JPH0510602B2 - - Google Patents

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.20 No.19，1981pp.3367〜3377に
記載の“Aspheric surface 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ｌはビームエクスパ
ンダ２により光束が拡げられ、ビームスプリツタ
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、回転ミラー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ないことや非球面
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オーカス方式に構成し、非
球面量の大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
御連合会講演会予縞4042（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はビームス
プリツタ３により参照鏡４に向う光束とビームス
プリツタ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、ビームスプリツタ１１によりビームスプリツ
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オーカス機能を有
している。被検物７は矢印ｂ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つて対
物レンズ５からビームスプリツタ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ａ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。ビームスプリツタ３に向つた
光束はこのビームスプリツタ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により計数される。

この装置の特徴は、オートフオーカス機能を有
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
を被検物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響
を軽減するための環境条件を必要とする。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、入射する光ビームはウオラストンプリズム
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オ
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
干渉縞計数部により計数される。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
ることができ、振動等の機械的擾乱に対して極め
て安定した系になつていることである。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、面形状を求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つた。

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、且つ凹面及び凸面の
両方について高精度な測定を行える面形状測定器
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（夫々を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，ｓ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
なつている。

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
て本発明を詳細に説明すれば、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を発す
る光源であつて、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。１５，１
６，１７は偏光プリズムで、ｐ，ｓ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
りに回転可能となつている。１９，２０はフアラ
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，ｓ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／４ローテータで、入射光
ビームの偏光面を右または左に45゜回転せしめる。
ビームスプリツタ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
とえばロシヨ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へプ
リズムの楔角により定まる一定の開き角をもつた
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により平行な二つの光束となつて被
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と組になつ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
はり図示しない直線駆動装置により被検物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１
２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（デフオーカス量）
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。２４，２５，２６，２
７は鏡である。参照鏡４には直角プリズムを用い
る。従つて、ｐ，ｓ両偏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ツクのレ
ンズ又は金型などが対象となり、光軸のまわり或
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、光ビームが直線偏光であつて紙
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％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１
６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
光成分がフアラデイローテータ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アラデイローテータ１
９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図ので表
わすと、フアラデイローテータ１９を通過するこ
とによりたとえばの状態に変り、π／４ローテ
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ツタ１１を経て複
屈折プリズム２３に至る。この複屈折プリズム２
３にロシヨ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ツタ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
オ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／４ローテータ２１を通
過して第５図のからの状態に偏光面が変り、
更にフアラデイローテータ１９を通過することに
よりからの状態即ち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り、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２９に入射
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
報を坦つて干渉縞計数部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
ついてのべたきたが、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により楕円偏
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１６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で反射された後フアラデイローテ
ータ２０、π／４ローテータ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つて同じ光路を逆にたど
り、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／４ロー
テータ２２、フアラデイローテータ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
アラデイローテータ１９を往復二回通過すること
によりｓ偏光に変換されて被検物７の一場所の形
状の情報を担つ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２９で
は、偏光プリズム１５で反射した成分のうちｓ偏
光がフアラデイローテータ２０を往復二回通過す
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つた信号光
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つているため、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つてい
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Ｌを横軸に回転角θを夫々とつ
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Ｌ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ＯからＰまで測定したとすれば、Ｓ
偏光は同じ形状をＯ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した実線の擾乱が入
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。従つて、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ＯＰＱ⌒と横軸θとの間の面積の差を求めると、
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
積が求められ、これをシア量で除去することによ
りＰＱ⌒の中間点での非球面量の真の値が求められ
る。即ち、本発明の面形状測定器は、Ｐ，Ｓ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Ｌを各回転角に対し誤差の積算なしに求
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。従つ
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
トフオ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つて
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、３０，３
１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、ビームスプリツタ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、公知の技術によりデフオ
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
つて干渉計の方へ戻つてゆく。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１２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。従つて、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、入射光束と被検物７
との交点が入射光束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。第一及び
第二の実施例のフアラデイローテータ１９，２０
およびπ／４ローテータ２１，２２の代りに本実
施例では1/4波長板３３が挿入してある。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
ムスプリツタ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、残りの光学系
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ツタを用いているがふつ
うのビームスプリツタを用いることも可能であ
る。また４あるいは３０して直角プリズムを用い
ているが、キヤ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。また対物レンズ５
の代りにホログラムレンズなどの他の光収束部材
を使用することもできる。

発明の効果 上述の如く、本発明による面形状測定器は、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、且つ凹
面及び凸面の両方について高精度に測定できると
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…ビームスプリツタ、１２…光検知
器、１５，１６，１７…偏光プリズム、１８…1/
２波長板、１９，２０…フアラデイローテータ、
２１，２２…π／４ローテータ、２３…複屈折プ
リズム、２４，２５，２６，２７…鏡、２８，２
９…干渉縞計数部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、各偏光成分を楕円偏光に変換し、各楕円偏光
   を各々異なる偏光成分に分離して各楕円偏光から
   夫々参照光成分と測定光成分とを生成する光束分
   離光学系と、 該光束分離光学系で生成された二つの参照光成
   分に対して共通光路を有する参照光学系と、 前記光束分離光学系で生成された二つの測定光
   成分を結合させる結合光学系と、 結合された二つの測定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、 被検面上での測定光成分の集束位置を変化させ
   ながら、被検面上で反射した二つの測定光成分と
   前記二つの参照光成分の同じ偏光成分同士を干渉
   させること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、 を備えた面形状測定器。