JPH03243804A - 非球面の形状測定方法 - 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、干渉計を用いて光学的非球面の形状を測定す
る方法に関するものである。

［従来の技術］ 光学機器において、非球面レンズを使用することはその
収差を低減するに当たり大変有意義なことである。それ
に加えて、近年の成形技術の進歩により同一形状の非球
面レンズが大量に生産できるようになったことから、カ
メラなどの民生品にも多く使用されるようになってきた
。

精度の良い非球面レンズを製作するには精度の高い測定
技術が必要不可欠である。一般の非球面レンズに要求さ
れる形状測定精度は０．１μｍ以下と非常に高く、通常
用いられている三次元測定器は対処できず、より高い精
度の測定器が必要となる。

一方、球面レンズを評価するために開発されてきたフィ
ゾー型干渉計を代表とするレーザー干渉計は、光の波長
を単位として測定を行うため、大変高精度な測定を可能
にする反面、ダイナミックレンジが狭く、非球面量（非
球面形状の近似球面からの最大ずれ量）が２０μｍ以下
の被測定物しか測定できず、それ以上になると測定でき
ないという欠点を有している。これは第５図に示すよう
に球面からの収差が非常に大きい非球面の形状を測定す
る場合は、球面波を被測定面Ｓに入射させる通常の干渉
測定法では、光線が被測定面の全ての面に対して垂直に
は入射しなくなってくるため、垂直に当たらない部分の
光線すがもと来た光路を戻らず、干渉計内の撮像素子面
−Ｅへ到達しなくなってしまうからである。このとき干
渉計により観測される干渉縞は第６図に示すようにリン
グ状となる。このリング状になった干渉縞は逆に被測定
物に光線が垂直に当たっているところである。そのため
被個定物の位置と、リングの径Ｗ、そして干渉計の倍率
を測定することにより、リング状に戻ってきた光線位置
での被測定面Ｓの傾きを求めることが可能である。

そこで、この点に着目して被測定面Ｓの位置を順次変化
させながら各点でのリングの径Ｗを測定し、傾きを算出
し、それを繋ぎ合わせて積分することにより、表面の形
状を測定する方法が「光学」（第１２巻第４号、１９８
２年８月〉に発表されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記測定方法において、その個定精度を向上させるには
、■リングの径をより精度良く求める、■干渉計の持つ
幾何光学的倍率を精度良く求める、の２つの条件が必要
不可欠とされる。

これに対して、本発明は縞走査法による位相検出に代え
て縞の強度変化の振幅からリングの径を精度良く求め、
非球面量が２０μｍを越える大きな非球面の形状を高精
度に測定し得るようにした非球面の形状測定方法を提供
することにある。

１課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を遠戚するために、非球面量が２０μ
ｍを越える被測定物をフィゾー型干渉計にて！ｌ！測し
、得られるリング状の干渉縞のリング径を求め、各点の
被測定物の傾きを算出し、形状を測定する非球面の形状
測定方法において、そのリング径を、縞走査法を用いた
時の縞の強度変化の振幅から求めるようにしたものであ
る。

［作用］ フィゾー型干渉計において、球面原器を光軸方向に移動
させて縞走査すると、干渉縞の強度は参照光の位相変化
に対して正弦波的に変化し、この正弦曲線の初期位相が
被洒定面上のある点における干渉縞の位相を与える。ま
た、この正弦曲線の振幅を求めることで、被測定面の各
点からの反射強度を測定することができ、これをプロッ
トすると、リングの中央部が明らかになる。

［実！ＩＮ］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１−図は本発明に係る非球面の形状測定方法を説明す
るために用いられるフィゾー型干渉計の光学系の図であ
る。同図において、１は光源、２は発散レンズ、３はハ
ーフミラ−５４はコリメータレンズ、５は球面原器、６
は球面原器５を光軸方向に移動させるピエゾ素子等の駆
動装置、７は被測定物、８は可変空間フィルタ、９は結
像レンズ、■０はＣＣＤカメラ等の撮像素子、Ｓは被測
定物７の非球面からなる被測定面である。光源１として
は可視、赤外または紫外の可干渉性のよい光束を発する
ものとして、例えばＨｅ−Ｎｅレーザーが使用される。

