JP2012002607A - 円錐面測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検円錐面と球面測定用干渉計とのアライメント調整を高精度に行い、被検円錐面の径測定の精度を向上させることが可能な円錐面測定装置を得る。
【解決手段】平面測定用干渉計２０、２軸傾き調整ステージ３２、ＸＹステージ３４およびＺステージ３５により、被検円錐面９１と球面測定用干渉計１０とのアライメント調整を行うとともに、基準レンズ１２のキャッツアイポイントが被検円錐面９１上に位置する基準位置に、被検レンズ９０を配置する。球面測定用干渉計１０からの測定光の一部が被検円錐面９１上の円弧状の領域に対し垂直に入射する被検円錐面測定位置に、被検レンズ９０を移動させ、基準位置と被検円錐面測定位置との間の距離をレーザ測長機４１の検出値により求め、その距離に基づき被検円錐面９１の径の測定値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円錐面を測定する円錐面測定装置に関し、特に、直円錐面からなる被検円錐面と該被検円錐面の中心軸に対し垂直に形成された被検平面とを備えた被検体における被検円錐面の径測定に好適な円錐面測定装置に関する。

近年、鏡筒内において、複数のレンズを偏芯させることなく光軸方向に並設させるために、隣接する複数のレンズに直円錐面からなる嵌合面をそれぞれ形成し、各々の嵌合面を互いに嵌合させることによってレンズ間の位置合せを可能としたレンズ（以下「嵌合レンズ」と称する）が実用化されている。このような嵌合レンズは、通常、嵌合面の中心軸（設計上、レンズ光軸と一致する）に対して垂直に形成された平面を備えており、この平面が鏡筒内に配置される際の設置基準面とされる。

この種の嵌合レンズは、嵌合面の形成精度が良くないと、各レンズを正しい位置に設置できなくなり、所期の光学性能を得ることが困難となる。そこで、嵌合面の形成誤差（傾斜角度や面形状、径の大きさの誤差）を測定し、求められた形成誤差を製造工程にフィードバックして、形成精度を向上させたいという要望がある。

従来、このような嵌合レンズの測定には、光プローブや原子間力プローブ等の測定用プローブを用いた３次元形状測定装置（下記特許文献１，２参照）が用いられているが測定に多大な時間を要するという問題がある。

一方、球面波を測定光として出射する球面測定用干渉計を用いて、被検球面の曲率半径を測定する技術が以前より知られている（下記特許文献３参照）。この技術は、測定光が集光する点（キャッツアイポイントとも称される）に被検球面の頂点が位置するときと、被検球面に測定光が垂直に入射するときとの２つの位置で干渉縞が形成されることを利用したものであり、２つの位置の距離の差に基づき、被検球面の曲率半径の測定値を算出するようになっている。

特開平５−８７５４０号公報 特開２００５−１５６２３５号公報 特許第３２１８７２３号公報

上述の球面測定用干渉計を用いて被検球面の曲率半径を測定する技術は、シリンドリカルレンズ等の直円柱面の径測定にも利用されている。そこで、この技術を応用して、上述の嵌合面のような直円錐面の径測定を行うことが考えられる。

しかしながら、各母線が中心軸に対し平行である直円柱面とは異なり、直円錐面の各母線は中心軸に対しそれぞれ所定角度だけ傾いている。このため、直円柱面の径測定を行う場合には、球面測定用干渉計の測定光軸と直円柱面の中心軸とが互いに垂直となるようにアライメントすれば良いのに対し、直円錐面の径測定を行う場合には、球面測定用干渉計の測定光軸に対して直円錐面の中心軸が、さらに所定角度（直円錐面の母線と中心軸とのなす角度）だけ正確に傾くように、高精度にアライメントする必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、測定対象となる被検円錐面と球面測定用干渉計とのアライメント調整を高精度に行い、被検円錐面の径測定の精度を向上させることが可能な円錐面測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る円錐面測定装置は、以下の特徴を備えている。

