JP2010145313A - オートコリメータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
被検体測定面の水平面に対する傾きと、回転する被検体の場合には回転中心に対する偏芯をほぼ同時に検出し測定する。
【解決手段】
レーザ光源１からの光束を回転する被検体Ｄに向かわせ、その測定面ｄ１からの反射光をテレセントリック対物レンズ７で検出して対物レンズ１０で受光部１１に投影する傾き測定用光学系１３を形成する。また被検体測定面ｄ１に予め施した指標をテレセントリック対物レンズ７で検出して対物レンズ１０で受光部１１に投影する顕微鏡用光学系１５を形成する。
両光学系１３、１５を結合し、夫々が検出した像を共通の受光部１１に投影し、表示部Ｃに表示して測定する。



【選択図】 図１

Description

本発明はオートコリメータ装置に関するもので、被検体測定面の表面像を確認しながら測定面の傾き（平行度）と偏芯をほぼ同時に検出し、測定できるようにしたものである。

金属やガラス、プラスチックなど各種材料を被検体とし、この被検体測定面の傾き（平行度）を測定することは多分野で行われている。この測定面の傾きを測定するものとしてオートコリメータが知られている。
従来のオートコリメータを図１０の光学系説明図を用いて説明する。図Ａにおいて被検体３５はその表面が測定面３６で、予め水平方向の精度を保証してある測定台の基準面３７上に設置される。この例で被検体測定面３６は基準面３７に対し、角θの傾きが生じている。このような被検体３５の測定面３６に対し光源３８を点灯ると、その光はレンズ３９、クロス線付のスクリーン４０、ビームスプリッタ４１、コリメータレンズ４２を経て平行光束となり、測定面３６に向かって反射し、一部はそこを通過して基準面３７に向かう。そのためスクリーン４０のクロス線４３は、測定面３６と基準面３７で反射し、第１クロス線４４と第２クロス線４５（図Ｂ、Ｃ）となってコリメータレンズ４２に戻り、ビームスプリッタ４１で反射して受光面４６の夫々異なる位置に投影される。
この投影される位置は測定面３６と基準面３７間の傾きθに応じて決定されるが、図Ｂはこの第１クロス線４４と第２クロス線４５が距離ｔｘ１の差を持って受光面４６に投影された例となっている。つまり測定面３６と基準面３７が持つ傾きθによってクロス線４３はｔｘ１の差を持って受光面４６に４４、４５として投影される。傾きθが大きくなればｔｘ１の値も大きくなり、逆に図Ｃのよう２つのクロス線４４、４５がｔｘ１からｔｘとなって重なり合い、「θ＝０」に近づくと測定面３６と基準面３７間は傾きのない平行状態と判断される。従がって受光面４６に投影された像を表示部（図示せず）に送って表示すれば、傾き角θを測定することが出来る。
しかし上記のようなコリメータでは、被検体３５の測定面３６の表面形状を表示部で確認することが出来ない。そのため測定面３６上に投影されるクロス線４３の位置が正しい位置か否かは判断できない。例えば測定面３６上に傷やごみがあり、その上にクロス線４３が投影されたとすれば、図Ｂ、Ｃで受光面４６に向かったクロス線４４、４５は品質が低下して測定精度に影響を与えてしまう。また被検体がロータリーエンコーダのように回転するような場合、被検体と回転軸の取り付けに偏芯が発生していれば、測定位置によって上記の傾きｔｘは不安定な値となってしまう。従がって被検体が回転するような場合には傾きと偏芯の両方を測定することが重要となり、測定精度を左右することになる。しかしながら図１０に示した例も含めて従来オートコリメータでは、測定面３６の表面形状を像として確認しながら傾きと偏芯の両方をほぼ同時に検出することが出来なかった。そのため別々の装置で別々に測定し調整するようにしていた。

被検体の傾きを測定するオートコリメータとして特許文献１が知られている。この特許文献１によれば被検体の測定部位を拡大して確認できるようにするため、顕微鏡を使用することが記されている。しかしこの特許文献１では測定面を像として確認しながら傾きと偏芯をほぼ同時に検出して測定し、調整していくような場合についての対処法は開示されていない。
特開２００３−１４８９３９号公報

本発明の課題は上記問題を解決して、簡単な全体構造の光学系で顕微鏡検出像を確認しながら被検体の傾きと顕微鏡検出像をほぼ同時に検出し、測定と調整ができるようにしたオートコリメータ装置を得ることである。