被測定物７は、被測定面Ｓの曲率中心が球面原器５の焦
点Ｆ位置と一致するように配置される。

このような構成からなるフィゾー型干渉計において、光
源■から発射された波長λの単色光からなるレーザ光は
、発散レンズ２によって発散光となり、ハーフミラ−３
で反射され、コリメータレンズ４によって再び光軸と平
行な平行光とされた後、球面原器５を経て被測定物７の
被測定面Ｓを照射する。この時、その光束の一部は球面
原器５の参照面Ｒで反射し、残りは被測定面Ｓで反射す
る。これらの反射光の波面は、それぞれ参照面Ｒと被測
定面Ｓの形態に応じた形状となっている。

参照面Ｒと被測定面Ｓで反射した２つの反射光は同一の
光路を戻ることにより互いに重ね合わされ、コリメータ
レンズ４、ハーフミラ−３および可変空間フィルタ８を
通過し、結像レンズ９によって撮像装置１０の撮像面に
結像されることにより、再反射光の相互干渉に基づく干
渉縞からなる干渉像を形成する。そして、干渉縞を解析
することにより、被測定面Ｓの面精度が測定される。

測定に際しては、駆動装置６によって球面原器５を光軸
方向に振動させて球面原器５と被測定物７との間隔を変
え、参照面Ｒで反射した反射光と、ｍ測定面Ｓで反射し
た反射光との光路差を変えることで読取り精度の向上を
図るようにしており、このような方法は縞走査法（フリ
ンジ−スキャン干渉法〉と呼ばれている。

なお、このようなフィゾー型干渉計自体は従来装置と全
く同様である。

今、上記構成からなるフィゾー型干渉計において、被測
定面Ｓが非球面で、その非球面量が２０μｍ以上である
とすると、第５図に示したように被測定面Ｓに垂直に入
射する光線ａはちと来た光路を戻り、撮像素子面上に到
達するが、そうでない光線すはちと来た光路を戻らず、
撮像素子面上へは戻らない。その結果、干渉縞は第６図
に示すリング状となる。このリングの径の幅は、干渉計
内の可変空間フィルタ８によって変化される。

方、リングの径Ｗは被測定物の位置（第２図Ｌｐ）によ
って変化する。

一方、干渉計の倍率が一定であると仮定すると、第２図
に示すように撮像素子面におけるリングの径（２Ｘｐ“
〉に対する光線角度ｅｐは、一定の関係で表される。ま
た、光線角度ｅｐとＰ点における被測定面の傾きとは一
致する。そのため、予めリングの径Ｗに対する光線角度
ｅｐの関係を測定しておき、被測定面Ｓの原器焦点Ｆが
らの位置Ｌｐを測定しながらリングの径Ｗを測定し、各
点における傾きを求め、その結果を積分することにより
、実際の形状を求めることが可能となる。

ここで、リング径（２Ｘｐ）は撮像素子あるいはフレー
ムメモリ上のピッチにて換算される。一般に、これらの
素数は５１２Ｘ５１２以下で大変粗い。また、第３図（
ａ）、（ｂ）に示すようにリング自身やリング外の所に
大きなノイズが多く含まれており、大変その検出が困難
である。

そこで、本発明においては上記縞走査法を用いることに
よりこのリングをノイズから取り出し、そのリング径を
精度良く求めようとするものである。

一般に、縞走査法とは干渉計においてその干渉縞を走査
することにより、位相状態をより精度良く検出しようと
するものである。

第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は縞走査法の原理を説明
するための図で、参照光の光路長を変化させるために、
−原器５にピエゾ素子６を貼り付け、１　／　１００波
長〜１／１０００波長の精度で光軸に沿って原器５を移
動させるようにしである。いま、ピエゾ素子６に電圧を
印加し、参照光の位相を変化させると、被測定面Ｓ上の
一点Ａでは干渉縞の強度が参照光の位相に対して同図（
ｂ）のように変化する。干渉縞の一点においては、参照
光の位相変化に対して干渉縞の強度は正弦波的に変化し
、この正弦曲線の初期位相が、点Ａにおける干渉縞の位
相を与える。点Ａと点Ｂで高さの差があれば両者の初期
位相は異なる。ヘテロダイン干渉法と異なる点は、ヘテ
ロダイン干渉計では参照信号と測定信号のビートをとっ
て各点で位相検出するのに対して、縞走査法は、段階的
に参照位相を変化させて、各測定点の縞強度をテレビカ
メラなどの２次元光検出器で同時に測定できる点にある
。

