JP4751156B2 - オートコリメータ及びそれを用いた角度測定装置 - Google Patents

Description

本発明はオートコリメータ及びそれを用いた角度測定装置、特に広範囲観察用光学系を持つオートコリメータに関する。

従来より、例えばプリズム角度、機械加工部品平面度、真直度等の角度の精密測定を行うため、角度測定装置（特許文献１，特許文献２）が用いられている。
角度測定装置は、オートコリメータ（例えば特許文献３，特許文献４）が用いられている。

以下に、オートコリメータの基本構成を示す。
すなわち、オートコリメータは、十字線を設けたレチクルと目盛線を設けた焦点板が、ビームスプリッタを介して対物レンズの焦点の共役位置に置かれている。

そして、光出射手段によって照明されたレチクルの十字線の中心から出た光は、対物レンズを通ると平行光束となる。この平行光束に対して、測定面が完全に直交するように試料を設置すると、光は測定面で反射されて元の経路をたどって再び対物レンズに戻り、目盛線を持った焦点板上の中心に結像する。

この状態から試料測定面を微小角だけ傾けたとき、試料測定面からの戻り光は傾き、レチクルの十字線の中心から出た光は、焦点板の中心から変位した点に結像する。
この結像位置の焦点板の中心からの変位量をマイクロメータや光電センサで読み取ることにより、読み取られた変位量、及び対物レンズの焦点距離に基づき、試料測定面の角度を求めることができる。
このようにしてオートコリメータを構成することにより、角度の精密測定を行うことができる。

特開平６−１６７３２５号公報 特開平１１−１８３１４８号公報 特表２００４−３１７４２４号公報 特開２００４−２１９２２１号公報

ところで、オートコリメータには、角度分解能の向上が求められている。角度分解能の向上のため、通常は、焦点距離を長くする。
すると、対物レンズ全長は長くなり、したがって、オートコリメータの全長が長くなり、取り扱い難くなるので、満足のゆく角度分解能の向上は困難であった。
またオートコリメータでは、角度の精密測定を行うには、測定前セッティングを確実に行うことも重要である。
すなわち、測定前セッティング、つまりオートコリメータの視野内に試料測定面からの十字線像を確実に捉えないと、測定誤差を生じることがあるからである。
一般的なオートコリメータでは、測定用光学系しか持たないため、測定前セッティングは、オペレータの手作業で試行錯誤的に行われていた。
しかしながら、オートコリメータは、高感度のものほど測定前セッティングが難しく、試料測定面をオートコリメータの視野内に捉えるのに時間がかかることから、操作性は改善の余地が残されていた。

このようにオートコリメータには、構成の簡素化、角度分解能の向上、測定前セッティングの操作性向上が望まれていたが、従来は、これらを同時に満足することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、構成の簡素化、角度分解能の向上、操作性の向上を同時に図ることのできるオートコリメータ、及び角度測定装置を提供することにある。

本発明者らによる検討の結果、コリメータ光学系を用いて大きな角度の測定を行い、かつ該コリメータ光学系に凹レンズを設けることで焦点距離を伸ばした光学系を用いて小さな角度の測定を行うことにより、満足のゆく構成の簡素化、角度分解能向上及び操作性向上を同時に達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
オートコリメータ
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかるオートコリメータは、光出射手段と、レチクルと、計測用光学系と、広範囲観察用光学系と、光路分岐手段と、を備える。
ここで、前記光出射手段は、光を出射する。
また前記レチクルは、前記光出射手段からの光を所望のパターンを持つパターン光とする。

前記計測用光学系は、前記レチクルからのパターン光を平行光として前記試料測定面に照射し、該試料測定面からの反射パターン光を収束させ、計測用結像点での該反射パターン光の結像位置に基づき計測を行うためのものとする。該計測用光学系は、テレタイプ光学系と、計測用捕捉手段と、を含む。該テレタイプ光学系は、レンズ全長が焦点距離よりも短く設計された、正のパワーを持つ前段レンズ、及び前段レンズの結像側に設けられ、負のパワーを持つ後段レンズを含む。該計測用捕捉手段は、該計測用結像点である該テレタイプ光学系の焦点に設けられ、該計測用光学系を介して得られた試料測定面からの反射パターン光の結像位置を捉えるためのものとする。

ここにいうレンズ全長が焦点距離よりも短く設計された、正のパワーを持つ前段レンズ、及び前段レンズの結像側に設けられ、負のパワーを持つ後段レンズとは、これらのレンズを一の薄い仮想レンズに置き換えた時の、該仮想レンズの位置が、前段レンズ前面よりも試料側にあることをいう。

前記広範囲観察用光学系は、前記レチクルからのパターン光を平行光として前記試料測定面に照射し、該試料測定面からの反射パターン光を収束させ、広範囲観察用結像点での該反射パターン光の結像位置に基づき広範囲観察を行うためのものとする。該広範囲観察用光学系は、該計測用光学系の前記前段レンズと、計測用捕捉手段と、を含む。該広範囲観察用捕捉手段は、前記広範囲観察用結像点である該前段レンズの焦点に設けられ、該広範囲観察用光学系を介して得られた試料測定面からの反射パターン光の結像位置を捉えるためのものとする。

前記光路分岐手段は、前記前段レンズと前記後段レンズとの間に設けられ、前記試料測定面にパターン光を照射して得られた試料測定面からの反射パターン光の光路を、前記広範囲観察用光学系の光路ないし前記計測用光学系の光路に分岐するためのものとすることを特徴とする。