上記課題を解決するため本発明は、レーザ光源からの光束を平行光束とし、第１結像レンズとテレセントリック対物レンズで形成したアフォーカルコンバータレンズ経由で被検体に向かわせ、その測定面からの反射光を往路に戻し平行光束として第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用光学系と、被検体測定面に予め施した指標と、測定面の表面像をテレセントリック対物レンズの結像面位置で検出し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像をほぼ同時に表示部で確認できるようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項1記載のオートコリメータ装置において、照明用光源を設置し、この照明用光源からの光束をテレセントリック対物レンズ経由で被検体測定面に向かわせ、測定面を照明するようにした顕微鏡用光学系としたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは、レーザ光源からの光束をコリメータレンズで平行光束とし、第１ハーフミラー通過後に第１結像レンズで一次結像面に投影し、その光束をテレセントリック対物レンズ経由で被検体の測定面に向かわせる傾き測定用第１光学ユニットと、この第１光学ユニットによる測定面からの反射光を往路に戻し、テレセントリック対物レンズ、一次結像面、第１結像レンズを経て平行光束とし、第１ハーフミラーで直交する方向に反射して第３ハーフミラー通過後に第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用第２光学ユニットと、で形成した傾き測定用光学系と、照明用光源からの光束をコンデンサーレンズ経由で第４ハーフミラーに向かせて通過させ、傾き測定用光学系の第１結像レンズから一次結像面に向かう光束中に設置した第２ハーフミラー通過後にテレセントリック対物レンズ上に収束し、測定面を照明する顕微鏡用第１光学ユニットと、この第１光学ユニットで照明した被検体測定面の表面像と、被検体測定面に予め施した指標をテレセントリック対物レンズの結像面位置で検出し、その検出像を往路に戻して第２ハーフミラー通過後に第４ハーフミラーで直交する方向に反射し、第３ハーフミラーに向かわせて直交する方向に反射し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用第２光学ユニットと、で形成した顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像をほぼ同時に表示部で確認できるようにしたことを特徴とする。
請求項４の発明によるものは、倍率の異なるアフォーカルコンバータレンズを収容した複数の鏡筒と、倍率の異なる顕微鏡用結像レンズを収容した複数の鏡筒を取り付けたレンズターレットを設置し、このレンズターレットのアフォーカルコンバータレンズ鏡筒経由でレーザ光源からの光束を被検体に向かわせ、その測定面からの反射光を往路に戻し平行光束として第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用光学系と、前記レンズターレットの顕微鏡用結像レンズ鏡筒で被検体測定面に予め施した指標と測定面の表面像を検出し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、両光学系をレンズターレットの回転で交互に使用し、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像を表示部で確認できるようにしたことを特徴とする。

本発明によるオートコリメータ装置は、被検体の傾きを測定するための傾き測定用光学系からの検出像と、被検体の顕微鏡像を検出して偏芯を測定する顕微鏡用光学系からの検出像を、表示部に送って表示し測定できるようにしたことを基本とする。それによってロータリーエンコーダのように被検体が回転するような場合も、被検体測定面の表面像を確認しながら傾きと偏芯の両方をほぼ同時に検出して測定し、調整することが出来る。それも被検体の傾きを測定する光学系と顕微鏡像を検出する光学系を結合した構成の全体構造としたので、簡単化することが出来る。またアフォーカルコンバータレンズ等を収容したレンズターレットを光路中に設置することで、傾きと偏芯を夫々選択して個別に測定し調整することが出来る。

以下にこの発明によるオートコリメータ装置について添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明によるオートコリメータ装置の全体構成概略を示した説明用正面図である。図においてＡはオートコリメータ装置の光学系部、Ｂは制御部で装置全体を制御し、キーボードやマウスなどの入力部や各種出力装置と連結している。Ｃは制御部Ｂと接続している表示部で、光学系部Ａから送られてくる像を表示する。Ｄは被検体で、取り付け部Ｅによって保持され図示してない測定台上に設置される。取り付け部Ｅ内にはモータ等が収容され、このモータの回転や手動によって被検体Ｄが連続的、或いは断続的に回転する。光学系部Ａ内に設置されたレーザ光源１からの光束ｂ１はコリメータレンズ２を通過して平行光束となり、この光束ｂ１に対して４５度に設置されている第１ハーフミラー３に向かい通過する。第１ハーフミラー３を通過した光束ｂ１は第１結像レンズ４を経て第２ハーフミラー５で反射し、方向を変えて一次結像面６に一旦結像する。そしてテレセントリック対物レンズ７によって平行光束となり被検体測定面ｄ１に向かう。従がって第１結像レンズ４とテレセントリック対物レンズ７はアフォーカルコンバータレンズを形成する。以後、レーザ光源１から被検体測定面ｄ１までの光路を被検体の傾き測定用第１光学ユニット８という。
上記第１光学ユニット８で被検体測定面ｄ１に達した光束は、反射光ｂ２となって往路を戻り、テレセントリック対物レンズ７、一次結像面６、第２ハーフミラー５、第１結像レンズ４を経て平行光束となり、４５度に設置されている第１ハーフミラー３で反射して直交する方向に光路を偏向する。この光路を直角に偏向した反射光束ｂ２は、４５度に設置されている第３ハーフミラー９を通過し、第２結像レンズ１０によって受光部１１に投影される。被検体測定面ｄ１から受光部１１までの光路を以後、被検体の傾き測定用第２光学ユニット１２という。そして傾き測定用第１光学ユニット８と傾き測定用第２光学ユニット１２を合わせて傾き測定用光学系１３という。

