JPH0650732A

JPH0650732A - 面形状測定器

Info

Publication number: JPH0650732A
Application number: JP3118474A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kato; 正彦加藤; Shuri Sekiguchi; 修利関口; Hiroyuki Kurita; 裕之栗田; Takashi Kawashima; 隆川島; Kazuo Kawakami; 一雄川上; Toshifumi Uetake; 敏文植竹
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1994-02-25
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH0678894B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非球面量の大きい被検面又は曲率半径の小さ
い被検面を、凹面及び凸面の両方について高精度且つ短
時間に測定できるようにしたものである。【構成】可干渉性の光束が、反射プリズム１６で試験
光束と参照光束とに分けられ、試験光束は直角プリズム
３０，３１を介して対物レンズ５により被検物７に収束
されて反射される。参照光束は参照鏡４で反射されて、
反射された試験光束と再び反射プリズム１６で結合さ
れ、干渉縞計数部２８，２９へ入射する。試験光束の反
射光は光検知器１２で検知され、直角プリズム３０を移
動させて横ずれ量を是正するため、試験光束は被検物７
に垂直に入射し、同一光路に反射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラ等に用いられる
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。

【０００２】

【従来の技術】ミラーと被検物の回転駆動を組み合わせ
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.19,1981 pp.3367〜3377に記
載の“Aspheric surface caliblator （非球面測定
器）”がある。

【０００３】図６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
広げられ、ビームスプリッタ３により参照鏡４に向かう
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、ビームスプリッタ３において参照鏡４から反射さ
れた光束と重ね合わせられ、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。

【０００４】ところが、この装置の場合、原理的に凸面
の測定が出来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。

【０００５】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
会予稿４０４２（Ｐ．５９３〜５９４）に記載のものが
ある。

【０００６】その概要を図７に示すと、ゼーマンレーザ
ー１０から放出された光束ｌはビームスプリッタ３によ
り参照鏡４に向か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によりビームス
プリッタ３に向かう光束と光検知器１２に向かう光束に
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ｂで示されたように平面的（Ｘ−Ｙ面とする）に走
査される。

【０００７】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に向かう。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に向か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わせられて干渉縞
を形成し、干渉縞計数部８により計数される。

【０００８】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を被検物７と同じ振動
系に固定する必要を生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、振動条件とア
ッ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が必要になる。

【００１０】又、前述の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機構を必要とする
と共に測定時間も長くなるという欠点があった。

【００１１】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。

【００１２】本発明は、上記問題点に鑑み、非球面量の
大きいもの或いは曲率半径の小さいものを、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
状測定器を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による面形状測定
器は、可干渉性の光束を発する光源と、この光束を参照
光束と試験光束とに一旦分離した後これらを結合させる
分離結合光学系と、試験光束を光軸に垂直な方向に移動
させる傾き補正光学系と、この試験光束を被検面に集束
する集束光学系と、被検面の傾きによって生ずる光束の
横ずれを検出する光検出器と、参照光束を反射する参照
鏡と、参照光束と試験光束とを結合させて生ずる干渉縞
を計数する干渉縞計数部と、から構成されていることを
特徴とするものである。又、集束光学系の光源側に、試
験光束を相異なる２つの偏光成分に分離する複屈折素子
が設けられている。又、試験光束の経路の途中にファラ
ディローテータが設けられている。

【００１４】

【作用】傾き補正光学系により光束を光軸に垂直な方向
に移動させるようにしているため、被検面が曲面である
場合でも、被検面に対する入射位置を移動させることな
く被検面に光束を垂直に入射させることができ、従っ
て、対物レンズや測定対象物を移動させる必要がないの
で、短時間に精度良く測定を行うことができる。

【００１５】

【実施例】以下、図１乃至図４に示した本発明の一実施
例を、上述の従来技術と同一の部材には同一符号を付し
て説明する。図１は本実施例の基本式な構成を示してお
り、光源１は可視，赤外或いは紫外の光ビーム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，ｓ両偏光を分離又は結合する。１
８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はファラディローテータで、ガラス又は
結晶が用いられ、例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
け回転する機能を持つ。尚、ガラスとしては保谷硝子株
式会社製のＦＲ−５等を用いることができる。

【００１６】２１，２２はπ／４ローテータで、入射光
ビームの偏光面を右又は左に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
て一方を後述の干渉縞計数部の方へ送り、他方を光検知
器１２に向ける。３０，３１は直角プリズムで、プリズ
ム３０は矢印で示したように紙面内で光軸に垂直な方向
に、図示されていないプリズム移動機構により駆動でき
るように保持され、プリズム３１は固定されている。２
３は複屈折プリズムで、例えばロションプリズム等が用
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により平行な二つの光束となって被検物７上の
例えば６０μｍだけ横ずれした二点に集束せしめられ
る。

【００１７】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（でフォーカス量）及び光ビ
ームの横ずれ量を公知の手段を用いて検出し、前述の直
線駆動機構及びプリズム移動機構へ誤差信号として送
る。

【００１８】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、例えば特公
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はガラス或いはプラスチックのレンズ
又は金型等が対象となり、光軸のまわり或いは図１の矢
印方向へ回転駆動せしめられる。

