JP7041467B2

JP7041467B2 - 光学装置

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Publication number: JP7041467B2
Application number: JP2017050988A
Authority: JP
Inventors: 秀和佐野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2037-03-16
Also published as: JP2018155836A

Description

本発明は光学装置に関する。

従来、高精度な形状測定や変位測定には、光学素子を備えた光学装置が用いられる。このような光学装置として、例えば、特許文献１のような、光学素子として対物レンズや参照ミラーを備えた光干渉対物レンズ装置が知られている。

光干渉対物レンズ装置は、通常の対物レンズの内部に、干渉計を構成する各要素を組み込んだものである。具体的には、対物レンズやビームスプリッタ、参照ミラーにより、測定光路を経た測定光と参照光路を経た参照光とを干渉させ、それらにより生じた干渉縞の形状や変位を画像処理により算出して、微細な表面形状や変位を高精度に測定する。

特開２００５－１５６４１７号公報

ところで、このような干渉対物レンズ装置では、測定光路を経た光と参照光路を経た光とが測定に適した干渉縞を生じるよう、参照ミラーの角度や方向を調整する必要がある。特許文献１では、参照ミラーを支持する支持軸部に挿通された４本の傾き調整ねじの螺合量を調整することにより、参照ミラーの角度を調整している。

しかしながら、上記のような参照ミラーの角度調整手段では、角度調整作業に際し、ドライバー等の傾き調整ねじを操作するための工具を用意する必要があり、作業性がよいとは言えなかった。一般に、光学素子の姿勢調整を行う光学装置では、同様の課題がある。

本発明は、参照ミラー等の光学素子の姿勢調整作業の作業性を向上できる光学装置を提供することを目的とする。

本発明の光学装置は、光学素子を保持し、本体に対して姿勢調整可能な保持部と、前記保持部を前記本体に対して任意の姿勢で固定する固定部と、前記固定部を操作可能な治具と、を備え、前記治具は前記本体に着脱可能に装着されていることを特徴とする。

このような本発明では、光学素子の姿勢調整に際し、本体に着脱可能に装着された治具を外し、当該治具で固定部を操作することができる。そして、固定部を操作して、本体に対する保持部の固定状態を解除し、保持部を任意の姿勢に調整することで、光学素子の角度または方向を調整できる。その後、再度治具で固定部を操作し、保持部を本体に対して固定することにより、光学素子を任意の角度または方向で固定できる。
このように本発明の光学装置では、光学素子の姿勢調整を行うための工具等を用意する必要がなく、作業性を向上できる。さらに、調整を行わない時は、治具は本体に装着されているため、治具の紛失を防止できる。

本発明の光学装置において、前記保持部は、前記本体との間に摺動構造を有し、前記摺動構造により、前記保持部を前記本体に対して摺動させることで、前記保持部の姿勢を調整できることが好ましい。
このような本発明では、本体に対して保持部を摺動させ、保持部の姿勢を調整することにより、光学素子の角度または方向を調整できる。このため、光学素子の姿勢調整作業の作業性を向上できる。

本発明の光学装置において、前記摺動構造は、球面状の摺動面を有していることが好ましい。
このような本発明では、本体に対して保持部を球面状の摺動面に沿って摺動させることができる。このため、光学素子の光路軸をあらゆる方向に調整でき、光学素子の姿勢調整作業の作業性を向上できる。

本発明の光学装置において、前記固定部は、前記摺動構造を圧迫して固定する固定用ねじを有し、前記治具は、前記固定用ねじに係合可能な係合構造を有することが好ましい。
このような本発明では、治具の係合構造を固定用ねじに係合させることにより、固定用ねじを容易に操作できる。このため、固定用ねじを操作するための工具等を用意する必要がなく、作業性を向上できる。

本発明の光学装置において、前記治具は、前記固定部を覆うカバーであることが好ましい。
このような本発明では、光学素子の姿勢調整を行わない時は、固定部をカバーで覆うことができる。このため、例えば、作業者の不注意等により誤って固定部に接触して、光学素子の姿勢がずれることを防止できる。