すなわち、本発明に係る円錐面測定装置は、
直円錐面からなる被検円錐面と該被検円錐面の中心軸に対し垂直に形成された被検平面とを備えた被検体を保持する被検体保持手段と、
測定光軸上に集光する球面波からなる測定光を前記被検円錐面に向けて出射するとともに、該被検円錐面からの戻り光を参照光と干渉させる球面測定用干渉計と、
前記測定光軸に対する前記被検平面の傾きを検出する傾き検出手段と、
前記測定光軸に対する前記被検平面の傾きの角度が、前記被検円錐面の母線と前記中心軸とのなす角度と一致するように、前記被検体および前記球面測定用干渉計の相対的な傾き調整を行う傾き調整手段と、
前記測定光軸が前記中心軸と交差し、かつ前記測定光の集光点が前記被検円錐面上に位置するように、前記相対的な傾き調整後の前記被検体および前記球面測定用干渉計の相対的な位置調整を行う位置調整手段と、
前記測定光の一部が前記被検円錐面上の円弧状の領域に対し垂直に入射するように、前記相対的な位置調整後の前記被検体および前記球面測定用干渉計の前記測定光軸方向の離間距離の調整を行う離間距離調整手段と、
前記離間距離の調整前後における各々の離間距離の差を検出する離間距離差検出手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明において、平行光束を前記被検平面に向けて出射するとともに、該被検平面からの戻り光を参照光と干渉させ、該被検平面の傾き情報を担持した干渉縞を得る平面測定用干渉計を、前記傾き検出手段として備えることができる。

本発明に係る円錐面測定装置は、上述の特徴を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の円錐面測定装置によれば、球面測定用干渉計の測定光軸に対する被検平面の傾きを検出する傾き検出手段と、被検体および球面測定用干渉計の相対的な傾き調整を行う傾き調整手段とを備えていることにより、被検円錐面と球面測定用干渉計とのアライメント調整を高精度に行うことが可能となる。

また、被検体および球面測定用干渉計の相対的な位置調整を行う位置調整手段と、被検体および球面測定用干渉計の測定光軸方向の離間距離の調整を行う離間距離調整手段と、離間距離の調整前後における各々の離間距離の差を検出する離間距離差検出手段とを備えていることにより、被検円錐面の径測定を高精度に行うことが可能となる。

一実施形態に係る円錐面測定装置の概略構成図である。 円錐面測定装置の測定時の態様を示す概略図である。 円錐面測定装置のアライメント調整時の態様を示す概略図である。 被検円錐面の径の算出方法を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施形態について、上述の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明に使用する各図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではなく、各部材の大きさや部材間の距離等については適宜変更して示してある。特に、図２，４では、被検レンズ９０の構成を簡略化して示している。

（装置構成）
本実施形態に係る円錐面測定装置は、図１に示すように、被検レンズ９０（本実施形態における被検体）を測定するものであり、球面測定用干渉計１０、平面測定用干渉計２０、被検体アライメント調整部３０、離間距離差検出部４０および測定解析部５０（図１のみに図示）を備えてなる。

上記被検レンズ９０は、直円錐面からなる被検円錐面９１と、該被検円錐面９１の中心軸Ｃ_９１（被検レンズ９０の光軸でもある）に対し垂直に形成された被検平面９２とを備えてなる。なお、この被検レンズ９０は、他のレンズ（図示略）と組み合わされて使用される嵌合レンズであり、被検円錐面９１が他のレンズとの当接面として形成されている。

上記球面測定用干渉計１０は、干渉計本体部１１と、該干渉計本体部１１に対し２軸傾き調整機構１３を介して設置された球面波生成用の基準レンズ１２と、球面測定用干渉計１０および平面測定用干渉計２０のアライメント調整時に、基準レンズ１２に替えて設置される平面基準板１４（図２参照）とを備え、その測定光軸Ｃ_１０（アライメント調整後の基準レンズ１２の光軸と一致する）上に集光する球面波を、測定光として基準レンズ１２から上記被検円錐面９１に向けて出射するとともに、該被検円錐面９１からの戻り光を参照光と干渉させ、該被検円錐面９１の所定領域に対応した干渉縞を得るように構成されている。