一方、被検体測定面ｄ１は室内光や測定面ｄ１周辺に設置した図示してない照明用光源によって照明される。この測定面ｄ１には後に述べるように偏芯検出用の指標ｍが予め施されているから、テレセントリック対物レンズ７はその結像面位置で照明されている測定面ｄ１上の指標ｍと、指標ｍ周辺の表面像を顕微鏡検出像として検出し、光束ｂ３として第２ハーフミラー５方向に向かわせる。図ではこのテレセントリック対物レンズ７がその結像面位置で測定面ｄ１上の指標ｍと表面像を検出し、第２ハーフミラー５方向に向わせる光束ｂ３を点線として表している。第２ハーフミラー５を通過した点線光束ｂ３は、４５度に設置されているミラー１４で直交する方向に反射する。そして傾き測定用第２光学ユニット１２中に４５度に設置されている第３ハーフミラー９で反射し、第２結像レンズ１０によって受光部１１に投影される。以後、測定面ｄ１から受光部１１までを被検体の顕微鏡用光学系１５という。テレセントリック対物レンズ７は前記した傾き測定用光学系１３の一次結像面６と被検体測定面ｄ１位置に焦点が合うよう準備されているから、測定面ｄ１に施されている指標ｍと表面像はピントの合った状態で検出される。またテレセントリック対物レンズ７から測定面ｄ１までの距離が作動距離（ＷＤ）となる。

２つの光学系１３、１５からＣＣＤなどで構成した共通の受光部１１に投影された光束は、全体を制御する制御部Ｂを経由して表示部Ｃに伝えられてほぼ同時に表示される。以上のように傾き測定用光学系１３によって表示される像は、図示してない測定台上に設置された被検体測定面ｄ１の傾きを測定する検出像として使用され、他方の顕微鏡用光学系１５によって表示される像は顕微鏡検出像となり、被検体の表面像を確認しながらの偏芯検出像として使用される。
被検体Ｄに偏芯検出用の指標ｍが施されていない場合、つまり偏芯の測定を必要としない場合は、顕微鏡用光学系１５は測定面ｄ１の表面像だけが同時に取り込まれ受光部１１に投影される。従がって表示部Ｃに表示されている視野内の微小部分に関する傾きを、傾き測定用光学系１３が検出し測定することになる。

上記のようにこのコリメータ装置の光学系部Ａは、レーザ光源１からの光束を被検体Ｄに向かわせ、その測定面ｄ１からの反射光を受光部１１に投影して、表示部Ｃに表示する傾き測定用光学系１３と、測定面ｄ１の表面像と測定面ｄ１に予め施した指標の検出像を共通の受光部１１に向かわせて表示部Ｃに表示する顕微鏡用光学系１５を、テレセントリック対物レンズ７と第２結像レンズ１０で連結して構成される。このような光学系部Ａとしたので測定面ｄ１の表面を像として確認しながら傾きと偏芯を同じ条件下で検出し測定と調整を進めることが出来る。尚、光学系部Ａ内の各レンズ、ハーフミラーなどは図示してない部材によって光学系部Ａ本体に取り付けられているが、そられについては全て説明を省略してある。

図２は被検体測定面ｄ１の傾きについて説明するもので、そのＡは測定台１６上の被検体Ｄを示した説明図、Ｂは表示部Ｃの表示画面ｃ１を示している。図Ａにおいて被検体Ｄを保持した取り付け部Ｅは測定台１６上に設置されている。そしてこの例では、測定面ｄ１は測定台１６（水平面）に対して角θの傾きを持って取り付けられている。図Ｂは表示部Ｃの表示画面ｃ１に傾き測定用光学系１３による測定面ｄ１からの反射光が、図１の受光部１１を介して伝えられて表示された状態を示していて、輝点１７ａ、１７ｂ、１７ｃは傾斜角θに応じて変化する反射光の表示位置を表している。例えば輝点１７ｃは測定面ｄ１の傾き角が「θ＝ｃ」のときの反射光表示位置を示している。つまり光源１からの光束ｂ１がテレセントリック対物レンズ７を経て傾きθのある測定面ｄ１上を照明し、その反射光ｂ２が第２結像レンズ１０によって受光部１１に投影されて表示部Ｃに表示されたときの位置を示している。
この輝点１７ｃが表示されているとき被検体Ｄをその回転軸を中心として回転させたとすると、偏芯が無い状態であれば画面ｃ１上に予め設定して表示されている中心線１８の交点を中心として輝点１７ｃが円状の軌跡１９ｃを描く。図ではこの軌跡１９ｃを点線で示してある。この中心線１８から軌跡１９ｃまでの距離を測定すれば測定面ｄ１は「θｃ」の傾きがあると測定される。従がってこの輝点１７ｃが傾き測定用の検出像として傾き測定光学系１３で求めることになるが、中心線１８の設定は測定台１６の水平面からの反射光を表示部Ｃに表示することで予め求めておくことが出来る。

