JPH07286830A

JPH07286830A - 面形状測定方法

Info

Publication number: JPH07286830A
Application number: JP10337694A
Authority: JP
Inventors: Susumu Ariga; 進有賀
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】自由曲面がはかれ、被測定物上の測定点のＸ
Ｙ位置を精度良く測定できるようにする。【構成】ｘ，ｙステージ２，３を移動し、１ポイント
ごとに測長器４で被測定物５の高さを求めることによ
り、面形状を測定する。光源（レーザ測長器１０）から
光束を射出し、この光束をビームエキスパンダ９により
拡大する。前記ステージ２，３に取り付けられたコーナ
ーキューブ６にて光束を反射するとともに、反射された
光束に基づいて、干渉方式による測長器１０により前記
ステージ２，３の移動距離を測定し、被測定物５のｘｙ
座標を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レンズ等の被測定物の
表面形状を精度よく測定する面形状測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レンズ等の被測定物の表面形状を
測定する手段として、プローブを用いた方法が知られて
おり、その方法は、例えば特開平１−１７３８０５号公
報に開示されている。この方法を実施する測定装置は、
図８に示すようなもので、旋回軸受けａおよびエンコー
ダｂはそれぞれ定盤ｅに固着されている。また、被測定
物ｊは、旋回軸受けａと、被測定物ｊの曲率中心と旋回
軸ｃとを一致させるためのＲ合わせガイドｄに固着され
ている。さらに、定盤ｅには旋回ガイドｆが固着されて
いる。ここで、Ｒ合わせスライドｋに、割り出し軸受け
ｇおよび割り出しモータｈが固着され、割り出し軸受け
ｇに対して割り出し軸ｉが構成される。非球面レンズ等
の被測定物ｊは、その先端が割り出し軸ｉと一致するよ
うに割り出し軸受けｇに固着される。Ｒ合わせガイドｄ
に対して、Ｒ合わせスライドｋを摺動することにより、
被測定物ｊの曲率中心を旋回軸ｃに一致せしめるための
Ｒ合わせ機構が構成される。

【０００３】また、定盤ｅには、粗動ガイドｗと粗動ス
ライドｍが固着されている。粗動ガイドｗに固着された
粗動モータｎと粗動スライドｍとは、回転直進変換機構
であるところのボールネジ等によるねじｎ’により連結
されている。粗動スライドｍに固着された粗動格子スケ
ールｏと粗動ガイドｗに固着された粗動格子ピッチ読み
取り装置ｐとにより粗動スライドｍの移動量を測定する
ようになっている。また、粗動スライドｍには、微動ガ
イドｑと微動スライドｒが固着されている。微動モータ
ｓは粗動スライドｍに固着され、そのスライド部は微動
ガイドｑを嵌通して微動スライドｒに固着されている。
オートフォーカス顕微鏡ｔは微動スライドｒに固着さ
れ、オートフォーカス顕微鏡ｔに固着された微動格子ス
ケールｕと微動格子ピッチ読み取り装置ｖとにより、オ
ートフォーカス顕微鏡ｔの移動量を測定するようになっ
ている。

【０００４】測定に際しは、被測定物ｊを割り出し軸受
けｇに取り付け、Ｒ合わせスライドｋを測定位置に合わ
せる。測定を行う時、割り出しモータｈを回転させ、割
り出し軸受けｇを回転させる。また、旋回軸受けａも回
転させ、エンコーダｂにより、回転位置を読み込む。こ
のとき、オートフォーカス顕微鏡ｔにより、フォーカス
位置を検出するが、粗動スライドｍおよび微動スライド
ｒを粗動モータｎと微動モータｓによりスライドさせ、
フォーカス位置に一致させる。粗動スライドｍおよび微
動スライドｒを移動させるとき、フォーカスの合った位
置を粗動格子スケールｏと粗動格子ピッチ読み取り装置
ｐおよび微動格子スケールｕと微動格子ピッチ読み取り
装置ｖにより、被測定物ｊの各ポイントごとに、測定し
てゆく。そして、各ポイントの測定値をエンコーダｂに
合わせてつなぎ合わせ、被測定物ｊの形状を求める。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、以下のような問題点があり、被測定物ｊの
面形状測定手段として満足できるものではなかった。す
なわち、上記従来技術では、被測定物ｊを回転させるた
め、自由曲面がはかれなかった。また、回転ステージお
よびスライドステージにアッベ誤差が生ずるため、スケ
ールの位置と測定ポイントの位置に誤差が生じてしまっ
た。また、オートフォーカス顕微鏡ｔまたはレーザ測長
器を、直交ＸＹ方向に走査し、自由曲面を測定する方法
もある。しかし、ＸＹステージによるブレ（チルト誤
差）が生じるため、これによる被測定物上の測定点のＸ
Ｙ誤差が生じ、精度の良い測定ができなかった。この誤
差が大きくなると、被測定物上の傾きにより、ｚ方向の
測定誤差にもなってしまう。この誤差を小さくするため
には、レーザ測長器で、高精度に、被測定物上の測定点
のＸＹ位置を測定する必要があるが、被測定物上の測定
点はＸＹＺに移動するため、測定できなかった。