上記平面測定用干渉計２０は、干渉計本体部２１と、該干渉計本体部２１に対し２軸傾き調整機構２２を介して取り付けられた平面基準板２３とを備え、その測定光軸Ｃ_２０に沿って平行光束を上記被検平面９２に向けて出射するとともに、該被検平面９２からの戻り光を参照光と干渉させ、該被検平面９２の傾き情報を担持した干渉縞を得るように構成されている。また、この平面測定用干渉計２０は、２軸傾き調整ステージ２４を介してθステージ２５により保持されている。

上記被検体アライメント調整部３０は、被検レンズ９０を吸着保持する保持台３１と、該保持台３１を保持する２軸傾き調整ステージ３２と、該２軸傾き調整ステージ３２を支持する支持台３３と、該支持台３３を保持するＸＹステージ３４と、該ＸＹステージ３４を保持するＺステージ３５と、球面測定用干渉計１０および平面測定用干渉計２０のアライメント調整時に、ＸＹステージ３４上に配置される２軸位置調整ステージ３６（図２参照）とを備えてなる。

上記離間距離差検出部４０は、レーザ測長機４１と、該レーザ測長機４１からのレーザ光を再帰反射するために上記ＸＹステージ３４に設置されたコーナーキューブ４２とを備えてなる。

上記測定解析部５０は、コンピュータ等からなる解析装置５１と、干渉縞画像等を表示するモニタ装置５２と、解析装置５１に対する各種入力を行うための入力装置５３とを備えてなる。この解析装置５１は、ＣＰＵ、ハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラムを実行するための回路部等からなり、干渉縞の解析や各種の演算を行うように構成されている。

本実施形態においては、上記平面測定用干渉計２０により傾き検出手段が構成されており、上記２軸傾き調整ステージ３２により傾き調整手段が構成されている。また、上述のＸＹステージ３４およびＺステージ３５により位置調整手段が構成され、該Ｚステージ３５により離間距離調整手段が構成されており、上記レーザ測長機４１により離間距離差検出手段が構成されている。

以下、本実施形態に係る円錐面測定装置の作用について説明する。測定を実施するのに先立って、球面測定用干渉計１０および平面測定用干渉計２０のアライメント調整が行われるので、まず、その手順について説明する。このアライメント調整には、図３に示す調整治具６０が用いられる。この調整治具６０は、オプティカルフラットにそれぞれ形成された第１平面６１および第２平面６２を備え、第１平面６１と第２平面６２とのなす角度β_２が、被検円錐面９１の母線と被検平面９２とのなす角（外角）の角度β_１（例えば105度（設計値）、図４参照）と高精度に一致するように構成されたものである。

（アライメント調整）
〈１〉図４に示すように、球面測定用干渉計１０に平面基準板１４を取り付け、球面測定用干渉計１０の測定光軸Ｃ_１０と平面基準板１４の参照基準面（図示略）とが互いに垂直となるように平面基準板１４の傾きを調整する。この傾き調整は、例えば、測定光軸Ｃ_１０上にコーナーキューブ（図示略）を配置して球面測定用干渉計１０から平行光束を照射し、該コーナーキューブからの戻り光と参照光とにより形成される干渉縞がヌル縞状態となるように、オペレータが２軸傾き調整機構１３を手動操作して行う。

〈２〉ＸＹステージ３４上に２軸位置調整ステージ３６を設置し、この２軸位置調整ステージ３６上に上述の調整治具６０を、第１平面６１が球面測定用干渉計１０と対向し、第２平面６２が平面測定用干渉計２０と対向するように設置する。

