JPH03156305A - 非球面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学機器、映像機器などに用いる光学部品の
表面形状、例えば非球面プラスチックレンズ、成形金型
などの表面形状を干渉測定により非接触で高精度に測定
するために用いられる非球面形状測定装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 第５図はトワイマン・グリーン型干渉計を用いた従来の
非球面形状測定装置の原理図である。レーザー光源ＬＳ
から出力された可干渉光は、コリメータレンズＣＬによ
り平行光線に変換され、ビームスプリッタＢＳで２つの
光線に分割される。

一方の光線は、球面波発生用レンズＬにより球面波Ｓに
変換され、非球面形状の被測定面Ｔで反射されて、レン
ズＬを経て測定光としてビームスプリッタＢＳに戻る。

他方の光線は、平面反射鏡Ｍにより反射され、参照光と
してビームスプリッタＢＳに戻る。測定光と参照光は干
渉を起こし、その干渉縞が観測面■で観測される。干渉
縞は測定光と参照光の光路差によって生じるので、被測
定面Ｔの球面からの誤差（非球面量）を等高線で表した
図形となる。レーザー光源ＬＳがＨｅ−Ｎｅの場合、等
高線はλ／２＝０．３Ｌ６４μ鋤ごとに１本のピッチと
なる。この干渉縞を解析することにより、非球面形状を
測定することができる。

ところで、被測定面Ｔの弁球ｒｆｆｌｌ（球面からの誤
差）が大きい場合には、球面波Ｓと被測定面Ｔとの偏差
が大きくなり、干渉縞の間隔が小さくなり過ぎて測定不
可能となることがある。そこで、横関俊介等による［複
数枚の干渉図形を用いた非球面の形状測定法」（光学１
２（１９８３年）の２９６〜３００頁）では、入射球面
波の曲率半径を適当に選び、被測定面を光軸方向にずら
しながら部分的に干渉縞間隔の大きい部分を作り、複数
枚の干渉縞の解析結果をつなげて非球面の全体形状を求
める方法が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来技術では、非球面形状の曲率と入射球面波の
曲率とが一致しない場合でも、被測定面に対する入射光
とその反射光とが同一の光路を通るものと仮定している
。ところが、非球面形状の曲率と入射球面波の曲率の違
いが大きいほど、入射光と反射光は同一の光路を通らな
くなり、誤差が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、非球面形状の曲率と入射球面波
の曲率が一致する位置を検出し、この曲率の一致する位
置のみを用いて非球面形状を求めることにより、誤差を
少なくした非球面形状測定装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、第１
図に示すように、可干渉光を参照光と測定光に分割し、
測定光を球面波として非球面形状の被測定面に入射し、
その反射光と参照光との干渉縞に基づいて被測定面の球
面形状からの偏差を求める非球面形状測定装置において
、被測定面を光軸方向に走査する手段と、各走査位置で
得られた干渉縞について微分係数がゼロになる位置を求
める手段と、各走査位置で求められた微分係数がゼロに
なる位置に基づいて被測定面の非球面形状を求める手段
とを備えることを特徴とするものである。

［作用］ 本発明にあっては、このように、被測定面を光軸方向に
走査し、各走査位置で得られた干渉縞について微分係数
がゼロになる位置、つまり、非球面形状の曲率と入射球
面波の曲率が一致する位置を検出している。この位置で
は、入射波と反射波は同一の光路を通るので、この曲率
の一致する位置のみを用いて非球面形状を求めることに
より、誤差を少なくすることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の全体構成を示している。こ
の装置は、トワイマン・グリーン干渉計を非球面形状計
測に応用したものである。レーザー光源１から出力され
た可干渉光は、レンズ２、ピンホール３、コリメータレ
ンズ４等の光学系を通って平行光線に変換され、ビーム
スプリッタ５により２つの光線に分離される。一方の光
線は、平面反射鏡よりなる参照鏡８で反射されて、参照
光としてビームスプリッタ５に戻る。他方の光線は、球
面波発生用レンズ６により球面波となり、被測定物７に
照射される。被測定物７から反射した光は、測定光とし
てビームスプリッタ５に戻り、参照鏡８からの参照光と
重なって、観測面１０で干渉縞として観測される。

本発明においては、この干渉縞を位相シフト法（縞走査
法とも呼ぶ）により解析し、非球面形状と入射球面波の
曲率が一致する位置を求め、これを使って非球面形状を
求めている。さらに非球面量が大きい場合には、つなぎ
合わせによって非球面の全体形状を求めている。