画面ｃ１に表示された輝点１７ｃの指標を確認しながら図１の取り付け部Ｅ内に収容したモータの回転軸と被検体Ｄの取り付け状態を調整し、「θｃ」の値を小さくしていく。すると測定面ｄ１の傾き角が調整され、測定面ｄ１からの反射光角度も変化する。傾き測定用光学系１３はそれを検出して第２結像レンズ１０が受光部１１に投影する。すると表示画面ｃ１には輝点１７ｂが表示され、輝点１７ｃの位置が変化し移動したことが確認できる。この状態で被検体Ｄを回転させれば偏芯が無い状態であれば軌跡１９ｂが表示される。この表示された輝点１７ｂ（軌跡１９ｂ）から中心線１８までの距離を測定すれば、測定面ｄ１の傾きは「θｃ」から「θｂ」に変化したと確認される。
以下同じようにして被検体Ｄとモータ回転軸の取り付け状態を調整し、「θｂ」の値を小さくしていく。すると画面ｃ１で輝点１７ｂは輝点１７ａに変化して中心線１８の交点と一致、或いは近似した位置に表示される。この輝点１７ａは被検体Ｄを回転させても軌跡１９を生じない。この状態を画面ｃ１で確認できれば被検体Ｄの傾きは「θ＝０」と測定される。
以上のように傾き測定用光学系１３による測定面ｄ１からの反射光を、画面ｃ１上で輝点１７として表示する。そしてこの輝点１７に基づいて順次調整していけば、「θ＝０」を得ることが出来る。この傾きを調整しているとき、顕微鏡光学系１５が前記したように測定面ｄ１の表面像を絶えず受光部１１に投影しているから、画面ｃ１上には表面像と輝点１７が同時に表示される。

被検体Ｄが傾き「θ＝０」となったら、次に被検体測定面ｄ１の表面像を確認しながら偏芯について測定し調整していく。まず図３の説明用斜視図を用いて被検体Ｄについて説明する。図において被検体Ｄは取り付け部Ｅ内のモータと連結して回転できるようになっている。そしてこの例ではモータの回転軸は被検体Ｄの中心点ｐ１よりｎだけ偏芯した位置ｐ２で被検体Ｄと連結している。この偏芯は被検体Ｄとモータの取り付け時の誤差などによって発生し、その多少が偏芯量ｎの値となる。また被検体Ｄの測定面ｄ１上には正規の中心点ｐ１を中心とした半径ｒの仮想円２０上に偏芯検出用指標、例えばスリットｍ１、ｍ２、ｍ３、・・・が予め施されている。図１で説明した顕微鏡用光学系１５は、この指標ｍ１、ｍ２、ｍ３、・・・を検出して測定面ｄ１の表面像と共に受光部１１に送り出し、被検体Ｄの顕微鏡検出像として表示部Ｃに表示する。
この図３の例では前記のように偏芯量はｎとなっているので、位置ｐ２を中心として被検体Ｄを回転させると、中心点ｐ１による仮想円２０上の指標ｍは楕円状の軌跡を描く。この軌跡上の指標ｍを表示部１０で確認しながら被検体Ｄに発生している偏芯を調整していく。

図４から図６は被検体Ｄの偏芯を説明する図で、検出した偏芯の調整過程を示している。図４Ａは、被検体Ｄに偏芯「ｎｃ」が発生しているときの例を斜視図として示したもので、ＢはこのＡの被検体Ｄを回転したとき、表示画面ｃ１に表示される指標ｍの描く軌跡を説明する図である。図４Ａにおいて正規中心点ｐ１から半径ｒの仮想円２０上には、前記のように指標ｍ１、ｍ２、・・・が配置されている。しかし偏芯「ｎｃ」があるため回転中心は位置ｐ２ｃに変化し、被検体Ｄを回転させれば位置ｐ１を中心とする仮想円２０上の指標ｍは楕円状に回転する。この楕円状に回転する指標ｍを表示画面ｃ１上で確認すると図４Ｂのようになる。

図４Ｂは、図４Ａに点線円２１で示した位置を顕微鏡用光学系１５のテレセントリック対物レンズ７が光束ｂ３として検出し、受光部１１に投影して表示画面ｃ１に表示したときを示している。被検体Ｄを回転しながら顕微鏡用光学系１５で指標ｍを検出し、順次表示部Ｃに送って表示していくと、画面ｃ１に表示される指標ｍの位置は順次楕円状に回転して移動していく。このとき顕微鏡用光学系１５は指標ｍだけでなく指標ｍ周辺の測定面も同時に検出し表示画面ｃ１に送り出していく。従がって画面ｃ１で指標ｍを確認するときは測定面ｄ１の表面をも一緒に確認することになるから、ロータリーエンコーダなどを被検体として使用する場合、傷やごみだけでなく表面粗さの変化なども確認することになる。但し、図では煩雑さを避けるため表面像については一切表記していない。
図Ｂでは楕円上に移動していく指標ｍの軌跡の内、例えばｍ１による軌跡を２０ｃ１として最内周側に示してある。そしてこの軌跡２０ｃ１上に指標ｍ１による像をｍｃ１として示してある。軌跡２０ｃ１の隣りには、指標ｍ１に続く指標ｍ２によって描かれる軌跡２０ｃ２を示してある。以下同じようにして最外周側には軌跡２０ｃｎとこの軌跡２０ｃｎを描く指標ｍｎによる像ｍｃｎを示してある。
最内周側の軌跡２０ｃ１から最外周側の軌跡２０ｃｎまでは、実際には１つに繋がっているから図６のように独立した軌跡とはならない。しかし最内周側から最外周側の軌跡間には偏芯「ｎｃ」に相当する差が生じる。つまり被検体Ｄの回転によって任意の指標ｍは、最内周側軌跡２０ｃ１位置から最外周側軌跡２０ｃｎ位置まで順次回転しながら移動したかのようになる。そしてこの例では２つの像ｍｃ１とｍｃｎが中心線１８を中心として左右に同時に表示された状態として示してあるが、同時に表示されるようなことはない。こうして画面ｃ１上で指標ｍが移動していくような状態を確認できれば、被検体Ｄに偏芯があると判断し、最内周側の軌跡２０ｃ１から最外周側の軌跡２０ｃｎまでの値を求めれば偏芯量「ｎｃ」が求められる。