〈３〉球面測定用干渉計１０の測定光軸Ｃ_１０と調整治具６０の第１平面６１とが互いに垂直となるように、調整治具６０の傾きを調整する。この傾き調整は、例えば、第１平面６１に球面測定用干渉計１０から平行光束を照射し、該第１平面６１からの戻り光と参照光とにより形成される干渉縞がヌル縞状態となるように、オペレータが２軸位置調整ステージ３６を手動操作して行う。

〈４〉平面測定用干渉計２０の測定光軸Ｃ_２０と調整治具６０の第２平面６２とが互いに垂直となるように、平面測定用干渉計２０の傾きを調整する。この傾き調整は、例えば、第２平面６２に平面測定用干渉計２０から平行光束を照射し、該第２平面６２からの戻り光と参照光とにより形成される干渉縞がヌル縞状態となるように、オペレータが２軸傾き調整ステージ２４およびθステージ２５を手動操作して行う。

〈５〉球面測定用干渉計１０から平面基準板１４を取り外して、図１に示す基準レンズ１２を取り付け、測定光軸Ｃ_１０に対する基準レンズ１２の光軸の傾き調整を行う。この傾き調整は、例えば、基準レンズ１２のキャッツアイポイント（基準レンズ１２から出射される球面波の集光点）に第１平面６１が位置するとともに、該キャッツアイポイントからの戻り光による干渉縞が形成されるように、オペレータがＸＹステージ３４、Ｚステージ３５および２軸傾き調整機構１３を手動操作して行う。

以上のアライメント調整により、球面測定用干渉計１０の測定光軸Ｃ_１０と平面測定用干渉計２０の測定光軸Ｃ_２０とのなす角度（２つの測定光軸Ｃ_１０，Ｃ_２０が互いに交差しない場合は、各々の方向ベクトルのなす角度）が、被検円錐面９１の母線と被検平面９２とのなす角度β_１と高精度に一致することとなる。なお、完全にアライメント調整し切れない場合は、そのアライメント誤差を求めておき、アライメント誤差に起因する測定誤差を解析時に補正するようにすればよい。

アライメント調整の完了後、被検円錐面９１の径測定を行う。以下、その測定手順および測定時の作用について説明する。

（測定手順および作用）
〈１〉ＸＹステージ３４上から２軸位置調整ステージ３６および調整治具６０を取り除いて、図１に示すようにＸＹステージ３４上に、保持台３１、２軸傾き調整ステージ３２および支持台３３を設置した後、該保持台３１上に被検レンズ９０を設置する。なお、このとき、被検レンズ９０の被検平面９２が平面測定用干渉計２０と対向するように、目視等による粗調整を行う。

〈２〉被検レンズ９０の被検平面９２に向けて平面測定用干渉計２０から平行光束を照射し、該被検平面９２からの戻り光と参照光とにより形成される干渉縞（以下「被検平面干渉縞」と称する）の位相情報（縞本数）により、平面測定用干渉計２０の測定光軸Ｃ_２０に対する被検平面９２の傾きを検出する。本実施形態では、被検平面干渉縞を解析装置５１において解析し、被検平面９２の傾きを算出するように構成されているが、オペレータが被検平面干渉縞に基づき被検平面９２の傾きの状態や傾きの有無を判別するようにしてもよい。

〈３〉球面測定用干渉計１０の測定光軸Ｃ_１０に対する被検平面９２の傾きの角度α_２（図４参照）が、被検円錐面９１の母線と中心軸Ｃ_９１とのなす角度α_１（例えば15度（設計値）、図４参照）と一致するように、被検レンズ９０の傾きを調整する。この傾き調整は、例えば、検出された被検平面９２の傾きに基づきオペレータが、上記被検平面干渉縞がヌル縞状態となるように、すなわち、平面測定用干渉計２０の測定光軸Ｃ_２０に対し被検平面９２が垂直となるように、２軸傾き調整ステージ３２を手動操作して行う。