本発明では、光学素子の姿勢調整作業の作業性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る干渉対物レンズを示す概略構成図。前記一実施形態に係る干渉対物レンズの参照光調整部を示す断面図。前記一実施形態に係る干渉対物レンズの参照光調整部において、鏡筒部からカバーを取り外した状態を示す断面図。前記一実施形態に係る干渉対物レンズの参照光調整部において、鏡筒部から取り外したカバーを反転させた状態を示す断面図。前記一実施形態に係る干渉対物レンズの参照光調整部において、カバーの凹部を固定ねじのねじ頭に係合させた状態を示す断面図。本発明の他の実施形態に係る干渉対物レンズの光学素子姿勢調整部を示す断面図。

〔干渉対物レンズの構成〕
以下、本発明に係る一実施形態の干渉計（光学装置）における干渉対物レンズ１について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る干渉対物レンズ１の概略構成を示す図である。
図１において、干渉対物レンズ１は、対物レンズ系２と、光干渉ユニット３と、を備えるマイケルソン型干渉対物レンズである。
対物レンズ系２は、対物レンズ２１と、この対物レンズ２１を内部に収納するレンズ保持筒２２と、を備える。
対物レンズ系２の観察対象となる観察対象面Ｓは、対物レンズ２１の光軸ＡＬを延長した一方側で対物レンズ２１の焦点位置に配置される。レンズ保持筒２２の他方側には、例えば顕微鏡装置等にこの干渉対物レンズ１を取り付けるための取付部２３が設けられている。

ここで、対物レンズ系２は、十分に長い焦点距離（長作動距離）を有している。例えば、厚みを有するガラスが対物レンズ系２と観察対象面Ｓとの間に挿入されて観察対象面Ｓまでの距離が長くなる場合であっても、観察対象面Ｓに焦点を合わせて観察できる。

光干渉ユニット３は、観察対象面Ｓで反射される測定光ＬＳに、所期の光軸方向に調整された参照光ＬＲを干渉させて干渉縞を生成する。
光干渉ユニット３は、ビームスプリッタ４（光路分割部材）と、参照光調整部５と、を備えている。

ビームスプリッタ４は、光干渉ユニット３が対物レンズ系２に取り付けられた状態で、対物レンズ系２と観察対象面Ｓとの間で対物レンズ２１の光軸ＡＬ上に位置する。そして、入射された光束を二光束（透過光と反射光）に分割して、測定光ＬＳと参照光ＬＲとを生成するハーフミラー４１を有する。
参照光調整部５は、ハーフミラー４１で生成された参照光ＬＲを初期の光軸方向に調整するものであり、詳細について以下に説明する。

〔参照光調整部の構成〕
図２は、本発明の一実施形態に係る参照光調整部５を示す断面図である。
図２において、参照光調整部５は、本体部である鏡筒部５１と、参照ミラー５２と、保持部５３と、支持部５４と、固定部５５と、カバー５６と、を備える。

鏡筒部５１は円筒状に形成され、内部に参照ミラー５２、保持部５３、支持部５４、および固定部５５を備える。
参照ミラー５２は、ビームスプリッタ４に対向するように保持部５３に保持され、参照光ＬＲを反射して再びビームスプリッタ４に再帰させる。ここで、参照ミラー５２は、ビームスプリッタ４から観察対象面Ｓまでの距離に対して、ビームスプリッタ４から参照ミラー５２の反射面までの距離を略等しくする位置に配置されている。

保持部５３は参照ミラー５２を保持する部材であり、半球状形の保持部材５３１と、軸部材５３２とを有する。
保持部材５３１は、参照ミラー５２を保持する保持面５３３と、保持面５３３とは反対側に球面５３４とを有する。
保持面５３３には、中心部に凹部５３５が形成され、参照ミラー５２はこの凹部５３５に嵌め込まれることにより、保持部５３に保持される。この時、参照ミラー５２は、反射面の中心点が球面５３４の曲率中心と重なるように保持される。
軸部材５３２の保持部材５３１とは反対側の先端には、円盤状のフランジ部５３６が設けられている。そして、このフランジ部５３６の中心部には、後述する固定部５５の固定ねじ５５３が挿入されるねじ孔５３７が設けられている。