【０００６】請求項１〜３に係る発明は、かかる従来の
問題点に鑑みてなされたもので、自由曲面がはかれ、被
測定物上の測定点のＸＹ位置を精度良く測定する面形状
測定方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、ステージを移動し、１ポイ
ントごとに測長器で被測定物の高さを求めることによ
り、面形状を測定する面形状測定方法において、光源か
ら光束を射出し、この光束をビームエキスパンダにより
拡大し、前記ステージに取り付けられたコーナーキュー
ブにて光束を反射するとともに、反射された光束に基づ
いて、干渉方式による測長器により前記ステージの移動
距離を測定し、被測定物のｘｙ座標を求めることとし
た。請求項２に係る発明は、前記ステージの移動をコン
ピュータ制御するとともに、各測長器の測長データをコ
ンピュータにより演算処理して被測定物の形状を求める
こととした。請求項３に係る発明は、前記測長器にレー
ザ測長器を用いることとした。

【０００８】図１は本発明の測定方法を概念的に示す図
で、この面形状測定装置１において、５で示すのは被測
定物であり、この被測定物５の上方には、被測定物５の
高さｚ方向の位置を測長するためのｚ軸測長器４が配置
されており、１ポイントごとの測長をするようになって
いる。３はｚ測長器４をｙ方向に移動させるためのｙ軸
ステージであり、このｙ軸ステージ３はｘ軸ステージ２
に取り付けられている。また、６はｚ軸測長器４の側面
に取り付けられたコーナーキューブである。１０はレー
ザ測長器であり、１１はレーザ測長器より出射入射する
測長光である。９はレーザ測長器１０からの光束を拡大
するビームエキスパンダであり、７はビームエキスパン
ダ９により拡大した光束を示す。また、８はコーナーキ
ューブ６からの反射光である。

【０００９】

【作用】次に、図１に基づいて本発明の作用を説明す
る。被測定物５の面形状を測定するには、被測定物５の
形状に合わせて、ｘ軸ステージ２およびｙ軸ステージ３
を動かし、ｚ軸測長器４を走査する。このとき、ｚ軸測
長器４により被測定物５のｚ軸方向の高さを１ポイント
ずつ求めるが、これと同時に、レーザ測長器１０からの
測長光１１をビームエキスパンダ９により広げる。そし
て、光束７として、コーナーキューブ６に照射する。こ
こに、このコーナーキューブ６は、ｘ軸ステージ２およ
びｙ軸ステージ３のチルトによる傾きがでても、レーザ
測長器１０からの測長光１１および拡大した光束７の入
射方向に対してそのまま方向を変えず、反射させる特徴
があり、傾きによるコサイン誤差を生じない。

【００１０】コーナーキューブ６からの反射光８は、ビ
ームエキスパンダ９、レーザ測長器１０に戻り、ｚ軸測
長器４のｘ軸方向の移動量をレーザ測長器１０より測長
する。このとき、ビームエキスパンダ９により拡大した
光束７は、ｚ軸測長器４のｙ軸ステージの移動範囲をカ
バーしているため、ｚ軸測長器４が、ｙ軸方向に移動し
ても、反射光８は、レーザ測長器１０に戻るようになっ
ており、ｚ軸測長器４が、ｙ軸方向に移動しても、ｘ軸
位置を求めることができる。このｘ軸位置を求めるのと
同様にしてｙ軸位置も求めることができる。この方法に
より、ｚ軸測長器４による被測定物５のｚ軸高さに対す
るｘｙ軸位置が求まり、被測定物５の形状が求まる。