＜計測＞
ここにいう計測とは、例えば試料測定面の角度の高感度測定、位置決め等を含めていう。
該角度の高感度測定とは、例えば試料測定面の法線の傾きを検出すること等をいう。該位置決めとは、例えばオートコリメータ光軸が試料測定面に直交するようにオートコリメータと試料測定面との相対角度を定めること、つまり計測用捕捉手段の視野の中心に、パターン光の中心を捉えること等をいう。

＜広範囲観察＞
ここにいう広範囲観察とは、例えば試料測定面の広い角度範囲の角度測定、照準等を含めていう。該照準とは、広範囲観察用捕捉手段の視野内に試料測定面を捕えること、つまり広範囲観察用捕捉手段の視野内に試料測定面からの反射パターン光を捉える等をいう。

＜光出射手段＞
本発明の光出射手段としては、例えば光源、照明光学系等が一例として挙げられる。

＜結像光捕捉手段＞
本発明の結像位置捕捉手段としては、例えば目盛線を持つ、焦点板、スクリーン、接眼レンズ、撮像素子等が一例として挙げられる。該撮像素子としては、例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳ等が一例として挙げられる。

なお、本発明において、前記光路分岐手段は、前記試料測定面にパターン光を照射して得られた試料測定面からの反射パターン光を反射し、前記広範囲観察用光学系の光路に分岐する。
前記広範囲観察用光学系は、ミラーを含むことが好適である。該ミラーは、前記光路分岐手段と前記広範囲観察用結像点との間に設けられ、前記光路分岐手段からの反射パターン光を反射し、前記広範囲観察用結像点に結像させることが好適である。

また本発明において、前記レチクルは前記広範囲観察用光学系側に含まれる。
前記ミラーはハーフミラーである。
前記レチクルからのパターン光は、前記広範囲観察用光学系のミラーを透過し、前記光路分割手段で反射され、前記前段レンズを通過し、前記試料測定面に照射されることが好適である。
該ハーフミラーは前記レチクルからのパターン光を前記光路分岐手段に導光し、また、該光路分岐手段により前記広範囲観察用光学系の光路に分岐された前記反射パターン光の光路を導光し前記広範囲観察用結像点に結像するのが好適である。

また本発明において、前記レチクルは、前記広範囲観察用光学系側、及び前記計測用光学系側に含まれる。
また前記光路分岐手段は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中に挿入又は退避自在に設けられた可動式ミラーを含む。
前記広範囲観察時は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中に、前記可動式ミラーが挿入され、前記広範囲観察用光学系側の前記レチクルからのパターン光は、前記可動式ミラーを介して前記試料測定面に照射され、該試料測定面からの反射パターン光は、前記可動式ミラーを介して前記広範囲観察用結像点に結像する。
前記計測時は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中から、前記可動式ミラーが退避され、前記計測用光学系側の前記レチクルからのパターン光は、前記可動式ミラーを介することなく前記試料測定に照射され、該試料測定面からの反射パターン光は、該可動式ミラーを介することなく前記計測用結像点に結像することが好適である。

角度測定装置
また前記目的を達成するために本発明にかかるオートコリメータを用いた角度測定装置は、試料台と、アームと、回転手段と、回転制御手段と、検出器と、演算手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記試料台は、基台に固定ないし回転自在に設けられ、測定対象となる角度を構成する第一測定面及び第二測定面をもつ試料が載置される。
また前記アームは、前記基台に固定ないし回転自在に設けられ、前記試料台上の試料の測定面側と対向した状態で、前記オートコリメータを保持する。
前記回転手段は、前記基台に対し前記試料台ないし前記アームを回転する。
前記回転制御手段は、前記回転手段による前記試料台ないし前記アームの回転を制御する。
前記検出器は、前記基台に対する前記試料台ないし前記アームの回転角度情報を検出する。
前記演算手段は、前記オートコリメータで位置決めされたオートコリメータ光軸と試料第一測定面との直交時に前記検出器から得られた回転角度情報、及び前記オートコリメータで位置決めされたオートコリメータ光軸と試料第二測定面との直交時に前記検出器から得られた回転角度情報に基づき、該試料の第一測定面と第二測定面とのなす角度を求める。

本発明にかかるオートコリメータによれば、レンズ全長が焦点距離よりも短く設計された、正のパワーを持つ前段レンズ及び前段レンズの後段に設けられ、負のパワーを持つ後段レンズを含む計測用光学系と、前記計測用光学系の前段レンズを含む広範囲観察用光学系と、試料測定面からの反射パターン光の光路を分岐するための光路分岐手段と、を備えることとしたので、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性の向上を同時に得ることができる。

また本発明においては、前記広範囲観察用光学系が前記光路分岐手段からの反射パターン光を更に反射するミラーを含むことにより、広範囲観察用光学系と計測用光学系の像の動きが同じになり、前記操作性の向上を、より確実に図ることができる。

本発明においては、前記レチクルが前記広範囲観察用光学系側に含まれることにより、前記構成の簡素化を、より確実に図ることのできる。

本発明においては、前記レチクルが前記広範囲観察用光学系側及び前記計測用光学系側に含まれ、また前記光路分岐手段が前記可動式ミラーを含むことにより、十分な角度分解能ないし操作性の向上を、より確実に得ることができる。

また本発明にかかる角度測定装置によれば、本発明にかかるオートコリメータを備えることとしたので、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性の向上を同時に得ることのできる。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
オートコリメータ
＜第一実施形態＞
図１には本発明の第一実施形態にかかるオートコリメータの概略構成が示されている。
同図に示すオートコリメータ１０は、光出射手段１２と、レチクル１４と、計測用光学系１６と、広範囲観察用光学系１８と、光路分岐手段２０と、を備える。