【００１９】本実施例による面形状測定器は上述のよう
に構成されているから、光ビームｌ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
場合例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に向かうようにする。

【００２０】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ィローテータ１９に向かい、ｓ偏
光成分は反射されて参照鏡４に向かう。最初にｐ偏光成
分について述べると、ファラディローテータ１９により
４５°だけ偏光面が回転せしめられる。この様子を図２
に示す。ｐ偏光を図２のＩで表すと、ファラディローテ
ータ１９を通過することにより例えばIIの状態に変わ
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Ｉのｐ偏光に戻り、偏光プ
リズム１７を通過してプリズム３０，３１を経て複屈折
プリズム２３に至る。

【００２１】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，プリズム３１，３０，偏光プリズム１７を通過す
る。更に、π／４ローテータ２１を通過して図２のＩか
らIIの状態に偏光面が変わり、更にファラディローテー
タ１９を通過することによりIIからIII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、デフォーカス量及びビームの横ず
れ量が検知される。ビームスプリッタ１１を通過した光
は干渉縞計数部２８に向かう。

【００２２】又、偏光プリズム１６に左から入射した楕
円偏光のもう一つのｓ偏光成分について述べると、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。

【００２３】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
を担って干渉縞計数部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。

【００２４】以上、偏光プリズム１５を通過したｐ偏光
成分について述べてきたが、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で反射された後ファラディロ
ーテータ２０、π／４ローテータ２２、鏡２７、偏光プ
リズム１７、プリズム３０，３１、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り、対物レン
ズ５、複屈折プリズム２３、プリズム３１，３０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、ファラディローテータ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。

【００２５】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
ラディローテータ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偏光がファラディローテータ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
動或いは空気の流動等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。

【００２６】更に図３を用いて詳しく説明すれば、図３
は縦軸に非球面量Ｌを、横軸に回転角θを夫々とったも
のであり、図１に於いて被検物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。例えば、ｐ
偏光の光束が図３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。測定の途中で振動等の機械的擾
乱や回転駆動系の不完全性等により被検物７が移動した
とすれば、例えば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。

【００２７】即ち、この面形状測定器は、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、この点が従来技術と異なるところである。
従って、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、オートフォーカス機構を有して
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。

【００２８】次に、光束を被検物に垂直に入射させる作
用について説明する。図４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２
β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、図４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。

【００２９】本実施例に示された傾き角補正光学系の、
従来の図７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、図４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ｌ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、図７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。

【００３０】図５は干渉計の構成をより簡略化した第二
実施例を示す。図中、３２は光アイソレータであり、３
３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。第一の実施例のファラディローテータ１９，２０及
びπ／４ローテータ２１，２２の代わりに本実施例では
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かう。偏光プリズ
ム１７を通過したｐ偏光は、ビームスプリッタ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。

【００３１】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かい、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
され失われる。以上述べたことから、本実施例は、光量
の損失を除けば図１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。

【００３２】尚、この実施例ではビームを横ずれさせる
光学系は省略してあるが、第一の実施例と同様に２つの
直角プリズムをビームスプリッタ１１と複屈折プリズム
２３との間に設ければよい。

【００３３】又、以上述べた各実施例では、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、普
通のビームスプリッタを用いることも可能である。又、
４或いは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。又、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。
又、対物レンズ５の代わりにホログラムレンズ等の他の
光収束部材を使用することもできる。

【００３４】

【発明の効果】上述の如く、本発明による面形状測定器
は、非球面量の大きいもの、或いは深い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
るという実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例による面形状測定器の光学
系を示す図である。

【図２】上記実施例における偏光面の回転を説明する図
である。

【図３】上記実施例の非球面量算出の原理図である。

【図４】上記実施例の傾き角補正光学系の作用を説明す
る図である。

【図５】第二の実施例の光学系を示す図である。

【図６】従来の面形状測定器の光学系を示す図である。

【図７】従来の別の面形状測定器の光学系を示す図であ
る。

【符号の説明】

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１８１／２波長板１９，２０ファラディローテータ２１，２２ π／４ローテータ２３複屈折プリズム２８，２９干渉縞計数部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川島隆東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者川上一雄東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者植竹敏文東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉性の光束を発する光源と、該光束
を参照光束と試験光束とに一旦分離した後これらを結合
させる分離結合光学系と、前記試験光束を光軸に垂直な
方向に移動させる傾き補正光学系と、該試験光束を被検
面に集束する集束光学系と、該被検面の傾きによって生
ずる光束の横ずれを検出する光検出器と、前記参照光束
を反射する参照鏡と、前記参照光束と試験光束とを結合
させて生ずる干渉縞を計数する干渉縞計数部と、から構
成された面形状測定器。
【請求項２】前記集束光学系の光源側に、試験光束を
相異なる２つの偏光成分に分離する複屈折素子を設けた
ことを特徴とする、請求項１に記載の面形状測定器。
【請求項３】前記試験光束の経路の途中にファラディ
ローテータを設けたことを特徴とする、請求項２に記載
の面形状測定器。