【００１１】

【実施例１】図２〜６に、本実施例で用いた面形状測定
装置の構成図を示す。図２はその面形状測定装置を示す
斜視図、図３は正面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線断
面矢視図、図５は側面図、図６は要部側面図である。な
お、各図において座標関係（ｘ，ｙ，ｚ，α，β，θ）
を図の傍らに示した。

【００１２】この面形状測定装置１において、１５で示
すのは、ｚ軸ステージであり、図２および図６に示すよ
うに、略Ｌ字形に形成されており、反射光がｘ軸方向に
反射されるように、その側面にコーナーキューブ２３，
２９，２２が配置されている。図６に示すように、コー
ナーキューブ２９とコーナーキューブ２２とは、中心間
にＬ₁の間隔があり、コーナーキューブ２９とコーナー
キューブ２３とは、中心間にＬ₂の間隔がある。また、
反射光がｙ軸方向にも反射されるように、ｚ軸ステージ
１５の背面にはコーナーキューブ２８，３４が配置され
ている。コーナーキューブ２８とコーナーキューブ３４
とは、中心間にＬ₁の間隔がある。さらに、反射光がｚ
軸方向に反射されるように、ｚ軸ステージ１５のｚ軸方
向には貫通孔が形成されており、その孔の下端にはコー
ナーキューブ２６が配置されている。また、そのコーナ
ーキューブ２６の下には、ｚ軸に平行に触針３４が配置
されている。そして、図６に示すように、触針３４の先
端よりコーナーキューブ２２，３４の中心までは、ｌの
間隔がある。

【００１３】ｚ軸ステージ１５はベース１４に取り付け
られており、被測定物５のｚ軸の高さに従って、触針３
４により、ｚ軸ステージ１５が上下に可動するようにな
っている。また、ｚ軸ステージ１５の重量により触針３
４による触針圧が重くならないように、ｚ軸ステージ１
５は、ばね３５によりｚ軸方向に引っ張られている。３
はベース１４をｙ軸方向に移動させるためのモータ（図
示省略）が付いたｙ軸ステージである。２はｙ軸ステー
ジ３をｘ軸方向に移動させるためのモータ（図示省略）
が付いたｘ軸ステージである。つまり、ｘ軸ステージ２
およびｙ軸ステージ３により触針３４を被測定物５に対
してｘ軸ｙ軸方向に走査することができるようになって
いる。また、ｘ軸ステージ２およびｙ軸ステージ３は、
コントローラ２０によりモータが制御される。

【００１４】１２はｚ軸方向を測長するためのｚ軸レー
ザ測長器であり、１３はｚ軸レーザ測長器１２の光束を
コーナーキューブ２６のｘ軸ｙ軸の移動範囲をカバーし
た大きさに広げるビームエキスパンダであり、ｚ軸に平
行である。なお、ｚ軸レーザ測長器１２は干渉方式によ
る測長器であり、本実施例の他の測長器も干渉方式であ
る。これにより、ｚ軸に平行に、コーナーキューブ２６
に照射する。そして、コーナーキューブ２６の反射光
は、ｚ軸レーザ測長器１２に戻り、コーナーキューブ２
６のｚ軸方向の移動量を測長する。

【００１５】１８はｘ軸方向θ角を測長するためのｘ軸
θ角レーザ測長器であり、１６はｘ軸θ角レーザ測長器
１８の光束をコーナーキューブ２３のｙ軸ｚ軸の移動範
囲をカバーした大きさに広げるビームエキスパンダであ
り、ｘ軸に平行である。これにより、ｘ軸に平行に、コ
ーナーキューブ２３に照射する。そして、コーナーキュ
ーブ２３の反射光は、ｘ軸θ角レーザ測長器１８に戻
り、コーナーキューブ２３のｘ軸方向の移動量を測長す
る。

【００１６】１９はｘ軸方向基準位置を測長するための
ｘ軸基準レーザ測長器であり、１７はｘ軸基準レーザ測
長器１９の光束をコーナーキューブ２２のｙ軸ｚ軸の移
動範囲をカバーした大きさに広げるビームエキスパンダ
であり、ｘ軸に平行である。これにより、ｘ軸に平行
に、コーナーキューブ２２に照射する。そして、コーナ
ーキューブ２２の反射光は、ｘ軸基準レーザ測長器１９
に戻り、コーナーキューブ２２のｘ軸方向の移動量を測
長する。