ここで、前記光出射手段１２は、光源２２と、照明光学系２４と、を含み、光２６を出射する。
また前記レチクル１４は、光出射手段１２からの光２６を十字線（所望のパターン）を持つパターン光２８とする。

前記計測用光学系１６は、レチクル１４からのパターン光２８を平行光として試料３０の測定面３０ａに照射し、測定面３０ａからの反射パターン光３２を収束させ、該計測用結像点４２での中心（光軸）に対する反射パターン光３２の結像位置に基づき、計測を行うためのものとする。
計測用光学系１６は、テレタイプ光学系３４と、計測用補捉手段３６と、を含む。
テレタイプ光学系３４は、レンズ全長が焦点距離よりも短く設計された、凸レンズ（正のパワーを持つ前段レンズ）３８、及び該凸レンズ３８の結像側に設けられた凹レンズ（負のパワーを持つ後段レンズ）４０を含む。
計測用補捉手段３６は、目盛線を持つ焦点板、撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）、ないし接眼レンズ等を含む。例えば、計測用補捉手段３６としては、目盛り線を持つ焦点板を用いることなく、撮像素子を用いる場合がある。また、目視で確認する場合は、計測用補捉手段３６として、接眼レンズを用いる場合がある。また計測用補捉手段３６としては、接眼レンズと撮像素子とを並列で用いることもあり、このようにして接眼レンズを用いる場合は、目盛板を用いることもある。
このような計測用補捉手段３６は、テレタイプ光学系３４の焦点である計測用結像点４２に設けられ、計測用光学系１６を介して得られた測定面３０ａからの反射パターン光３２の光軸直交方向の結像位置を、光軸（中心）基準に捉えるためのものとする。

前記広範囲観察用光学系１８は、レチクル１４からのパターン光２８を平行光として試料測定面３０に照射し、測定面３０ａからの反射パターン光３２を収束させ、広範囲観察用結像点４６での中心（光軸）に対する反射パターン光３２の結像位置に基づき、広範囲観察を行うためのものとする。
また広範囲観察用光学系１８は、計測用光学系１６の凸レンズ３８と、広範囲観察用捕捉手段４４と、を含む。
広範囲観察用捕捉手段４４は、目盛線を持つ焦点板、例えば撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）、接眼レンズ等を含み、凸レンズ３８の焦点である広範囲観察用結像点４６に設けられ、広範囲観察用光学系１８を介して得られた測定面３０ａからの反射パターン光３２の光軸直交方向の結像位置を、光軸（中心）基準に捉えるためのものとする。

前記光路分岐手段２０は、凸レンズ３８と凹レンズ４０との間に設けられ、測定面３０ａにパターン光２８を照射して得られた測定面３０ａからの反射パターン光３２の光路を、計測用光学系１６の光路、広範囲観察用光学系１８の光路に分岐するためのものとする。

また本実施形態においては、計測用光学系１６の凹レンズ４０と計測用結像点４２との間に設けられ、レチクル１４からのパターン光２８を反射するハーフミラー４８を備える。

本実施形態にかかるオートコリメータ１０は概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
＜広範囲観察時＞
以下に、広範囲観察用光学系１８の作用について説明する。
すなわち、光源２２より射出された光２６は、照明光学系２４を通り、レチクル１４を照明する。
レチクル１４からの光２８は、ビームスプリッタ４８で反射され、凹レンズ４０で光束径が拡大され、ビームスプリッタ２０を透過した後、凸レンズ３８で平行光となり射出され、試料３０の測定面３０ａに入射される。
測定面３０ａからの反射パターン光３２は、凸レンズ３８を通り、収束光となる。その光を、ビームスプリッタ２０で反射し、広範囲観察用結像点４６に結像させる。
ここで、広範囲観察用結像点４６での反射パターン光３２の結像位置を、広範囲観察用捕捉手段４４の視野内に捕えることにより、オートコリメータ１０の照準を、測定面３０ａに合わせることができる。
このように広範囲観察用光学系１８は、計測用光学系１２の凸レンズ３８をそのまま用いるので、簡単な構成で、短い焦点距離を実現し、広範囲を観察することができる。

＜計測時＞
次に、計測光学系１６の作用について説明する。
すなわち、光源２２より射出された光２６は、照明光学系２４を通り、レチクル１４を照明する。
レチクル１４からの光２８は、ビームスプリッタ４８で反射され、凹レンズ４０で光束径が拡大され、ビームスプリッタ２０を透過した後、凸レンズ３８で平行光となり射出される。
凸レンズ３８からの光２８は、測定面３０ａにより反射され、同じ経路で、凸レンズ３８、ビームスプリッタ３８を通り、その後、凹レンズ４０、ビームスプリッタ４８を通り、計測用結像点４２に結像する。
計測用結像点４２での反射パターン光３２の結像位置を、計測用捕捉手段３６で読み取ることにより、高精度位置決め、つまりオートコリメータ１０の光軸を、試料３０の測定面３０ａに直角に正確に設定することができる。
ここで、計測光学系１６は、テレタイプ光学系３４を用いているので、実際の焦点距離に比較し、鏡筒長（光路長）を短くすることができる。