支持部５４は、本体部である鏡筒部５１の一部として設けられており、保持部５３を支持する。
支持部５４は、円筒状に形成された円筒部材５４１を有し、円筒部材５４１には、先端側に円筒部材５４１の軸方向の内側に向かって、球面状の第１球面座５４２が設けられ、基端側に円筒部材５４１の軸方向の外側に向かって、球面状の第２球面座５４３が設けられている。
第１球面座５４２は、保持部材５３１の球面５３４と径が略等しくなるように形成され、中心部に保持部５３の軸部材５３２が挿通される軸部挿通孔５４４が形成されている。
このような支持部５４は、軸部挿通孔５４４に軸部材５３２を挿通させ、第１球面座５４２と球面５３４とを当接させることにより、保持部５３を球面に沿って摺動可能に支持する。

固定部５５は支持部５４に対して保持部５３を固定させる部材であり、固定部材５５１と、固定用ピン５５２と、固定ねじ５５３と、ばね５５４と、を有している。
固定部材５５１には、支持部５４の第２球面座５４３と当接する面に、第２球面座５４３と径が略等しくなるように球面５５５が設けられ、球面５５５の反対側の面には、固定用ピン５５２が嵌め込まれる凹部５５６が形成されている。また、中央部には、保持部５３の軸部材５３２が挿通される軸部挿通孔５５７が形成されている。
固定用ピン５５２は棒状の部材であり、軸方向の中央部には、軸方向に対して直交する方向に、固定ねじ５５３を挿通させるためのねじ孔５５８が形成されている。
固定ねじ５５３は、ねじ頭が四角柱状の全ねじボルトであり、フランジ部５３６に形成されたねじ孔５３７と、固定用ピン５５２に形成されたねじ孔５５８と、に挿通される。

ここで、固定ねじ５５３がねじ孔５３７およびねじ孔５５８に挿通されて、締め込まれると、フランジ部５３６と固定部材５５１との隙間が小さくなり、フランジ部５３６と固定部材５５１との間に介装されたばね５５４が押し縮められて付勢力が強くなる。そうすると、固定部材５５１は、ばね５５４の付勢力により第２球面座５４３に押し付けられて固定される。この際、軸部材５３２は固定部材５５１の軸部挿通孔５５７に挿通されていることから、第２球面座５４３に対する軸部材５３２の移動も制限されることとなる。そうすると、軸部材５３２を介して、支持部５４の第１球面座５４２に対する保持部５３の球面５３４の摺動が制限されることとなり、保持部５３が支持部５４に対して固定される。

一方、固定ねじ５５３が緩められると、ばね５５４が延びて付勢力が弱くなり、固定部材５５１が第２球面座５４３に対して摺動可能な状態となる。そうすると、軸部材５３２が第２球面座５４３に対して移動可能な状態となるため、軸部材５３２を介して、保持部５３の球面５３４を支持部５４の第１球面座５４２に対して摺動させることができる。

カバー５６は有底円筒状であり、フランジ部５３６や固定ねじ５５３を覆うように、鏡筒部５１に着脱可能に装着されている。
カバー５６の底面部５６１には、フランジ部５３６の形状に応じて円柱状の第１凹部５６２が設けられている。そして、当該第１凹部５６２には、固定ねじ５５３のねじ頭の形状に応じて四角柱状の第２凹部５６３が設けられている。つまり、カバー５６には、固定ねじ５５３のねじ頭と係合する係合構造である第２凹部５６３が設けられている。このため、第２凹部５６３を固定ねじ５５３のねじ頭に係合させ、カバー５６を回転させることにより、固定ねじ５５３を締め込んだり、緩めたりすることができる。