上記の説明では、図２で説明したようにして傾きを「θ＝０」の状態に調整した後の偏芯を調整する例となっている。そのため傾き調整時に使用した中心線１８をそのまま画面ｃ１に表示して使用するようにしているが、この中心線１８を基準として指標ｍを表示し、この指標ｍが画面ｃ１上で順次移動していく様子が確認出来れば、その被検体Ｄには偏芯「ｎｃ」があると判断される。

図４のようにして画面ｃ１上で偏芯「ｎｃ」の存在を確認したら画面ｃ１を見ながらモータと被検体Ｄの取り付け状態を調整し、「ｎｃ」の値を小さくしていく。すると図５Ａのように「ｎｃ」が「ｎｂ」となる。
図５Ａは被検体Ｄに偏芯「ｎｂ」が発生しているときの例を斜視図として示したもので、ＢはこのＡの被検体Ｄを回転したとき、表示画面ｃ１に表示される指標ｍの描く軌跡が順次移動して変化していく状態を説明する図である。図５Ａにおいて正規中心点ｐ１から半径ｒの仮想円２０上には、図４Ａと同じ指標ｍ１、ｍ２、・・・が配置されている。しかしこの被検体Ｄの取り付け位置には偏芯「ｎｂ」が生じているため回転中心は位置ｐ２ｂとなり、被検体Ｄを回転させれば位置ｐ１を中心とする仮想円２０上の指標ｍは楕円状に回転する。この楕円状に回転する指標ｍを顕微鏡用光学系１５で検出し、表示画面ｃ１上で確認すると図５Ｂのようになる。

図５Ｂは、図５Ａの点線円２１の位置を顕微鏡用光学系１５が検出して指標ｍを検出像として受光部１１に投影し、それを画面ｃ１に表示した時の例である。被検体Ｄを回転しながら楕円状に回転移動していく指標ｍを画面ｃ１に順次表示していくと、表示される指標ｍの位置は順次楕円上に回転し軌跡を描く。図Ｂではこの楕円が描く最内周側の軌跡を２０ｂ１、その次の軌跡を２０ｂ２、・・・最外周側の軌跡を２０ｂｎとして示してある。そしてさらに最内周側の軌跡２０ｂ１と最外周側の軌跡２０ｂｎ上には、指標ｍ１による像ｍｂ１と、指標ｍｎによる像ｍｂｎを示してある。
このように被検体Ｄの回転によって最内周側の像ｍｂ１が最外周側の像ｍｂｎ位置に順次移動していくかのような状態を画面ｃ１上で確認できれば、被検体Ｄには偏芯「ｎｂ」があると判断する。そして最内周側の軌跡２０ｂ１から最外周側の軌跡２０ｂｎまでの距離を求めれば、その偏芯量「ｎｂ」を知ることが出来る。

以下同じようにして被検体Ｄの取り付け状態を調整し、「ｎｂ」の値を小さくして図６Ａのように「ｎａ」にしていく。そして指標ｍ１からｍｎの描く軌跡２０ａ１から２０ａｎが図６Ｂのように全て中心線１８の交点と一致すると、或いは近似した位置の軌跡になったと確認されれば、被検体Ｄの傾きは「ｎ＝０」と判定される。
こうして偏芯「ｎ＝０」が判定されれば、先の傾き「θ＝０」の結果と共に被検体Ｄの測定作業が終了する。但し上記の説明では便宜上、傾きの調整と偏芯の調整を別個に行うものとなっているが、実際には傾き測定用光学系１３と、顕微鏡用光学系１５は同時に被検体測定面ｄ１からの検出像を得ているので、表示部Ｃには両検出像が同時に表示される。従がって画面ｃ１を見ながら傾きと偏芯を同時に調整していくことができる。

以上のようにこの実施例ではテレセントリック対物レンズ７と第２結像レンズ１０で傾き測定用光学系１３と顕微鏡用光学系１５を結合し、その検出像を１つの共通な受光部１１に投影して傾きと偏芯を同時に求めるようにしている。それによって被検体Ｄが回転するような場合でも、偏芯と傾きを同じ条件下でピントの合った状態で検出し、測定と調整を進めていくことが出来る。被検体Ｄが静止している場合は、前記したように傾き測定用光学系１３による傾き像の検出だけを進めていけばよいが、この場合であっても顕微鏡用光学系１５を使用することによって、測定面の表面像を共に観察することが出来る。