このように本実施形態においては、レンズ全長が焦点距離よりも短く設計された凸レンズ３８及び凹レンズ４０を含む計測用光学系１６と、計測用光学系１６の凸レンズ３８を含む広範囲観察用光学系１８と、測定面３０ａからの反射パターン光３２の光路を広範囲観察用光学系１８の光路、計測用光学系１６の光路に分岐するための光路分岐手段２０とを備えることとした。
この結果、本実施形態においては、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性の向上を同時に得ることができる。

つまり、本実施形態においては、一台で、計測用光学系（長焦点距離コリメータレンズ）と広範囲観察用光学系（短焦点距離コリメータレンズ）とを実現することができる。計測用光学系は、長焦点距離コリメータレンズとなるので、高精度な角度測定、位置決めに使用することができる。また広範囲観察用光学系は、短焦点距離コリメータレンズとなるので、広い角度範囲の角度測定、又は照準用光学系として用いることができる。

また本実施形態は、広範囲観察用光学系１８での像が、計測用光学系１６での像の動きと逆になるため、基本的には位置決め専用の光学系となるが、位置決め専用のものでは、光学系の更なる簡素化が図られることで、更なるコンパクト化が図られる。このような更なるコンパクト化が図られる理由としては、計測用光学系と広範囲光学系が主な光学系を共用していることによる効果が大きいためと考えられる。

ところで、オートコリメータには、高分解能化が求められている。高分解能化のため、通常は、焦点距離を長くする。
すると、対物レンズ全長は長くなり、したがって、オートコリメータの全長が長くなり、扱いにくいので、満足のゆく高分解能化は困難であった。

またオートコリメータでは、角度の精密測定を行うには、測定前セッティングを確実に行うことも重要である。
しかしながら、オートコリメータは、高感度のものほど測定前セッティングが難しい。つまり、オートコリメータの角度の感度は、使用するレンズの焦点距離による倍率の違いによって決まる。そのため、高感度のコリメータほど長い焦点距離のレンズを使用することとなるが、弊害として観察できる視野（測定可能角度の範囲）が狭くなる。そのため視野内に反射パターン光を捕えることが困難となり、セッティングに時間がかかるのである。

このようにオートコリメータには、構成の簡素化、十分な角度分解能、測定前セッティングの操作性向上が望まれていたが、従来は、これらを同時に得ることのできる適切な技術が存在しなかった。

そこで、オートコリメータとしては、様々な種類が存在するが、本発明においては、構成の簡素化、十分な角度分解能を同時に得るため、テレタイプ光学系を選択している。さらに、広範囲観察手法としては、様々な種類が存在するが、本発明においては、十分な角度分解能と、測定前セッティングの操作性向上を同時に得るため、前記テレタイプ光学系において光路分岐手段を設け、テレタイプ光学系の凸レンズを兼用し、計測光学系よりも短い焦点距離を実現した広範囲観察光学系を構成する手法を選択している。

＜テレタイプ光学系＞
次に、本発明において特徴的な計測用光学系について説明する。
本実施形態の計測用光学系では、図２に示されるように、特に長焦点レンズのコンパクト化を図るため、前群の凸系（凸レンズ３８）から離れた後群に凹レンズ系（凹レンズ４０）を配置し、レンズ全長Ａを焦点距離Ｂよりも短く設計したレンズとしている。
この結果、本実施形態の計測用光学系では、凸レンズ３８、凹レンズ４０を一の薄い仮想レンズに置き換えた時の、該仮想レンズの位置Ｃは、凸レンズ３８前面よりも試料３０側にある。
したがって、一般的なレンズでは、レンズの焦点距離よりもレンズの全長が長いのに対し、本実施形態の計測用光学系では、レンズ全長Ａに比較し焦点距離Ｂが長くなる。
これにより、本実施形態の計測用光学系では、一台で、一般的なレンズに比較し、構成のコンパクト化（鏡筒長の短縮）と、角度分解能の向上（十分な角度分解能）とを同時に得ることができるのである。

＜第二実施形態＞
また本実施形態においては、高精度化を図るため、以下のものを用いることも好ましい。
図３には本発明の第二実施形態にかかるオートコリメータの概略構成が示されている。
前記図１と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。

同図に示すオートコリメータ１１０は、ビームスプリッタ１２０が測定面１３０ａからの反射パターン光１３２を反射し、広範囲観察用光学系１１８の光路に入れているので、広範囲観察用光学系１１８が、さらに、ミラー１５０を含むことが好適である。
ミラー１５０は、ビームスプリッタ１２０と広範囲観察用結像点１４６との間に設けられ、ビームスプリッタ１２０からの反射パターン光１３２を、さらに反射し、広範囲観察用結像点１４６に結像させる。
本実施形態にかかるオートコリメータ１１０は概略以上のように構成され、以下に、その作用について説明する。

＜広範囲観察時＞
以下に、広範囲観察用光学系１１８の作用について説明する。
すなわち、広範囲観察用光学系１１８では、測定面１３０ａからの反射パターン光１３２が、凸レンズ１３８を通り、収束光となる。その光を、ビームスプリッタ１２０で反射し、ミラー１５０で折り曲げたのち、広範囲観察結像点１４６に結像させる。
このように広範囲観察用光学系１１８は、前記第一実施形態と同様、短焦点距離コリメータレンズであり、また計測用光学系１１６の凸レンズ１３８を兼用するので、短い焦点距離を実現し、また広い角度範囲を観察することができる。
また本実施形態の広範囲観察用光学系１１８では、測定面１３０ａからの反射パターン光１３２が、広範囲観察結像点１４６に至るまでの反射回数が偶数回、つまりビームスプリッタ１２０とミラー１５０とで反射されるので、計測用光学系１１６での像の動きと同じとなる。