まず、非球面形状と入射球面波との曲率が一致する位置
を検出するための測定原理について説明する。第２図は
本発明に用いる光学系の概念図（オブトロニクス社「高
精度鏡面形状測定法」の９５頁より抜粋）である１図中
、Ｌは球面波発生用レンズ、Ｆは焦点位置、ｆは焦点距
離、Ｔは非球面形状の被測定面、Ｓは入射球面波、■は
観測面、Ｏは被測定面及び観測面の中心である。この図
では、破線で示す入射球面波Ｓが点Ｐｉで被測定面Ｔに
接している。なお、第２図では、簡略化のために、参照
鏡とビームスプリッタは図示を省略しているが、一般の
トワイマングリーン干渉計である。観測面■で現れる干
渉縞の位相分布は、被測定面Ｔと入射球面波Ｓどの位相
差分布である。この干渉縞の位相分布を求める手段とし
て位相シフト法（縞走査法とも呼ばれる）を用いる０位
相シフト法は、干渉縞の位相測定を高精度に行う方法で
、武田光夫［サブフリンジ干渉計測基礎論」（光学１３
（１９８４年）の５５〜６５頁）に記載されているよう
に、参照光の位相を既知量変化させることにより得られ
る複数枚の干渉縞図形を用いて、数学的演算により位相
を求める手段である０例えば、参照ｉｌｌ　８をＰＺＴ
９によりλ／８ずつずらせて得られた４枚の干渉縞にお
いて、観測面上の成る一点での４つの光強度をＩ３．Ｉ
２．Ｉ３．Ｉ４とすると、その点における位相は次式で
演算できる。

Ｗ＝（λ／　４　）ｊａｎ−’（（Ｉ　２　　Ｉ　４）
／　（Ｉ　＋　　Ｉ　ｉ）１この演算を観測面上の全観
測点についてそれぞれ行えば、観測面上の位相分布が求
まる。そして、位相シフト法により求めた干渉縞の位相
分布を解析することにより、接点Ｐｉの位置を求めるこ
とができる。

具体的な測定手順を説明すると、まず、非球面の被測定
物の中心を焦点位置におく０球面波発生用レンズに収差
が無ければ、ｔｍ面では均一の明るさを持った干渉図形
が観測される０次に、被測定物を光軸方向に動かして、
被測定物の中心近くに粗い干渉縞が得られるようにする
。このときの焦点位置からの移動量を１１としておく、
そして、ＰＺＴ９により参照鏡８を駆動して位相シフト
法を用いて、ｖＡ測面上の干渉縞の位相分布を求め、観
測面方向（Ｕ軸方向）に対する位相分布の微分係数がゼ
ロとなる位置を求め、その位置をＵｉとおく、観測面に
おける干渉縞を位相シフト法により位相分布として求め
た結果を第２図に例示する。

第２図では凹物体を測定している１点Ｐ；は被測定面と
入射球面波との接点であるので、点Ｐｉに対応する干渉
縞上の点Ｕｉの観測面方向に対する位相分布の微分係数
はゼロのはずである。このことを利用して、点Ｕｉの位
置を求めれば、次式により接点Ｐｉの座標が求まる。

第２図において、原点Ｏと点Ｕｉの位相差をＡｉと置く
と、このＡ；は原点Ｏと点Ｐｉの位相差を表す、また、
点Ｐｉに対する入射波及び反射波が光軸となす角度θｉ
は次式のようになる。

θ１−ｊａｎ−’（Ｕ　ｉ／　ｆ）　　　　　　　　　
　−■これより点Ｐｉの座標（Ｘｉ、Ｚｉ）は次式のよ
うになる。

Ｘ１＝（Ｎｉ−Ａｉ）ｓｉｎθ１ Ｚｉ＝ｉ’ｉ　　（１ｉ−Ａｉ）ｅｏｓθｉ　　　　　
　　−■次に、曲率の一致する位置Ｐｉ＝（Ｘｉ、Ｚｉ
）のみを用いて非球面形状を求めるために、被測定面Ｔ
をＺ軸方向にＮ回動かす、そして、各回における干渉縞
の位相分布から求まった接点Ｐｉの位置から、非球面物
体の形状を求める。