図７は実施例２の説明用正面図であり、図１と同じ要素には同じ番号を付してある。図において光学系部Ａには顕微鏡用光学系１５専用の照明用光源２２が設置されていて、この照明用光源２２からの光束ｂ４は、コンデンサーレンズ２３を経て集光しながら４５度に設置されている第４ハーフミラー１４ａに向かう。この第４ハーフミラー１４ａは図１のミラー１４位置に設置されるが、図ではこの第４ハーフミラー１４ａに向かう光束ｂ４を、第４ハーフミラー１４ａ直前でカットし、それ以降の光路は省略したものとしてある。第４ハーフミラー１４ａを通過した光束ｂ４は、図１で説明した傾き測定用光学系１３の第１結像レンズ４から一次結像面６に向かう光束ｂ１中に設置されている第２ハーフミラー５を通過し、テレセントリック対物レンズ７に向かってそこに焦点を結び、被検体測定面ｄ１を照明する。

以後、照明用光源２２から被検体測定面ｄ１までの光路を顕微鏡用第１光学ユニット２４という。この第１光学ユニット２４によって照明された領域中にある測定面ｄ１の指標ｍは、テレセントリック対物レンズ７の結像面位置と一致するよう設置されているから、照明領域中からの反射光は当該テレセントリック対物レンズ７でピントの合った状態で検出される。そしてこの検出された点線で示した反射光束ｂ３は往路を戻り、第２ハーフミラー５を経て４５度に設置されている第４ハーフミラー１４ａで反射して直交する方向に光路を偏向する。そして図１で説明した傾き測定用第２光学ユニット１２中に４５度に設置されている第３ハーフミラー９で反射し、第２結像レンズ１０によって共通の受光部１１に投影される。被検体測定面ｄ１から受光部１１までの光路を顕微鏡用第２光学ユニット２５という。そしてこの顕微鏡用第２光学ユニット２５と先の顕微鏡用第１光学ユニット２４を合わせて顕微鏡用光学系１５ａという。この顕微鏡用光学系１５ａで検出された指標ｍ１、ｍ２、・・・と測定面ｄ１の表面像は、図４などで説明したように顕微鏡検出像として受光部１１に投影され、制御部Ｂに伝えられて表示部Ｃに表示される。傾き測定用光学系１３については図１の場合と同じなので、その説明は省略する。

以上のようにこの実施例は図１の例と殆ど同じように傾き測定用の光学系１３と、顕微鏡用の光学系１５ａは１つのテレセントリック対物レンズ７と第２結像レンズ１０で結合され、テレセントリック対物レンズ７で被検体Ｄの傾きと偏芯を同時に検出して表示部Ｃに表示する。そして照明用光源２２の設置は同じ条件下の測定面ｄ１照明領域を得ることが出来るから、表面像の品質を一定化することが出来る。また傾き測定用のレーザ光源１と照明用光源２２の発光波長を異ならせれば、表示部Ｃ上の偏芯と傾き検出像の識別化が容易になる。

次に実施例３について図８、９を用いて説明する。この実施例はレンズターレット２８を光学系部Ａ内の第２ハーフミラー５と被検体Ｄ間に新たに設置し、このレンズターレット２８の回転で傾き測定用光学系１３と顕微鏡用光学系１５ａを交互に使用出来るようにしたものである。
レンズターレット２８は中心軸２９を中心として回転できるよう光学系部Ａ内に取り付けられ、複数のアフオーカルコンバータレンズ鏡筒３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・と、顕微鏡用結像レンズ鏡筒３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・が同心円状に取り付けられている。レンズターレット２８を回転し鏡筒３０を光路中に設定すると傾き測定用光学系１３として使用され、他方の鏡筒３１を光路中に設定すると顕微鏡用光学系１５ａとして使用される。鏡筒３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・には夫々各種倍率のアフォーカルコンバータレンズが収容される。このアフォーカルコンバータレンズは第１結像レンズ４ａとテレセントリック対物レンズ７ａで形成され、図１、７の第１結像レンズ４とテレセントリック対物レンズ７に相当する。鏡筒３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・には夫々各種倍率の対物レンズ３２が収容されている。レンズターレット２８の具体的構造や取り付け方法、中心軸２９に対する位置規定手段などについては説明を省略する。

図８のようにアフォーカルコンバータレンズ鏡筒３０ａを光路中に設定すると、図７で説明したように光源１からの光束ｂ１がコリメータレンズ２を経て平行光束となり、図８の第１ハーフミラー３を通過して第２ハーフミラー５で反射し、平行光束のままアフォーカルコンバータレンズ鏡筒３０ａ内の第１結像レンズ４ａを通過する。そして一次結像面６ａに一旦収束してテレセントリック対物レンズ７ａで平行光束となり測定面ｄ１に向かう。測定面ｄ１で反射した光束ｂ２は往路を戻り、テレセントリック対物レンズ７ａ、一次結像面６ａ、第１結像レンズ４ａ、第２ハーフミラー５を経て第１ハーフミラー３で反射し、図７の第３ハーフミラー９を通過して第２結像レンズ１０で受光部１１に投影される。この投影光束を制御部Ｂから表示部Ｃに伝えれば、傾き測定用の像が表示される。
レンズターレット２８を回転してアフォーカルコンバータレンズ鏡筒３０ａを他の鏡筒３０ｂ、３０ｃ、・・・に交換すると、その鏡筒３０ｂ、３０ｃ、・・・がもつ倍率に応じて一次結像面６ａの位置は変化する。そのため鏡筒３０ｂ、３０ｃ、・・・内のテレセントリック対物レンズ７ａは、変化した一次結像面６ａの位置と固定の位置に設置されている被検体Ｄの測定面ｄ１位置にピントが合うようその形状などが予め設計される。