＜計測時＞
次に、計測用光学系１１６の作用について説明する。
すなわち、計測用光学系１１６は、長焦点距離コリメータレンズなので、計測用結像点１４２での十字線の結像位置を、計測用補捉手段１３６で読み取ることにより、測定面１３０ａの角度の変化（変動）を正確に読み取ることができる。
ここで、計測光学系１１６は、第一実施形態と同様、テレタイプ光学系１３４を採用しているので、実際の焦点距離に比較し鏡筒長（光路長）を短くすることができる。

このように本実施形態にかかるオートコリメータは、前記第一実施形態と同様、テレタイプ光学系１３４を含む計測用光学系１１６と、広範囲観察用光学系１１８と、ビームスプリッタ１２０とを備えるので、一台で、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性向上を同時に得ることのできる。

さらに、本実施形態は、広範囲観察用光学系にミラーを設けているので、広範囲観察用光学系では計測用光学系と像の動きが同じとなる。このため本実施形態は、第一実施形態に比較し、広範囲観察用光学系による測定前セッティングが、より高精度に行える。また、広い角度範囲の角度測定も、より高精度に行える。

＜第三実施形態＞
また本実施形態においては、コンパクト化を図るため、光学系の簡素化を図ることも重要であり、光学系の簡素化を図るため、以下のものを用いることも好ましい。
図４には本発明の第三実施形態にかかるオートコリメータの概略構成が示されている。
前記図１と対応する部分には符号２００を加えて示し説明を省略する。

同図に示すオートコリメータ２１０は、広範囲観察用光学系２１８側に、本発明のレチクル２１４が含まれる。
前記ミラー２５０は、ハーフミラーである（以下、ハーフミラー２５０という）。
そして、レチクル２１４からのパターン光２２８は、広範囲観察用光学系２１８のハーフミラー２５０を透過し、測定面２３０ａに照射される。測定面２３０ａからの反射パターン光２３２は、ビームスプリッタ２２０で反射され、さらに広範囲観察用光学系２１８のハーフミラー２５０で反射され、広範囲観察用結像点２４６に結像することが好適である。

本実施形態にかかるオートコリメータ２１０は概略以上のように構成され、以下に、その作用について、より具体的に説明する。
＜広範囲観察時＞
以下に、広範囲観察用光学系２１８の作用について説明する。
すなわち、広範囲観察用光学系２１８では、光源２２２より射出された光２２６が、照明光学系２２４を通り、レチクル２１４を照明する。
レチクル２１４からのパターン光２２８は、ハーフミラー２５０を通り、ビームスプリッタ２２０で反射され、凸レンズ２３８で平行光となり射出される。
凸レンズ２３８からのパターン光２２８は、測定面２３０に照射される。測定面２３０ａからの反射パターン光２３２は、同じ経路で、凸レンズ２３８を通り、収束光となる。その光を、ビームスプリッタ２２０で反射し、ハーフミラー２５０で折り曲げたのち、広範囲観察結像点２４６に結像させる。
広範囲観察用結像点２４６での十字線（反射パターン光２３２）の結像位置を、広範囲観察用捕捉手段２４４の視野内に捕えることにより、オートコリメータ２１０の照準を、測定面２３０ａに合わせることができる。
このように広範囲観察用光学系２１８は、前記第一実施形態と同様、計測用光学系２１６の凸レンズ２３８を兼用するので、短い焦点距離を実現し、広い角度範囲を観察することができる。

＜計測時＞
次に、計測用光学系２１６の作用について説明する。
すなわち、計測用光学系２１６では、光源２２２より射出された光２２６は、照明光学系２２４を通り、レチクル２１４を照明する。
レチクル２１４からのパターン光２２８は、ハーフミラー２５０を通り、ビームスプリッタ２２０で反射され、凸レンズ２３８で平行光となり射出される。
凸レンズ２３８からのパターン光２２８は、測定面２３０ａにより反射され、同じ経路で、凸レンズ２３８、ビームスプリッタ２２０を通り、その後、凹レンズ２４０、計測用結像点２４２に結像する。
計測用結像点２４２での十字線（反射パターン光２３２）の結像位置を、計測用捕捉手段２３６で読み取ることにより、試料２３０の測定面２３０ａの角度の精密測定、位置決めを行うことができる。
ここで、計測光学系２１６は、テレタイプ光学系２３４を用いているので、実際の焦点距離に比較し、鏡筒長（光路長）を短くすることができる。

このように本実施形態にかかるオートコリメータ２１０は、前記第一実施形態と同様、テレタイプ光学系２３４を含む計測用光学系２１６と、広範囲観察用光学系２１８と、ビームスプリッタ２２０とを備えるので、一台で、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性向上を同時に得ることのできる。

さらに、本実施形態は、広範囲観察用光学系２１８側にレチクル２１４を設けているので、前記第二実施形態に比較し、ミラー（例えば図３中、ハーフミラー１４８等）を一枚削除することもできるので、さらに、光学系の簡素化を、より確実に図ることができる。

＜第四実施形態＞
また本実施形態においては、高精度化を図るため、光量のロスの低減を図ることも重要であり、以下のものを用いることも好ましい。
図５，６には本発明の第四実施形態にかかるオートコリメータの概略構成が示されている。
図５は広範囲観察時のオートコリメータの様子、図６は計測時のオートコリメータの様子である。
前記図１と対応する部分には符号３００を加えて示し説明を省略する。