〔参照ミラーの角度調整方法〕
このように構成された本実施形態の参照光調整部５において、参照ミラー５２の角度を調整する方法を以下に説明する。
図３に示すように、参照ミラー５２の角度調整に際し、作業者は、先ず、カバー５６を鏡筒部５１から取り外す。そうすると、フランジ部５３６や固定ねじ５５３が露出した状態となる。この際、固定ねじ５５３は、ねじ孔５３７およびねじ孔５５８に締め込まれた状態であり、固定部材５５１は第２球面座５４３上に固定された状態となっている。

次に、図４に示すように、カバー５６を反転させて、底面部５６１が固定部５５の方向に向くようにする。
そして、図５に示すように、底面部５６１の第１凹部５６２をフランジ部５３６に嵌め合わせるとともに、第２凹部５６３を固定ねじ５５３のねじ頭に嵌め合わせる。そうすると、第２凹部５６３と固定ねじ５５３のねじ頭とが係合された状態となる。この状態で、カバー５６を反時計回りに回転させ、固定ねじ５５３を緩める。

固定ねじ５５３を緩めると、前述のとおり、ばね５５４の付勢力が弱くなり、固定部材５５１が第２球面座５４３に対して摺動可能な状態となる。この状態で、カバー５６を操作して、固定部材５５１を第２球面座５４３に対して摺動させると、軸部材５３２を介して保持部５３の球面５３４が支持部５４の第１球面座５４２に対して摺動し、参照ミラー５２の角度が変化する。つまり、本実施形態では、第１球面座５４２と第２球面座５４３との二重球面構造により、球面に沿って参照ミラー５２の角度を調整することができる。

参照ミラー５２が所望の角度に調整できたら、カバー５６を時計回りに回転させて、固定ねじ５５３を締め込む。そうすると、前述のとおり、ばね５５４の付勢力により固定部材５５１が第２球面座５４３上に固定され、軸部材５３２の移動が制限される。これにより、保持部５３の球面５３４が支持部５４の第１球面座５４２に対して固定され、振動等によって参照ミラー５２の角度がずれることを防止できる。
最後に、カバー５６を鏡筒部５１に取り付けて、図２に示す状態に戻す。

〔実施形態の効果〕
このような本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、参照ミラー５２の角度調整に際し、カバー５６により、固定部材５５１を固定している固定ねじ５５３を締め込んだり、緩めたりすることができる。このため、固定ねじ５５３を操作するために通常用いるレンチやドライバー等の工具を用意する必要がなく、参照ミラー５２の角度調整作業の作業性を向上できる。

また、第１球面座５４２と第２球面座５４３との二重球面構造により、参照ミラー５２の角度を球面に沿って調整できるため、参照ミラー５２の角度をあらゆる方向に容易に調整できる。このため、参照ミラー５２の角度調整作業の作業性を向上できる。
さらに、フランジ部５３６や固定ねじ５５３よりも大きくて持ちやすいカバー５６を操作して、保持部５３の姿勢を調整することができる。このため、参照ミラー５２の微小な角度調整を容易にできる。

本実施形態では、参照ミラー５２の角度調整作業を行わない場合、カバー５６が鏡筒部５１に装着されているため、カバー５６の紛失を防止できる。
また、フランジ部５３６や固定ねじ５５３がカバー５６に覆われて露出しないため、作業者の不注意によりフランジ部５３６や固定ねじ５５３に接触して、参照ミラー５２の角度がずれることを防止できる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は、前述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれる。
前述した実施形態では、球面状に形成された第１球面座５４２に沿って保持部材５３１を摺動させて、参照ミラー５２の角度を調整していたが、これに限らず、例えば、保持部材５３１を円筒状に形成し、支持部５４には円筒面を設け、この保持部材５３１を支持部５４の円筒面に沿って摺動させることで、参照ミラー５２の角度を調整できるようにしてもよい。また、支持部５４の摺動面に高さの異なる複数の平面を設け、保持部材５３１が固定される平面によって参照ミラー５２の角度が調整できるようにしてもよい。
さらに、支持部５４の摺動面を平面とし、保持部材５３１をこの平面に沿って摺動させることにより、参照ミラー５２の光軸上の位置を調整できるようにしてもよい。この場合、例えば、摺動面である平面に保持部５３の軸部材５３２が挿通される長穴を設け、支持部５４に対して保持部５３を摺動させて、軸部材５３２を長穴内で移動させるようにしてもよい。