上記のように任意倍率のアフォーカルコンバータレンズ鏡筒３０を光路中に設定し、傾き測定用光学系１３として選択すると、その鏡筒３０がもつ倍率に応じて受光部１１上に投影される検出像の位置は変化する。つまり被検体の傾きθの値が同じであっても倍率を変化させることで受光部１１上に投影される検出像の位置は変化する。この倍率の変化は、第２結像レンズ１０から受光部１１までの距離ｆ１（図７）と、アフォーカルコンバータレンズ鏡筒３０内の倍率ＡＭによって決定される。この場合、第２結像レンズ１０の焦点距離ｆ１は一定であるから、レンズターレット２８を回転して鏡筒３０の倍率を変換することで受光部１１上に投影される像の位置を変化させることが出来る。従がって傾きθの値が小さい場合には倍率ＡＭの値を大きくした鏡筒３０を使用すると精度を高めることが出来る。また鏡筒３０の倍率ＡＭを当初は小さくして使用すれば、測定面ｄ１の広い範囲を対象として作業を進めることが出来る。従がって被検体Ｄの傾きを普通精度で測定する場合と、高精度で測定する場合をレンズターレット２８の回転で選択することが出来る。

図８において被検体Ｄからの反射光は、鏡筒３０ａ内を通過すると平行光束となり、第２ハーフミラー５で反射して第１ハーフミラー３方向に向かう光束と、第２ハーフミラー５を通過してそのまま直進する光束に分離される。図８ではこの分離された直進光束を２６として示してあるが、直進光束２６は図７の第４ハーフミラー１４ａで反射し、第３ハーフミラー９で第１ハーフミラー３からの光束と合体する。このとき各ハーフミラー５、１４ａ、９、３の設置角度によっては合体光束にずれが発生し、受光部１１への投影光束に乱れが生じる。そのため第２ハーフミラー５を通過した直進光束２６が受光部１１に投影されるのを防ぐため光遮断装置２７を光路中に設置するのが好ましい。例えばシャッタ２７ｓ（図８）を設置したり、図７の第３ハーフミラー９と第４ハーフミラー１４ａを１つの台座２７ｄに固着し、この台座２７ｄを図の左右方向に移動して直進光束２６が進行するのを防ぐようにすれば、受光部１１への投影を遮断することが出来る。

図９は光学系部Ａを顕微鏡用光学系１５ａとして選択使用する場合を示している。図においてレンズターレット２８は、図８の状態から中心軸２９を中心として回転し、鏡筒３１ａが光路中に設定された状態になっている。
このような状態で図７の照明用光源２２を点灯すると、その光束ｂ４は図９のコンデンサーレンズ２３によって収束されながら第４ハーフミラー１４ａ、第２ハーフミラー５を通過し、レンズターレット２８に取り付けられた鏡筒３１ａ内の対物レンズ３２近傍に一旦収束して測定面ｄ１を照明する。図ではこの照明された領域を照明域３３として示してある。図７では照明域３３までの点線光路を第４ハーフミラー１４ａ直前までとしてあるが、照明域３３に位置している指標ｍとその周辺域の表面像は設定した鏡筒３１ａの対物レンズ３２によって検出される。その検出像は往路を戻り第２ハーフミラー５を通過して第４ハーフミラー１４ａで反射し、第３ハーフミラー９、第２結像レンズ１０を経て共通の受光部１１に投影される。受光部１１に投影された顕微鏡検出像は制御部Ｂから表示部Ｃに伝えられ、表面像と指標ｍとして表示される。このようにレンズターレット２８を回転して任意の鏡筒３１を光路中に設定することで顕微鏡用光学系１５ａとして使用される。
この顕微鏡用光学系１５ａの場合、鏡筒３１ａを通過する被検体照明域３３からの反射光は、平行光束にはならないので第２ハーフミラー５で反射した光束が発生しても、受光部１１まで到達することは無い。そのため図８のような光遮断装置２７を設置する必要はない。

レンズターレット２８を回転して所望倍率の対物レンズ鏡筒３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・に変換すると、その鏡筒３１が持つ倍率に応じて受光部１１に投影される検出像の大きさは変化する。この倍率の変化は図７の第２結像レンズ１０の焦点距離ｆ１と図９の対物レンズ３２の焦点距離ｆ２によってｆ１／ｆ２として求めることが出来る。そして得られた倍率によって顕微鏡検出像を表示部Ｃで確認することが出来る。

以上、図８，９にもとづいて実施例３を説明してきた。この例の場合、傾き測定用光学系１３と顕微鏡用光学系１５ａによる両方の検出像を同時に表示部Ｃに表示することは出来ない。しかしレンズターレット２８を回転して両光学系１３、１５を交互に使用することで、ほぼ同時に近い状態として表示部Ｃで確認することが出来る。