同図に示すオートコリメータ３１０は、本発明のレチクルが、前記広範囲観察用光学系側、及び前記計測用光学系側に含まれる。
つまり、前記広範囲観察用光学系３１８側は、本発明のレチクルとして、前記図１〜４に示したレチクルと同様のレチクルを含む（以下、レチクル３１４ａという）。
前記計測用光学系３１６側は、本発明のレチクルとして、前記図１〜４に示したレチクルと同様のレチクルを含む（以下、レチクル３１４ｂという）。

また前記光路分岐手段は、前記ビームスプリッタに代えて、凸レンズ３３８と凹レンズ３４０との間の光路中に挿入又は退避自在に設けられた可動式ミラーを含む（以下、可動式ミラー３６０という）。

また同図に示すオートコリメータ３１０では、ミラー可動手段３６２と、ミラー制御手段３６４と、を備える。
ミラー可動手段３６２は、凸レンズ３３８と凹レンズ３４０との間の光路中に可動式ミラー３６０を挿入又は退避する。
ミラー制御手段３６４は、広範囲観察時は凸レンズ３３８と凹レンズ３４０との間の光路中に可動式ミラー３６０が挿入され、計測時は凸レンズ３３８と凹レンズ３４０との間の光路中から可動式ミラー３６０が退避されるように、ミラー可動手段３６２による可動式ミラー３６０の可動を制御する。

本実施形態にかかるオートコリメータ３１０は概略以上のように構成され、以下にその作用について、より具体的に説明する。

＜広範囲観察時＞
図５に示されるように、広範囲観察用光学系３１８の使用時は、凸レンズ３３８と凹レンズ３４０間の光路中に、可動式ミラー３６０が挿入されている。
そして、レチクル３１４ａからのパターン光３２８ａは、広範囲観察用光学系３１８のハーフミラー３５０を透過し、可動式ミラー３６０で反射され、凸レンズ３３８を介して測定面３３０ａに照射される。測定面３３０ａからの反射パターン光３３２ａは、凸レンズ３３８を通り、可動式ミラー３６０で反射され、広範囲観察用光学系３１８のハーフミラー３５０で反射され、広範囲観察用結像点３４６に結像する。

＜計測時＞
一方、図６に示されるように、計測用光学系３１６の使用時は、凸レンズ３３８と凹レンズ３４０間の光路中から、可動式ミラー３６０が退避されている。
そして、レチクル３１４ｂからのパターン光３２８ｂは、計測用光学系３１２のミラー３４８で反射され、凹レンズ３４０及び凸レンズ３３８を順に介して測定面３３０ａに照射される。測定面３３０ａからの反射パターン光３３２ｂは、凸レンズ３３８及び凹レンズ３４０を順に介して計測用光学系のミラー３４８を透過し、計測用結像点３４２に結像する。

このように本実施形態にかかるオートコリメータ３１０は、前記第一実施形態と同様、テレタイプ光学系３３４を含む計測用光学系３１８と、広範囲観察用光学系３１８と、光路分岐手段である可動式ミラー３６０とを備えるので、一台で、構成の簡素化、十分な角度分解能、操作性向上を同時に得ることのできる。

さらに、本実施形態は、広範囲観察用光学系３１８と計測用光学系３１６側との双方にそれぞれレチクル３１４ａ，３１４ｂを設け、光路分岐手段である可動式ミラーで交互に使用しているので、前記実施形態に比較し、光量のロスの低減を図ることができる。

角度測定装置
図７には本実施形態にかかるオートコリメータを用いた角度測定装置の概略構成が示されている。
同図（Ａ）は本実施形態にかかる角度測定装置を上方より見た図、同図（Ｂ）は該角度測定装置を側方より見た図である。
前記第一実施形態と対応する部分には符号４００を加えて示し説明を省略する。

同図に示す角度測定装置４７０は、前記図１〜６のいずれかに記載のオートコリメータ（以下、オートコリメータ４１０という）と、試料台４７２と、アーム４７４と、回転手段４７６と、回転制御手段４７８と、ロータリーエンコーダ（検出器）４８０と、演算手段４８２と、を備える。

ここで、試料台４７２は、基台４８４に対し回転自在に設けられ、プリズム（試料）４３０の頂角（測定対象となる角度）を構成する第一測定面４３０ａ及び第二測定面４３０ｂをもつ試料４３０が載置される。
またアーム４７４は、基台４８４に設けられ、試料台４７２上のプリズム４３０の測定面側と対向した状態で、オートコリメータ４１０を保持する。
回転手段４７６は、基台４８４に対し試料台４７２を回転する。
回転制御手段４７８は、回転手段４７６による試料台４７２の回転を制御する。
ロータリーエンコーダ４８０は、基台４８４に対する試料台４７２の回転角度を検出する。
演算手段４８２は、オートコリメータ４１０で位置決めされたオートコリメータ光軸と第一測定面４３０ａとの直交時にロータリーエンコーダ４８０から得られた試料台４７２の回転角度情報α、及びオートコリメータ４１０で位置決めされたオートコリメータ光軸と第二測定面４３０ｂとの直交時にロータリーエンコーダ４８０から得られた試料台４７２の回転角度情報βに基づき、プリズム４３０の第一測定面４３０ａと第二測定面４３０ｂとのなす角度θを求める。