要するに、縞走査法は原器５の基準面あるいは被測定面
Ｓのどちらかを光軸方向に動かしく走査）でその時の干
渉縞の各々の点での強度の変化を正弦波に当てはめ、そ
の初期の位相Ｐをより正確に求めようとするものである
。

但し、本発明はこの初期位相を求める代わりに振幅Ｉを
求めてリングの径の測定を行う点に特徴を有するもので
ある。

例えば、参照面をλ／２〈λ：波長〉だけ走査し、その
間に等間隔（光路長でλ／４）に４枚の干渉縞を取り込
んだと仮定する。一般に、４枚の干渉縞の一点の強度が
ＡＢＣＤ　（第４図（ｂ））と変化したとすると、初期
位相Ｐは、 −Ｄ で計算される。

振幅■の２乗は Ｉ２＝　（Ａ−Ｃ）２　＋　（Ｂ−Ｄ）２で計算される
。

このＩ２を各々の点で計算し、プロットすると、第４図
（ｂ）のようにリング中央部が明確に分かる。

これは振幅の２乗は干渉する２つの光線の強度が相等し
い時に最大となるためである。参照面と被測定面の反射
率が等しければ、被測定面Ｓからの反射した光線が可変
空間フィルタ８（第１図〉などでカットされることがな
い。垂直に光線が当たった場所（求めたいリングの中央
）にて２つの光線の強度は最も近づき、振幅の２乗が最
大となる。当然、被個定面Ｓの中央にも垂直に光線が当
たる部分が存在するため、中央部の振幅ｆが大きい所の
み取り除き、振幅の２乗の強度に応じ最少自乗法を用い
て最大値の中心を求めることにより、リング径を正確に
求めることができる。

原器５の反射率が被測定物７の反射率より大きい場合、
この原器５は全く問題ない。一方、反対に被測定物７の
反射率が大きくなると、垂直に光線が反射する所（リン
グ中央）が若干振幅が下がるため、参照面を被個定面の
間にペリクル状のＮＤフィルタ等を入れることが好まし
い。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明に係る非球面の形状測定方法は
、非球面率が２０μｍを越える被測定物の非球面をフィ
ゾー型干渉計で測定するに際して、縞走査法を用いた時
の縞の強度変化の振幅がらリング状干渉縞の径を求める
ようにしたので、リング径を求めることで、その位置に
おける被測定面の傾きを求めることができる。したがっ
て、被測定物を光軸に沿って動がし、各々のリング径を
求め、傾きを算出し、これをつないで積分し、座標変換
することにより非球面の形状を正確に測定することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る非球面の形状測定方法を説明する
ために使用されるフィゾー型干渉計の光学系を示す図、
第２図はリング検出法の測定原理を示す図、第３図（ａ
）、（ｂ）はノイズを含んだ干渉縞とその強度を示す図
、第４図（ａ）、〈ｂ）、（ｃ）は縞走査法の原理を説
明するための図、第５図は従来における非球面量が大き
い場合の非球面形状の測定を説明するための図、第６図
はリング状干渉縞を示す図である。 ｌ・・・光源、３・・・ハーフミラ−１５・球面原器、
７・・・被測定物、８・−・可変空間フィルタ、１０・
・・撮像素子、Ｓ・・・被測定面、Ｗ・・・リングの径
。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　非球面量が２０μｍを越える被測定物をフィゾー型干
   渉計にて観測し、得られるリング状の干渉縞のリング径
   を求め、各点の被測定物の傾きを算出し、形状を測定す
   る非球面の形状測定方法において、そのリング径を、縞
   走査法を用いた時の縞の強度変化の振幅から求めるよう
   にしたことを特徴とする非球面の形状測定方法。