前述した実施形態では、支持部５４に対して保持部５３を摺動させることにより、参照ミラー５２の姿勢を調整していたが、これに限らず、例えば、保持部５３および支持部５４に歯車を設け、これらの歯車同士を歯合させ、歯車を回転させることにより、支持部５４に対して保持部５３を相対的に移動させるようにしてもよく、支持部５４に対して保持部５３が相対的に移動できるような構造であれば、それでよい。

前述した実施形態では、参照ミラー５２を保持部５３に保持させ、参照ミラー５２の角度を調整するようにしていたが、これに限らず、例えば、図６に示すように、レンズ５２Ａを保持部５３に保持させるようにしてもよい。この場合、レンズ５２Ａの光軸と、保持部５３の軸方向が交差するようにしてもよい。
また、干渉対物レンズに限らず、例えば、カメラや顕微鏡のようにミラーやレンズを用いる光学装置に適用することができる。

前述した実施形態では、カバー５６は有底円筒状であったが、これに限らず、例えば、有底角筒状や半球状であってもよく、固定部５５の固定部材５５１や固定ねじ５５３を覆うことができるような形状あれば、それでよい。

前述した実施形態では、カバー５６の底面部５６１に第２凹部を設け、固定ねじ５５３のねじ頭と係合させていたが、これに限らず、例えば、カバー５６の側面に凹部を設けてもよい。また、カバー５６に固定ねじ５５３のねじ頭と係合する凹部を設けることに限らず、固定ねじ５５３のねじ頭と係合する凹部を有する治具が鏡筒部５１やカバー５６に着脱可能に装着されるようにしてもよい
さらに、カバー５６を操作し易くするために、円筒面に滑り止めラバーを貼ったり、表面に凹凸を形成してもよい。

前述した実施形態では、固定ねじ５５３は、ねじ頭が四角柱状の全ねじボルトであったが、これに限らず、例えば、ねじ頭が六角柱形状の全ねじボルトであってもよく、カバー５６に設けられた係合構造と係合して操作できるような形状であれば、それでよい。

本発明は、干渉計の干渉対物レンズに利用できる。

１…干渉対物レンズ、２…対物レンズ系、２１…対物レンズ、２２…レンズ保持筒、２３…取付部、３…光干渉ユニット、４…ビームスプリッタ、４１…ハーフミラー、５…参照光調整部、５１…鏡筒部、５２…参照ミラー、５２Ａ…レンズ、５３…保持部、５３１…保持部材、５３２…軸部材、５３３…保持面、５３４…球面、５３５…凹部、５３６…フランジ部、５３７…ねじ孔、５４…支持部、５４１…円筒部、５４２…第１球面座、５４３…第２球面座、５４４…軸部挿通孔、５５…固定部、５５１…固定部材、５５２…固定用ピン、５５３…固定ねじ、５５４…ばね、５５５…球面、５５６…凹部、５５７…軸部挿通孔、５５８…ねじ孔、５６…カバー、５６１…底面部、５６２…第１凹部、５６３…第２凹部、ＡＬ…光軸、ＬＲ…参照光、ＬＳ…測定光、Ｓ…観察対象面。

Claims

光学素子を保持し、本体に対して姿勢調整可能な保持部と、
前記保持部を前記本体に対して任意の姿勢で固定する固定部と、
前記固定部を回転操作可能な治具と、を備え、
前記保持部は、前記本体との間に摺動構造を有し、
前記摺動構造により、前記保持部を前記本体に対して摺動させることで、前記保持部の姿勢を調整でき、
前記固定部は、前記摺動構造を圧迫して固定する固定用ねじを有し、
前記治具は、前記固定部を覆うカバーであって、前記固定用ねじに係合可能な係合構造を有し、前記本体に着脱可能に装着されていることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記摺動構造は、球面状の摺動面を有していることを特徴とする光学装置。