なお、オートコリメータ４１０は、計測用カメラ（計測用捕捉手段）４３６と、広範囲観察用カメラ（広範囲観察用捕捉手段）４４４と、コンピュータ４８６と、を備える。
ここで、計測用カメラ４３６は、オートコリメータ４１０の計測用結像点に設けられ、光電的に十字線（反射パターン光）の結像位置を読み取る。計測用カメラ４３６は、コンピュータ４８６に接続され、計測用カメラ４３６で読み取られた画像データがコンピュータ４８６に取り込まれる。
また広範囲観察用カメラ４４４は、オートコリメータ４１０の広範囲観察用結像点に設けられ、光電的に十字線（反射パターン光）の結像位置を読み取る。広範囲観察用カメラ４４４は、コンピュータ４８６に接続され、広範囲観察用カメラ４４４で読み取られた画像データがコンピュータ４８６に取り込まれる。

また、コンピュータ４８６は、広範囲観察用データ処理手段４８８と、計測用データ処理手段４９０と、演算手段４８２と、を備え、またモニタ４９２を備える。
ここで、広範囲観察用データ処理手段４８８は、広範囲観察用カメラ４４４からの画像データを処理すると共に、モニタ４９２に表示する。
広範囲観察用データ処理手段４８８は、広範囲観察用カメラ４４４の視野内に十字線が捉えられるように、試料台４７２の回転角度の調整を回転制御手段４７８に指示する。

また計測用データ処理手段４９０は、計測用カメラ４３６からの画像データを処理すると共に、モニタ４９２に表示する。
計測用データ処理手段４９０は、計測用カメラ４３６の視野内の十字線、目盛線をモニタすると共に、モニタ４９２に表示する。そして、十字線の中心と目盛線の中心とが一致するように、試料台４７２の回転角度の調整を回転制御手段４７８に指示する。また計測用データ処理手段４９０は、十字線の中心と目盛線の中心とが一致した時に、ロータリーエンコーダ４８０からの回転角度情報の取り込みを指示する。

本実施形態においては、プリズム４３０を間に挟み、オートコリメータ４１０より発射されたパターン光をプリズム４３０を透過させて、プリズムの偏光角度を測定するための透過偏角用コリメータ４９４を備えている。

本実施形態にかかる角度測定装置４７０は概略以上のように構成され、以下に、その作用について説明する。
本実施形態にかかる角度測定装置４７０は、本実施形態にかかるオートコリメータ４１０を用いているので、一台で、構成の簡素化、角度の高分解能化、測定前セッティングの操作性向上を同時に図ることができる。

＜第一セッティング工程＞
第一セッティング工程では、例えばプリズムを試料台と共にわずかに回転し、広範囲観察用カメラの視野内に十字線（第一測定面）が捉えられるようにプリズムの回転角度を調整する。
ここで、第一セッティング工程では、オートコリメータ４１０の広範囲観察光学系（短焦点距離コリメータレンズ）を介して得られた十字線の像を用いることにより、測定前セッティングの操作性向上を図ることができる。

＜第一計測工程＞
第一セッティング工程の完了後、第一計測工程を行う。
すなわち、第一計測工程では、十字線（第一測定面）の中心と目盛線の中心とが一致するまで、プリズムを試料台と共に回転する。十字線（第一測定面）の中心と目盛線の中心とが一致したときの、オートコリメータからの回転角度αを読み取る。
ここで、第一計測工程では、オートコリメータ４１０の計測用光学系（長焦点距離コリメータレンズ）を介して得られた十字線の像を用いることにより、コンパクトな構成で、角度の高分解能化を図ることができる。

＜第二セッティング工程＞
第二セッティング工程では、例えばプリズムを試料台と共にわずかに回転し、広範囲観察用カメラの視野内に十字線（第二測定面）を捉えるようにプリズムの回転角度を調整する。
ここで、第二セッティング工程では、第一セッティング工程と同様、オートコリメータ４１０の広範囲観察光学系（短焦点距離コリメータレンズ）を介して得られた像を用いることにより、測定前セッティングの操作性向上を図ることができる。

＜第二計測工程＞
第二セッティングの完了後、第一計測工程と同様に、第二計測工程を行う。
すなわち、第二計測工程では、十字線（第二測定面）の中心と目盛線の中心とが一致するまで、プリズムを試料台と共に回転する。十字線の中心と目盛線の中心とが一致したときの、オートコリメータからの回転角度βを読み取る。
ここで、第二計測工程では、第一計測工程と同様、オートコリメータ４１０の計測用光学系（長焦点距離コリメータレンズ）を介して得られた像を用いることにより、コンパクトな構成で、角度の高分解能化を図ることができる。

＜角度演算＞
第一計測工程で得られた回転角度α°及び第二計測工程で得られた回転角度β°に基づき、プリズム４３０の第一測定面４３０ａと第二測定面４３０ｂとのなす角度θ°を求めることができる。
θ°＝１８０°−|α°−β°|

このように本実施形態にかかる角度測定装置４７０は、本実施形態にかかるオートコリメータ４１０を用いているので、つまり正のパワーを持つレンズ及び負のパワーを持つレンズを含むテレタイプ光学系を採用し、光路分岐手段により測定面からの反射パターン光の光路を分岐するだけで、広範囲観察用光学系（短焦点距離コリメータレンズ）と、計測用光学系（長焦点距離コリメータレンズ）との双方を実現することができる。
この結果、本実施形態にかかる角度測定装置の、コンパクト化、高精度化、及び操作性の向上を同時に図ることができる。

なお、前記構成では、オートコリメータの各結像点にカメラを設け、光学的に十字線（又はその他のパターン）の結像位置を読み取る例について説明したが、目視確認のため、接眼レンズ系を設け、測定者が目視により、十字線（又はその他のパターン）の結像位置を読み取ることも好ましい。