以上、本発明のオートコリメータ装置について説明してきたが、図に示した全体光学系は基本的な要素だけを例示してあり、光学系中に通常設置される各種の部材、例えばフィルタや絞りなどについては省略してあり詳しく説明していない。また制御部Ｂや表示部Ｃは一般のパソコンに置き換えることが出来る。

本願によるオートコリメータ装置の全体構成を示した説明用の概略図。 被検体の傾きを説明する図。 被検体を説明する斜視図。 被検体の偏芯について説明する図。 被検体の偏芯について説明する図。 被検体の偏芯について説明する図。 実施例２の説明図。 実施例３の説明図。 実施例３の説明図。 従来例の説明図。

符号の説明

Ａ・・・オートコリメータ光学系部 Ｂ・・・制御部 Ｃ・・・表示部 Ｄ・・・被検体 Ｅ・・・取り付け部 ｄ１・・・測定面 ｍ・・・指標
１・・・レーザ光源 ２・・・コリメータレンズ ３・・・第１ハーフミラー ４・・・第１結像レンズ ５・・・第２ハーフミラー ６・・・一次結像面 ７・・・テレセントリック対物レンズ ８・・・傾き測定用第１光学ユニット ９・・・第３ハーフミラー １０・・・第２結像レンズ １１・・・受光部 １２・・・傾き測定用第２光学ユニット １３・・・傾き測定用光学系 １４・・・ミラー １５・・・顕微鏡用光学系 １８・・・中心線 ２２・・・照明用光源 ２３・・・コンデンサーレンズ ２４・・・顕微鏡用第１光学ユニット ２５・・・顕微鏡用第２光学ユニット ２７・・・光遮断装置 ２８・・・レンズターレット ３０・・・アフォーカルコンバータレンズ鏡筒 ３１・・・顕微鏡用結像レンズ鏡筒 ３２・・・対物レンズ ３３・・・照明域 ３５・・・被検体 ３６・・・測定面 ３７・・・基準面 ３８・・・光源 ３９・・・レンズ ４０・・・スクリーン ４１・・・ビームスプリッタ ４２・・・コリメータレンズ ４３・・・クロス線 ４６・・・受光面

Claims (4)

1. レーザ光源からの光束を平行光束とし、第１結像レンズとテレセントリック対物レンズで形成したアフォーカルコンバータレンズ経由で被検体に向かわせ、その測定面からの反射光を往路に戻し平行光束として第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用光学系と、被検体測定面に予め施した指標と、測定面の表面像をテレセントリック対物レンズの結像面位置で検出し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像をほぼ同時に表示部で確認できるようにしたことを特徴とするオートコリメータ装置。
2. 照明用光源を設置し、この照明用光源からの光束をテレセントリック対物レンズ経由で被検体測定面に向かわせ、測定面を照明するようにした顕微鏡用光学系としたことを特徴とする請求項１記載のオートコリメータ装置。
3. レーザ光源からの光束をコリメータレンズで平行光束とし、第１ハーフミラー通過後に第１結像レンズで一次結像面に投影し、その光束をテレセントリック対物レンズ経由で被検体の測定面に向かわせる傾き測定用第１光学ユニットと、この第１光学ユニットによる測定面からの反射光を往路に戻し、テレセントリック対物レンズ、一次結像面、第１結像レンズを経て平行光束とし、第１ハーフミラーで直交する方向に反射して第３ハーフミラー通過後に第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用第２光学ユニットと、で形成した傾き測定用光学系と、照明用光源からの光束をコンデンサーレンズ経由で第４ハーフミラーに向かせて通過させ、傾き測定用光学系の第１結像レンズから一次結像面に向かう光束中に設置した第２ハーフミラー通過後にテレセントリック対物レンズ上に収束し、測定面を照明する顕微鏡用第１光学ユニットと、この第１光学ユニットで照明した被検体測定面の表面像と、被検体測定面に予め施した指標をテレセントリック対物レンズの結像面位置で検出し、その検出像を往路に戻して第２ハーフミラー通過後に第４ハーフミラーで直交する方向に反射し、第３ハーフミラーに向かわせて直交する方向に反射し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用第２光学ユニットと、で形成した顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像をほぼ同時に表示部で確認できるようにしたことを特徴とするオートコリメータ装置。
4. 倍率の異なるアフォーカルコンバータレンズを収容した複数の鏡筒と、倍率の異なる顕微鏡用結像レンズを収容した複数の鏡筒を取り付けたレンズターレットを設置し、このレンズターレットのアフォーカルコンバータレンズ鏡筒経由でレーザ光源からの光束を被検体に向かわせ、その測定面からの反射光を往路に戻し平行光束として第２結像レンズに伝え、傾き検出像として受光部に投影する傾き測定用光学系と、前記レンズターレットの顕微鏡用結像レンズ鏡筒で被検体測定面に予め施した指標と測定面の表面像を検出し、第２結像レンズから顕微鏡検出像として受光部に投影する顕微鏡用光学系と、傾き測定用光学系と顕微鏡用光学系が検出し、共通の受光部に投影した検出像を受けて表示する表示部とで構成され、両光学系をレンズターレットの回転で交互に使用し、被検体測定面の傾きと顕微鏡検出像を表示部で確認できるようにしたことを特徴とするオートコリメータ装置。