【００１７】３１はｘ軸方向β角を測長するためのｘ軸
β角レーザ測長器であり、３０はｘ軸β角レーザ測長器
３１の光束をコーナーキューブ２９のｙ軸ｚ軸移動範囲
をカバーした大きさに広げるビームエキスパンダであ
り、ｘ軸に平行である。これにより、ｘ軸に平行に、コ
ーナーキューブ２９に照射する。そして、コーナーキュ
ーブ２９の反射光は、ｘ軸β角レーザ測長器３１に戻
り、コーナーキューブ２９のｘ軸方向の移動量を測長す
る。

【００１８】２７はｙ軸α角を測長するためのｙ軸α角
レーザ測長器であり、２５はｙ軸α角レーザ測長器２７
の光束をコーナーキューブ２８のｘ軸ｚ軸の移動範囲を
カバーした大きさに広げるビームエキスパンダであり、
ｙ軸に平行である。これにより、ｙ軸に平行に、コーナ
ーキューブ２８に照射する。そして、コーナーキューブ
２８の反射光は、ｙ軸α角レーザ測長器２７に戻り、コ
ーナーキューブ２８のｙ軸方向の移動量を測長する。

【００１９】３３はｙ軸基準位置を測長するためのｙ軸
基準レーザ測長器であり、３２はｙ軸基準レーザ測長器
３３の光束をコーナーキューブ３４のｘ軸ｚ軸の移動範
囲をカバーした大きさに広げるビームエキスパンダであ
り、ｙ軸に平行である。これにより、ｙ軸に平行に、コ
ーナーキューブ３４に照射する。そして、コーナーキュ
ーブ３４の反射光は、ｙ軸基準レーザ測長器３３に戻
り、コーナーキューブ３４のｙ軸方向の移動量を測長す
る。

【００２０】２１は、コントローラ２０の操作並びにｚ
軸レーザ測長器１２、ｘ軸θ角レーザ測長器１８、ｘ軸
基準レーザ測長器１９、ｘ軸β角レーザ測長器３１、ｙ
軸α角レーザ測長器２７およびｙ軸基準レーザ測長器３
３の測長データより、被測定物５の形状を計算するコン
ピュータである。このとき、コーナーキューブ２９，２
２の移動量の測長距離の差Δｌ₁より β＝ｓｉｎ
^-1（Δｌ₁／Ｌ₁）、コーナーキューブ２８，３４の移
動量の測長距離の差ｌ₂より α＝ｓｉｎ^-1（Δｌ₂／
Ｌ₁）、コーナーキューブ２９，２３の移動量の測長距
離の差Δｌ₃よりθ＝ｓｉｎ^-1（Δｌ₃／Ｌ₂）をそれ
ぞれ求めることができ、これらにより触針３４のステー
ジによる傾きを算出することができる。また、ｘ軸方向
の触針３４のずれは、ｌｓｉｎ（β）、ｙ軸方向の触針
３４のずれは、ｌｓｉｎ（α）より算出される。

【００２１】次に、上記構成の面形状測定装置により被
測定物５の面形状を測定する方法について説明する。面
形状測定装置１において、被測定物５の形状を測定する
とき、コントローラ２０よりｘ軸ステージ２およびｙ軸
ステージ３を起動し、被測定物５の測定範囲内において
触針３４を走査する。このとき、ｚ軸レーザ測長器１
２、ｘ軸θ角レーザ測長器１８、ｘ軸基準レーザ測長器
１９、ｘ軸β角レーザ測長器３１、ｙ軸α角レーザ測長
器２７、ｙ軸基準レーザ測長器３３により、各コーナー
キューブ２２，２３，２９，２２，２８，３４の移動量
を測長し、この測長値をコンピュータ２１に送る。被測
定物５に対する触針３４の位置（ｘ，ｙ，ｚ，α，β，
θ）を前記の各式により算出し、得られた各座標位置に
より、被測定物５の面形状を求める。本実施例によれ
ば、自由曲面をはかることができ、ステージ２，３，１
５による触針３４の３次元的なブレを求めることがで
き、測定精度を上げることができる。

