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    公开号:WO1985005674A1
    申请号:PCT/JP1985/000301
    申请日:1985-05-30
    公开日:1985-12-19
    发明作者:Masahiro Nakajo；Shuji Ueda；Kunio Nakata
    申请人:Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.；
    IPC主号:G01B11-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 発明の名称
    [0003] 形状測定装置
    [0004] 技術分野
    [0005] 本発明は、 レンズ ， ミ ラ一等の平面，球面ある は非球面の 形状を精密測定する測定装置に関するものである。
    [0006] 背景技術
    [0007] 現在、 非球面レンズは、 軽量化， 低コ ス ト化を目的と して、 ビデオテープレコ ーダ 一， ディ ジタ ルオーディ オデイ ス ク等の 精密光学機器やカ メ ラ レンズに多く使用されている。
    [0008] このよ うな非球面レンズの非球面形状の測定は、 一般に三次 元測定機に代表される触針法で行なわれているが、 触針法は点 計測のため測定に時間がかかるという欠点がある。 そこで近年 は、 光の干渉を利用して非球面全体の形状を非接触で、 かつ高 精度に測定する干渉測定法が採用されるよ うに ¾つてきた。 こ のよ うな干渉測定法の代表的なものとして、 シ ュ アリ ング干渉 法と縞走査法を組み合わせた縞走査シ ュ ア リ ング干渉法が、 リ コ ー · テク - カル レポー ト JTO. O ， ( 1 9 8 3 ) Ρ ·4〜 Ρ .9 に報告されている。
    [0009] 第 1 図は、 この縞走査シ ュ ア リ ン グ干渉法を採用した形状測 定装置の基本構成を示す平面図である。 第 1 図を基に動作を 簡単に説明すると、 光源 1 から射出された光ビ ー ム 2は、 集光 レンズ 3 とコ リ メ ータ ー レ ンズ 4 で十分な径の光束に拡大され た後、 ビー ム スプリ ッ タ 5 , 6を透過し、 更に透過球面レンズ 7によ 1)球面波面に変換された後、 被測定物 8に入射する。 被 測定物 Sの球面形状からのずれの情報をも つた反射光ビーム 9 は、 第 1 の ビ一ム スプ リ ッ タ 6で透過光ビー ム 1 Oと反射光ビ — ム 1 1 に分割される。 透過光ビー ム 1 Oは第2のビー ムスブ リ ッタ 5で反射し、 さらに第3のビーム スプリ ッタ 1 2で反射 し、 レ ン ズ 1 3で光束をしぽつた後撮像装置 1 4に入射する。 一方、 反射光ビ - ム 1 1 は反射面1 5で反射され、 光軸に対し て傾けて設置した平行扳 1 6で横ずらしされ、 第3のビーム ス プリ ッタ 1 2を透過し撮像装置 1 4に入射する。 上記 2本の光 ビー ムは撮像装置 1 4の撮像面上で干渉縞を発生する。 この千 渉縞は反射光ビ―ム 9の波面の微分量に比列して現われるので これを処理装置 1 了で積分することによ り、 被測定物 8の球面 波面からのずれを求めることができる。
    [0010] 上記形状測定装置では、 さらに干渉縞を高精度に測定するた めに反射面 1 5をピエゾ駆動装置 1 8で微少量移動して縞走査 を行なっており、 これにより干渉縞光量のばらつき等のノイズ に対して安定に高精度な干渉縞情報を得ることができる。
    [0011] 上記した従来の形状測定装置では、 被測定物 8からの反射光 ビー ム 9が透過光ビー ム 1 Oと反射光ビー ム 1 1 で別々の光路 を通るため、 空気の擾乱、 温度変化等の環境変化が生じると、 それぞれの光路で別々に影響が現われ、 測定誤差の原因となる, そのため、 測定環境の管理上問題があった。 また、 上記従来の 形状測定装置は部品点数が多く、 部品の収差管理上やコ ス ト上 問題があつた。