〈４〉球面測定用干渉計１０の測定光軸Ｃ_１０が被検円錐面９１の中心軸Ｃ_９１と交差し、かつ基準レンズ１２のキャッツアイポイント（基準レンズ１２から出射される測定光（球面波）の集光点）が被検円錐面９１上に位置するように（図２（Ａ）参照）、被検レンズ９０の位置を調整する。この位置調整は、被検円錐面９１がキャッツアイポイントに位置したときに該キャッツアイポイントからの戻り光による干渉縞が実際に形成されるように、オペレータがＸＹステージ３４およびＺステージ３５を手動操作して行う。以下、このときの被検レンズ９０の位置を、基準位置と称する。

〈５〉被検レンズ９０が基準位置にあるときの、ＸＹステージ３４とレーザ測長機４１との間の距離をレーザ測長機４１により検出する。以下、このときの距離の検出値を、第１距離値と称する。

〈６〉球面測定用干渉計１０からの測定光の一部が被検円錐面９１上の円弧状の領域に対し垂直に入射するように（図２（Ｂ）参照）、球面測定用干渉計１０と被検レンズ９０との間の測定光軸Ｃ_１０方向の離間距離の調整を行う。この離間距離の調整は、被検円錐面９１上の円弧状の領域からの戻り光による干渉縞（以下「被検円錐面干渉縞」と称する）が実際に形成されるように、オペレータがＺステージ３５を手動操作して行う。以下、上記被検円錐面干渉縞が形成されるときの被検レンズ９０の位置を、被検円錐面測定位置と称する。なお、この被検円錐面測定位置に被検レンズ９０があるとき、被検円錐面９１の中心軸Ｃ_９１上に基準レンズ１２のキャッツアイポイントが位置する。

〈７〉被検レンズ９０が被検円錐面測定位置にあるときの、ＸＹステージ３４とレーザ測長機４１との間の距離をレーザ測長機４１により検出する。以下、このときの距離の検出値を、第２距離値と称する。

〈８〉上述の第１距離値および第２距離値に基づき、被検円錐面９１の径を算出する。具体的には、まず、第１距離値と第２距離値との差の絶対値を求める。このときの差の絶対値は、図４に示す距離Ｄ（測定光軸Ｃ_１０と中心軸Ｃ_９１との交点Ｐから被検円錐面９１までの距離）に相当する。被検円錐面９１の半径Ｌ（厳密には、測定光軸Ｃ_１０と被検円錐面９１との交点Ｑの位置で、被検円錐面９１を測定光軸Ｃ_１０に対し垂直に切断したときの半径）は、上記距離Ｄに対し、下式（１）の関係を有するので、下式（１）により該半径Ｌを算出し、その算出値を２倍することにより被検円錐面９１の径（直径）を求める。
Ｌ＝Ｄ／cosα_１ …… （１）

なお、この被検円錐面９１の径の算出は、解析装置５１において自動的に演算されるように構成されているが、上述の第１距離値および第２距離値に基づき、オペレータが計算機等を用いて演算するようにしてもよい。

また、本実施形態では、被検円錐面９１の幅が極めて短いため、測定光軸Ｃ_１０と被検円錐面９１との交点Ｑが被検円錐面９１上の幅方向のどの位置にあるのかが、被検円錐面９１の径の算出結果に影響しない。被検円錐面９１の幅がある程度ある場合には、交点Ｑが被検円錐面９１上の幅方向のどの位置にあるのかを検出する手段を備えることが好ましい。

また、上記被検円錐面干渉縞に基づき、被検円錐面９１の形状測定を行うことも可能である。この場合、さらに、被検円錐面９１を中心軸Ｃ_９１回りに回転させる機構を設けることにより、被検円錐面９１の周方向の各円弧状領域の形状測定を行い、各円弧状領域の形状を互いに繋ぎ合わせることにより、被検円錐面９１の周方向全域の形状測定や、真円度の測定を行うようにすることも可能である。