また前記構成では、試料台を回転する例について説明したが、アームを回転することも好ましい。

本発明の第一実施形態にかかるオートコリメータの概略構成の説明図である。 本実施形態にかかるオートコリメータにおいて特徴的な計測用光学系の説明図である。 本発明の第二実施形態にかかるオートコリメータの概略構成の説明図である。 本発明の第三実施形態にかかるオートコリメータの概略構成の説明図である。 本発明の第四実施形態にかかるオートコリメータの広範囲観察時の説明図である。 本発明の第四実施形態にかかるオートコリメータの計測時の説明図である。 本実施形態にかかるオートコリメータを用いた角度測定装置の概略構成の説明図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０，３１０，４１０ オートコリメータ
１２，１１２，２１２，３１２ 光出射手段
１４，１１４，２１４，３１４ レチクル
１６，１１６，２１６，３１６ 計測用光学系
１８，１１８，２１８，３１８ 広範囲観察用光学系
２０，１２０，２２０，３２０ 光路分岐手段
３４，１３４，２３４，３３４ テレタイプ光学系
３８，１３８，２３８，３３８ 凸レンズ（正のパワーを持つ前段レンズ）
４０，１４０，２４０，３４０ 凹レンズ（負のパワーを持つ後段レンズ）
４７０ 角度測定装置

Claims (3)

1. 光を出射する光出射手段と、
   前記光出射手段からの光を所望のパターンを持つパターン光とするレチクルと、
   前記レチクルからのパターン光を平行光として試料測定面に照射し、該試料測定面からの反射パターン光を収束させ、計測用結像点での該反射パターン光の結像位置に基づき計測を行うための計測用光学系と、
   前記レチクルからのパターン光を平行光として前記試料測定面に照射し、該試料測定面からの反射パターン光を収束させ、広範囲観察用結像点での該反射パターン光の結像位置に基づき広範囲観察を行うための広範囲観察用光学系と、
   を備え、
   前記計測用光学系は、レンズ全長が焦点距離よりも短く設計された、正のパワーを持つ前段レンズ及び前段レンズの結像側に設けられ負のパワーを持つ後段レンズを含む、テレタイプ光学系と、
   前記計測用結像点である前記テレタイプ光学系の焦点に設けられ、前記計測用光学系を介して得られた前記試料測定面からの反射パターン光の結像位置を捉えるための計測用捕捉手段と、
   を含み、
   また前記広範囲観察用光学系は、前記計測用光学系の前記前段レンズと、
   前記広範囲観察用結像点である前記前段レンズの焦点に設けられ、前記広範囲観察用光学系を介して得られた前記試料測定面からの反射パターン光の結像位置を捉えるための計測用捕捉手段と、
   を含み、
   さらに、前記前段レンズと前記後段レンズとの間に設けられ、前記試料測定面にパターン光を照射して得られた該試料測定面からの反射パターン光の光路を、前記広範囲観察用光学系の光路ないし前記計測用光学系の光路に分岐するための光路分岐手段と、
   前記光出射手段と前記光路分岐手段との間、かつ前記光路分岐手段と前記広範囲観察用結像点の間に設けられ、前記レチクルからのパターン光を前記光路分岐手段に導光し、また、該光路分岐手段により前記広範囲観察用光学系の光路に分岐された前記反射パターン光の光路を導光し前記広範囲観察用結像点に結像させるハーフミラーと、
   を備えたことを特徴とするオートコリメータ。
2. 請求項１記載のオートコリメータにおいて、
   前記レチクルは、前記広範囲観察用光学系側、及び前記計測用光学系側に含まれ、
   また前記光路分岐手段は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中に挿入又は退避自在に設けられた可動式ミラーを含み、
   前記広範囲観察時は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中に、前記可動式ミラーが挿入され、前記広範囲観察用光学系側の前記レチクルからのパターン光は、前記可動式ミラーを介して前記試料測定面に照射され、該試料測定面からの反射パターン光は、該可動式ミラーを介して前記広範囲観察用結像点に結像し、
   前記計測時は、前記前段レンズと前記後段レンズ間の光路中から、前記可動式ミラーが退避され、前記計測用光学系側のレチクルからのパターン光は、前記可動式ミラーを介することなく前記試料測定面に照射され、該試料測定面からの反射パターン光は、該可動式ミラーを介することなく前記計測用結像点に結像することを特徴とするオートコリメータ。
3. 請求項１または２に記載のオートコリメータを用いた角度測定装置において、
   基台に固定ないし回転自在に設けられ、測定対象となる角度を構成する第一測定面及び第二測定面をもつ試料が載置される試料台と、
   前記基台に固定ないし回転自在に設けられ、前記試料台上の試料の測定面側と対向した状態で、前記オートコリメータを保持するアームと、
   前記基台に対し前記試料台ないし前記アームを回転する回転手段と、
   前記回転手段による前記試料台ないし前記アームの回転を制御する回転制御手段と、
   前記基台に対する前記試料台ないし前記アームの回転角度を検出するための検出器と、
   前記オートコリメータで位置決めされたオートコリメータ光軸と試料第一測定面との直交時に、前記検出器から得られた前記試料台ないし前記アームの回転角度情報、及び前記オートコリメータで位置決めされたオートコリメータ光軸と試料第二測定面との直交時に、前記検出器から得られた前記試料台ないし前記アームの回転角度情報に基づき、該試料の第一測定面と該第二測定面とのなす角度を求める演算手段と、
   を備えたことを特徴とする角度測定装置。

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