    [0012] 発明の開示 - そこで本発明の主たる目的は、 測定環境の変化に対して良好 • ¾測定精度を保ち得る形状測定装置を提供することにある。 本発明の他の目的は、 搆成を簡素化して部品の収差管理を容 易とし、 またコ ス ト の低減をも可能と した形状測定装置を提供 することにある。
    [0013] 5 上記本発明の目的は、 以下の構成によ 達成される。 す ¾わ ち本発明は、 光ビームを射出する光源と、 前記光源からの光ビ ―ムを被測定物に照射する レンズ系と、 前記被測定物よ り の反 射光から横ずらしされた 2本の光ビー ムを発生させる ビ - 厶 スフ。 ソ ，リタ & 、 艮 身ォ , と、 前記反射鏡及びビーム ス i o プリ ッ タを相対移動させる移動手段と、 前記横ずらしされた 2 本の光ビームによ り生じる干渉縞パターンを電気信号に変換す る撮像装置と、 前記電気信号を処理して前記被測定物の形状を 算出する電気信号処理手段を備えた形状測定装置において、 會 εビームスプリ ッタ及び反射鏡を対向して配置し、 ビ一
    [0014] 1 5 ム スプ リ ク タに入力された光ビー ムを前記ビ —ム スプ リ ッ タ及 び反射鏡のそれぞれの反射面で反射して横ずらしされた 2本の 光ビームを発生させる よ うに搆成したものである。
    [0015] 更に本発明の形状測定装置は、 上記した構成に、 移動手段、 撮像装置及び電気信号処理手段の動作を制御する制御手段を加0 えたものをも含む。
    [0016] 図面の簡単な説明
    [0017] 第 1 図は縞走査シェ ア リ ング干渉法を採用した従来の形状測 定装置の基本構成を示す平面図、 第 2図は本発明の一実施列に おける形状測定装置の基本構成を示す平面図、 第 3図は光束を5 横ずらしする方法の説明図、 第 4図は本発明の一実施列におけ- る電気信号処理手段のブ ° ッ ク図、 第5図はシ ュ ア リ ング干渉 法の原理説明図、 第 6図は同方法による形状測定アル ゴ リ ズ ム のフ ロ ーチ ャ ー ト 、 第ァ図は本実施列の具体的な搆成を示す平 面図、 第 8図は凸面形状を測定する際の説明図である。
    [0018] 発明を実施するための最良の形態
    [0019] 第 2図は本発明の一実施列における形状測定装置の基本構成 を示す平面図である。 図において、 2 0は He — Ne レーザ— よ りなる光源であ り、 光源 2 0 よ 射出されたレーザービー ム は集束レンズ 2 1 とコ リ メ 一ターレ ンズ 2 2から成る ビー ムェ ク ス パ ンダ 2 3で十分な径の光束に拡大され、 第 1 のビーム ス ブ リ ツ タ 2 4を透過し、 透過球面レ ン ズ 2 5によ り、 球面波面 が作成され、 被測定物 2 6に照射される。 被測定物 2 6で反射 した光ビー ムは、 透過球面レンズ 2 5を通り 、 第 1 のビーム ス プリ ツ タ 2 4で反射し、 ほぼ平行に設置された第 2のビ—ム ス プ リ ク タ 2 7と反射鏡 2 8に入射し、 第 2のビ一ム スプリ ッ タ 2 ァ及び反射鏡 2 8のそれぞれの反射面で反射して平行に横ず らしされた 2本の光束に分離される。 第 3図でこの様子をさら に詳しく説明すると、 第 2のビ一ム スプリ ッ タ 2 7に入射した 光ビームは、 蒸着面 4 Oで反射光ビー ム 4 1 と透過光ビー ム 42 に分離される。 透過光ビーム 4 2は第 2のビーム スプ リ ッ タ 27 に対向して設置した反射鏡 2 8の反射面で反射し、 再び第 2の ビーム スプリ ッ タ 2 ァに入射し、 反射光 4 1 に対して平行に横 ずらしされて出射する。
    [0020] 第 2図にもどり、 上記 2つの光ビー ムはほぽ同一の光路を通 光束変換レ ンズ 2 9で光束がしぼられた後、 撮像装置 3 Oの J,
    [0021] 撮 iに入射する。