なお、形状測定を行う際、被検円錐面９１の幅が極めて短いために、被検円錐面干渉縞の観察が困難となる場合には、被検円錐面干渉縞をすりガラス等のスクリーンに結像させ、その画像を顕微鏡等により拡大して観察すればよい。また、この場合には、顕微鏡を移動させ、拡大観察した各領域の干渉縞を互いに繋ぎ合わせることにより、全領域の形状測定を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではなく、種々の態様のものを実施形態とすることができる。

例えば、上記実施形態においては、平面測定用干渉計２０を傾き検出手段として用いているが、オートコリメータを傾き検出手段として用いることも可能である。

また、上記実施形態では、嵌合レンズからなる被検レンズ９０を被検体としているが、本発明の円錐面測定装置は、直円錐面と該直円錐面の中心軸に対し垂直に形成された平面とを備えた種々の被検体において、その直円錐面の径測定や形状測定を行う場合に適用することが可能である。

また、本発明における干渉計（球面測定用および平面測定用）としては、高可干渉光源を用いた干渉計（例えば、フィゾータイプ等）を用いることが好ましいが、低可干渉光源を用いた干渉計（例えば、マイケルソンタイプ等）を用いることも可能である。

１０ 球面測定用干渉計
１１，２１ 干渉計本体部
１２ 基準レンズ
１３，２２ ２軸傾き調整機構
１４，２３ 平面基準板
２０ 平面測定用干渉計
２４ ２軸傾き調整ステージ２４
２５ θステージ
３０ 被検体アライメント調整部
３１ 保持台
３２ ２軸傾き調整ステージ
３３ 支持台
３４ ＸＹステージ
３５ Ｚステージ
３６ ２軸位置調整ステージ
４０ 離間距離差検出部
４１ レーザ測長機
４２ コーナーキューブ
５０ 測定解析部
５１ 解析装置
５２ モニタ装置
５３ 入力装置
６０ 調整治具
６１ 第１平面
６２ 第２平面
９０ 被検レンズ
９１ 被検円錐面
９２ 被検平面
Ｃ_１０，Ｃ_２０ 測定光軸
Ｃ_９１ 中心軸
Ｐ，Ｑ 交点
α_１，α_２，β_１，β_２ 角度
Ｄ 距離
Ｌ 半径

Claims (2)

1. 直円錐面からなる被検円錐面と該被検円錐面の中心軸に対し垂直に形成された被検平面とを備えた被検体を保持する被検体保持手段と、
   測定光軸上に集光する球面波からなる測定光を前記被検円錐面に向けて出射するとともに、該被検円錐面からの戻り光を参照光と干渉させる球面測定用干渉計と、
   前記測定光軸に対する前記被検平面の傾きを検出する傾き検出手段と、
   前記測定光軸に対する前記被検平面の傾きの角度が、前記被検円錐面の母線と前記中心軸とのなす角度と一致するように、前記被検体および前記球面測定用干渉計の相対的な傾き調整を行う傾き調整手段と、
   前記測定光軸が前記中心軸と交差し、かつ前記測定光の集光点が前記被検円錐面上に位置するように、前記相対的な傾き調整後の前記被検体および前記球面測定用干渉計の相対的な位置調整を行う位置調整手段と、
   前記測定光の一部が前記被検円錐面上の円弧状の領域に対し垂直に入射するように、前記相対的な位置調整後の前記被検体および前記球面測定用干渉計の前記測定光軸方向の離間距離の調整を行う離間距離調整手段と、
   前記離間距離の調整前後における各々の離間距離の差を検出する離間距離差検出手段と、を備えてなることを特徴とする円錐面測定装置。
2. 平行光束を前記被検平面に向けて出射するとともに、該被検平面からの戻り光を参照光と干渉させ、該被検平面の傾き情報を担持した干渉縞を得る平面測定用干渉計を、前記傾き検出手段として備えていることを特徴とする請求項１記載の円錐面測定装置。
   

Images