【００２２】

【実施例２】図７に本実施例で用いた面形状測定装置を
示す。本実施例の特徴は、前記実施例１のビームエキス
パンダ１６，１７，３０の代わりに、コーナーキューブ
２３，２２，２９のｙ軸ｚ軸の移動範囲をカバーするビ
ームエキスパンダ３７を使用し、ビームエキスパンダ２
５，３２の代わりに、コーナーキューブ２８，３４のｘ
軸ｙ軸の移動範囲をカバーするビームエキスパンダ３６
を使用したことであり、ビームエキスパンダ３７によ
り、ｘ軸θ角レーザ測長器１８、ｘ軸基準レーザ測長器
１９、ｘ軸β角レーザ測長器３１の光束を広げ、コーナ
ーキューブ２３，２２，２９に照射し、その反射光よ
り、各測長を行う。また、ビームエキスパンダ３６によ
り、ｙ軸α角レーザ測長器２７、ｙ軸基準レーザ測長器
３３の光束を広げ、コーナーキューブ２８，３４に照射
し、その反射光より、各測長を行う。その他の構成は、
実施例１と同一であるので、実施例１と同一符号を付し
てその説明は省略する。

【００２３】次に、本実施例の測定方法について説明す
る。図７に示す面形状測定装置１において、被測定物５
の形状を測定するとき、コントローラ２０よりｘ軸ステ
ージ２およびｙ軸ステージ３を起動し、被測定物５の測
定範囲内において触針３４を走査する。このとき、ｚ軸
レーザ測長器１２、ｘ軸θ角レーザ測長器１８、ｘ軸基
準レーザ測長器１９、ｘ軸β角レーザ測長器３１、ｙ軸
α角レーザ測長器２７、ｙ軸基準レーザ測長器３３によ
り、各コーナーキューブ２２，２３，２９，２２，２
８，３４の移動量を測長し、この測長値をコンピュータ
２１に送る。被測定物５に対する触針３４の位置（ｘ，
ｙ，ｚ，α，β，θ）を前記実施例１で示した各式によ
り算出し、得られた各座標位置により、被測定物５の面
形状を求める。

【００２４】本実施例によれば、実施例１と同様の効果
に加え、使用するビームエキスパンダが少なくてすみ、
ｘ軸ｙ軸ｚ軸の測定範囲の狭い時に有効である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１〜３に係る発明
の面形状測定方法によれば、ステージのブレによる測定
誤差の影響を小さくすることができ、面形状測定の測定
精度の向上を図ることができ、また、自由形状の測定が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の面形状測定方法を示す概念図である。

【図２】実施例１で用いた面形状測定装置を示す斜視図
である。

【図３】実施例１で用いた面形状測定装置を示す正面図
である。

【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面矢視図である。

【図５】実施例１で用いた面形状測定装置を示す側面図
である。

【図６】実施例１の装置におけるｚ軸ステージを示す側
面図である。

【図７】実施例２で用いた面形状測定装置を示す正面図
である。

【図８】従来の面形状測定装置を示す正面図である。

【符号の説明】

１面形状測定装置２ｘ軸ステージ３ｙ軸ステージ４ｚ軸測長器５被測定物６，２２，２３，２８，２９，３４コーナーキューブ７光束８反射光９，１３，１６，１７，，２５，３０，３２ビームエ
キスパンダ１０，１２，１８，１９，，２７，３１，３３レーザ
測長器１１測長光１５ｚ軸ステージ２１コンピュータ３４触針

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステージを移動し、１ポイントごとに測
長器で被測定物の高さを求めることにより、面形状を測
定する面形状測定方法において、光源から光束を射出
し、この光束をビームエキスパンダにより拡大し、前記
ステージに取り付けられたコーナーキューブにて光束を
反射するとともに、反射された光束に基づいて、干渉方
式による測長器により前記ステージの移動距離を測定
し、被測定物のｘｙ座標を求めることを特徴とする面形
状測定方法。
【請求項２】前記ステージの移動をコンピュータ制御
するとともに、各測長器の測長データをコンピュータに
より演算処理して被測定物の形状を求めることを特徴と
する請求項１に記載の面形状測定方法。
【請求項３】前記測長器にレーザ測長器を用いること
を特徴とする請求項１または２に記載の面形状測定方
法。