    [0022] 第 4図は本実施列の電気信号処理手段の構成を示したもので あ 、 撮像装置 3 oで電気信号に変換された干渉縞画像は フ レ — ム メ モ リ 5 0に入力され、 デジタル信号に変換されると同時 に T V モニタ 5 1 に表示される。 さらに干渉縞のデータは、 ィ ン タ — フ - —ス 5 2を介して電子計算機 5 3に入力され、 あら かじめプログラムされたァルゴ リ ズ ムに従って被測定物の形状 を計算する。
    [0023] 第2図にもどって、 反射鏡2 8はエアスライ ド 3 1 上に設置 されており、 マイ クロメ 一タ 3 2 とピエゾ素子 3 3によ って第 2 のビ一ム スプリ ッタ 2 7に対し平行状態を保ったまま移動で きるよ うに構成されている。 マイ クロメータ 3 2によ り上記 2 つの光ビームの横ずらし量を変化させ、 更にピエゾ素子 3 3に よつて反射鏡 2 8を微動させることによ り縞走査を行な う。 第 4図において、 縞走査の走査量は、 電子計算機 5 3からの命令 に従 、 イ ン タ — フ ユ 一 ス 5 4 , D — A変換器 5 5 ， 高圧増幅 器 5 6を介してピエゾ素子3 3を駆動することによ り コ ン ト 口 —ルされる。
    [0024] 次に、 第 5図を基にシュ ア リ ング干渉法と縞走査法の原理に ついて説明する。 なお、 以下の説明は簡単のため全て一次元で 行なう。
    [0025] 被測定物 2 6 よ りの反射光ビームは、 透過球面レ ンズ 2 5に よ り生じた仮想基準球面波面よ のずれの情報をも つている。 この反射波面6 O ( W (）とする ） とそれを横ずらし量 6 3だけ 横ずらしされた波面 6 1 との光路差を 6 2 とする。 干渉縞はこ の光路差 6 2 ( J とする ）に対応して生じ、 横ずらし量 63
    [0026] ( S とする ）が微少なときは d W(x) , 、
    [0027] W ( ) = s (1)
    [0028] α χ が成り立つので、 反射波面 W'Czは干渉縞 J を電子計算機53 で積分処理することによ り求めることができる。
    [0029] 次に、 J を高精度に求めるための縞走査法について説明
    [0030] N¾ Γ
    [0031] する。 反射面 2 8を微少量移動し、 横ずらしされた波面6 1 の 位相を 1 波長分変化させると、 干渉縞 J W(r)上の任意の点での 干渉縞強度は正弦波状に 2 7Γだけ変化する。 このときの初期位 相は J W(r)となるので、 干渉縞強度の変化をサンプルし、 電子 計算機 5 3で計算をすれば W(r)を高精度に求められる。 すな わち、 横ずらしされた波面 6 1 の位相を ごとに N段階変化 させ、 干渉縞の任意の点 における干渉縞強度 Ij (r) を N回測 定するとしたとき、 J Wfe)は
    [0032] N
    [0033] ∑ sin2 π-—
    [0034] λ
    [0035] jW(r)= tan ； m 0 d C 2π· (2) π
    [0036] ：] - 2 で求められる。 ただしスは光源の波長である。 〔前記リ コー . テク二カ ノレ レボー ト ，/¾ 1 Ο ， ( 1 983 ) Ρ.6 〜 Ρ.了参照〕 第 6図に、 本実施列の装置によ り形状を測定する際のァルゴ リズムを示す。
    [0037] 測定を開始すると、 まずフ レー ム メ モ リ 5 Οにお て干渉縞 画像をあらかじめ設定した測定点数でサンブルした後電子計算 — T ―