今、接点Ｐｉが被測定物の外側へ行くように、被測定物
を微小Ｉδｉだけ動かしたとする。このときの焦点から
の移動量を１１士、　（＝　１：＋δｉ）とおく、また
、干渉縞の位相分布の微分係数がゼロとなる位置を点Ｕ
ｉｎ、それに対応する非球面上の位置を点Ｐ　ｉ４１、
それと光軸との角度をθｉ＋＋とする。これらから同様
に０式を用いて、点Ｐｉ＋＋の座標を求める。

被測定物を微小量δｉずつＮ回動かし、それぞれについ
て求めたＰｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を並べ合わせると、非球面
形状を求めることができる。また、Ｕ軸は原点を通り、
光軸に垂直でありさえすれば、どの方向にも取れるので
、非球面形状を３次元的に求めることができる。

さらに、非球面形状の測定面積が大きく、非球面量（球
面からの誤差）が大きい場合には、非球面の全体形状を
求める方法として、隣接する測定データのつなぎ合わせ
を行う、もし、非球面量が大きい場合、干渉縞が細かく
なりすぎ、位相差Ａｉが測定できない場合がある。この
ときは、δｉを調整し、第４図（ｂ）に示すように、点
Ｕ　ｉ＋＋の前後の粗い干渉縞の中にＵｉを含むように
する。この点Ｕｉ士、と点Ｄｉとの位相差をＢ　ｉ＋１
とおいて、点Ｕ　！十＋に対応する非球面上の点Ｐ　ｉ
ｉは点Ｐｉを中心にして求める。ここで、点Ｐ；の位置
は前記の方法で求まっているものとする。

コノ場合、点Ｐｉ＋、ノ座標を（Ｘ　ｉ士＋　、Ｚ　ｉ
＋＋）トすると、この座標は第４図（、）を検討すれば
明らかなように、次式で求められる。

Ｘｉ＋、＝Ｘｉ・ｃｏｓ（θｉ＋１−θｉ）＋　（＆ｉ
＋＋　　　Ｚ　ｉ）　・　５ｉｎ（／ｉ＋、−θｉ）→
−Ｂ　！＋Ｉ’　Ｓｉｎθｉ。

Ｚ　ｉ＋＋−ｐｉ＋ｌ−Ｂ　ｉ＋１・ｓｉｎθ１＋＋（
１ｉ＋＋　　Ｚ　ｉ）　・ｃｏｓ（１ｉ＋＋−θｉ）＋
Ｘ１−ｓｉｎ（θｉ士、−θ１） なお、本発明で用いる干渉計は、等高線干渉縞図を得る
ことができる装置であれば、どのような種類のものでも
良く、第１図に示したトワイマン・グリーン型の干渉計
のほか、振動等に強く、計測用干渉計として最も背反し
ているフィゾー型干渉計でも全く同様の原理で測定が行
える。

［発明の効果］ 本発明にあっては、光の干渉を用いて入射球面波と被測
定面との偏差を求める非球面形状測定装置において、被
測定面を光軸方向に走査し、各走査位置で得られた干渉
縞について微分係数がゼロになる位置をそれぞれ求めて
、それらの位置に基づいて被測定面の非球面形状を求め
るようにしたから、非球面形状の曲率と入射球面波の曲
率の違いによる誤差が生じないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成図、第２図は同上
の測定原理を説明するための図、第３図は同上の観測面
での位相分布の一例を示す図、第４図（、）は同上の測
定結果のつなぎ合わせの原理を説明するための図、第４
図（ｂ）は観測面における干渉縞の一例を示す図、第５
図は従来例の概略構成図である。 １はレーザー光源、２はレンズ、３はピンホール、４は
コリメータレンズ、５はビームスプリッタ、６は球面波
発生用レンズ、７は被測定物、８は参照鏡、９はＰＺＴ
、１０は観測面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉光を参照光と測定光に分割し、測定光を球
   面波として非球面形状の被測定面に入射し、その反射光
   と参照光との干渉縞に基づいて被測定面の球面形状から
   の偏差を求める非球面形状測定装置において、被測定面
   を光軸方向に走査する手段と、各走査位置で得られた干
   渉縞について微分係数がゼロになる位置を求める手段と
   、各走査位置で求められた微分係数がゼロになる位置に
   基づいて被測定面の非球面形状を求める手段とを備える
   ことを特徴とする非球面形状測定装置。