＋βの傾きを持つた被測定物まで測定可能
で、最大では、α1＝β＝30゜の時、60゜の傾きを持
つ被測定物まで測定可能となる。
発明の効果
非球面レンズの場合、大きな傾き面を持つた形
状が必要な場合も多いが、本発明によればほとん
どの非球面レンズの形状を、非接触で、きわめて
高精度の測定が可能となる。又、上述のｒ、θ移
動台は、このまま、超精密旋盤や、研磨機に取り
つけることができ、中心出し等の手間を省くこと
ができる等の点で、この工業的利用価値は極めて
大である。
状が必要な場合も多いが、本発明によればほとん
どの非球面レンズの形状を、非接触で、きわめて
高精度の測定が可能となる。又、上述のｒ、θ移
動台は、このまま、超精密旋盤や、研磨機に取り
つけることができ、中心出し等の手間を省くこと
ができる等の点で、この工業的利用価値は極めて
大である。
第１図は本発明の光学測定装置の第１実施例の
構成図、第２図及び第３図は本発明の実施例の原
理説明図、第４図は本発明の第２の実施例におけ
る部分的な構成図である。 ４，８，１１，１２……光検出器、１……ゼー
マンレーザ、１４，１８……λ／４板、３，１５
……ビームスプリツタ、５，１０……偏光プリズ
ム、７……ミラー、９……被測定物、１３……対
物レンズ、６，１６……レンズ、１７……円柱レ
ンズ、２１……測定値表示部、２０……被測定物
位置表示部、２２……対物レンズ駆動装置、１９
……被測定物駆動装置。
構成図、第２図及び第３図は本発明の実施例の原
理説明図、第４図は本発明の第２の実施例におけ
る部分的な構成図である。 ４，８，１１，１２……光検出器、１……ゼー
マンレーザ、１４，１８……λ／４板、３，１５
……ビームスプリツタ、５，１０……偏光プリズ
ム、７……ミラー、９……被測定物、１３……対
物レンズ、６，１６……レンズ、１７……円柱レ
ンズ、２１……測定値表示部、２０……被測定物
位置表示部、２２……対物レンズ駆動装置、１９
……被測定物駆動装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 周波数f1の測定光と周波数f2の参照光を発生
する光放射手段と、これらの光を別の光路に分離
する第１の光分離手段と、前記測定光を被測定物
体面上に集光させる為の対物レンズと、被測定物
体面から反射して、再び前記対物レンズを通過し
た測定光と、前記参照光を第１の光検出器上で干
渉させる光学系と、光検出器上で発生したビート
周波数の変動を検出し、前記被測定物体面の変位
を測定可能とする為の信号処理手段と、前記測定
光の光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸からの距離をＲと
した円筒座標系Ｒ−θ−Ｚにおいて、被測定物を
Ｒ（半径）方向の移動と、θ（角度）方向への回転
を可能とした移動手段と、前記被測定物体面から
反射した測定光を一部第２の光分離手段によつて
分離した光、又は別の第２の光源からの光を前記
対物レンズを通して前記被測定物体面上に照射さ
せ、反射した光を、測定光の反射光から分離する
第３の光分離手段によつて分離された光を受光す
るフオーカス誤差信号検出用の第２の光検出器群
と、前記第２、又は第３の光分離手段と前記第２
の光検出器群の間に位置し、前記反射光の光路
を、前記第２の光検出器群上で好適な焦点誤差信
号を得ることができる形に変換する為の光学手段
を備え、前記光検出器群から得られた焦点誤差信
号によつて、前記対物レンズと前記被測定物体面
との距離を一定に保つよう、前記対物レンズ、又
は、前記被測定物体をＺ軸方向に移動させる手段
を備えた光学測定装置。 ２ 被測定物を、Ｒ及びθ方向に移動させる移動
手段のθ方向の回転の中心軸を、測定光の光軸に
対して傾斜させる手段を備えた特許請求の範囲第
１項記載の光学測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58212756A JPS60104206A (ja) | 1983-11-11 | 1983-11-11 | 光学測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58212756A JPS60104206A (ja) | 1983-11-11 | 1983-11-11 | 光学測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60104206A JPS60104206A (ja) | 1985-06-08 |
| JPH0211084B2 true JPH0211084B2 (ja) | 1990-03-12 |
Family
ID=16627889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58212756A Granted JPS60104206A (ja) | 1983-11-11 | 1983-11-11 | 光学測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60104206A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0669190U (ja) * | 1993-03-08 | 1994-09-27 | 益弘 光山 | 展示具 |
| JPH0680690U (ja) * | 1993-04-26 | 1994-11-15 | 益弘 光山 | 展示具 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63252207A (ja) * | 1987-04-08 | 1988-10-19 | Olympus Optical Co Ltd | ステ−ジ |
| JP6413596B2 (ja) * | 2014-10-10 | 2018-10-31 | 横河電機株式会社 | 共振周波数測定システム、共振周波数測定方法 |
| JP7036375B2 (ja) * | 2018-03-12 | 2022-03-15 | 日本植生株式会社 | ろ過方法及び該ろ過方法に用いるろ過布 |
-
1983
- 1983-11-11 JP JP58212756A patent/JPS60104206A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0669190U (ja) * | 1993-03-08 | 1994-09-27 | 益弘 光山 | 展示具 |
| JPH0680690U (ja) * | 1993-04-26 | 1994-11-15 | 益弘 光山 | 展示具 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60104206A (ja) | 1985-06-08 |
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