    [0038] 機 5 3に入力する （ ステ ッ プ 1 )。 次にピヱゾ素子を 义/ Ν だ け移動し、 同様に干渉縞画像を入力する （ ステ ッ プ 2 ) 。 これ をあらかじめ設定したピエゾ素子移動数 （ Ν — 1 )回繰 返し、 Ν枚の干渉縞画像を入力する （ ステ ッ プ 3 ：)。 入力が終わると 初期位相値 J を前記の (S)式に従つて計算する ( ステ ッ プ 4 ): 次に、 J W(r)は一 7Γ 〜 ； rの値をも ち、 測定点間で 2 ； rの位相飛 びが生じる部分があるのでこれを補正する （ ステ ッ プ5 )。 さ らに、 補正した J W(r)を積分し、 W ( )を求める （ ステ ッ プ 6 ：) 。 第 7図に本実施列の具体構成を示す。 各構成部品は定盤 100 上に設置され、 振動の影響を除去し、 さ らに各構成部品の相対 位置関係の変化を減少している。 1 〇 1 は He — Νβ レーザー 光源であり、 専用の高圧電源で駆動して る。 1 02は集束レ ンズであり顕微鏡の対物レンズを使用 している。 また 1 0 3は ピン ホ ールで、 集束レンズ Ο 2のほぼ焦点位置に設置され、 測定に使用する波面を整形する。 集束レ ンズ 1 Ο 2 と ピ ン ホ — ル 1 Ο 3は保持具 1 Ο 4で保持され、 各位置関係はマイ ク ロ メ —タ 1 Ο 5で調整できる。 1 0 6は反射ミ ラ一で、 省ス ペ ー ス 化のため光路をほぼ 90°曲げている。 1 0 7はコ リ メ 一タ ーレ ンズで、 2枚の単レンズによ り構成されている。 コ リ メ 一ター レンズ 1 Ο 7は保持具 1 0 8で保持され、 あ り と傾きの調整 が可能である。 1 Ο 9はあおり調整用のマイ クロ メ ータ一であ る。 第 1 のビームスプ リ ッ タ 1 1 Οは平面扳タ イ プのもので、 保持具 1 1 1 で保持され、 あおり と傾きの調整が可能である。
    [0039] 1 1 2はあおり調整用のマイ ク ロ メ ータ一である。 3は透 過球面レンズで、 被測定物 1 1 5の形状によ って取眷える必要 があるため、 保持具 1 1 4はロ ックイ ン タイブのものを使用し てお 、 またあおり と傾きの調整が可能である。 被測定物 1 1 5 の保持具 1 1 6は三つ爪をもち さまざまな径の被測定物を保 持できるよ うになっている。 この保持具 1 1 6は、 あおり ， 傾 きの他に上下 ， 左右の位置調整が可能である。 さらに保持具
    [0040] 1 1 6はレ ー ル 1 1 7上に設置され、 光軸方向に移動可能で、 移動量はリニアス ケ 一ルで測定できる。 1 1 8は第2のビー ム スプリ ッタである。 1 1 9は反射鏡で保持具 1 2 Oで保持され、 あおり と傾きの調整が可能である。 さらに保持具 1 2 Oはエア — スライ ド 1 2 1 上に固定され、 マイ クロメータ 1 2 2とピエ ゾ素子 1 2 3で第 2のビーム スプリ ッタ 1 1 8にほぽ平行に移 動可能である。 1 2 4は光束変換レ ン ズ 、 1 2 5は撮像装置で、 共に保持具 1 2 6で保持され、 撮像装置 1 2 5は光軸方向に移 動可能であり、 干渉縞の撮像面上での大きさを変化させること ができる。
    [0041] なお、 前記第 2図では凹面の形状を測定する場合について示 したが、 凸面の形状を測定する場合は、 第 8図に示すよ うに被 測定物 9 Oを透過球面レ ン ズ 9 1 の焦点位置 9 2 よ り透過球面 レ ン ズ 9 寄りに設置する。 また平面形状を測定する場合は、 第 2図の透過球面レ ン ズ 2 5を取り除く。
    [0042] また、 第 2図では第 1 のビ一ム スプリ ッタ 2 4としてブリズ ムタイプのものを示してあるが、 第 7図で示したよ うに平面板 タィプのものでも良い。 また第 2図に いて光束変換レ ンズ 29 は撮像装置 3 Oの撮像面が干渉縞を入力するのに十分な大きさ であれば必要 ¾い。 また、 本実施列では、 反射鏡 2 8を移動して縞走査を行 ¾ たが、 第2のビ一ム スプリ ッタ 2 ァを移動しても良いことは言 うまでも ¾い。
    [0043] 産業上の利用可能性
    [0044] 以上のよ うに本発明によれば、 ビーム スブリ ッ ク と反射鏡を 対向して設置して波面の横ずらしを行ない、 また反射面あるい はビーム スプリ ッ タの少な く と も一方を微少量移動することに よ 1 縞走査を行 ¾ うため、 構成が簡単化され、 さ らに横ずらし された 2つの光ビー ムがほとんど同じ光路を通 、 環境の変化 に対して安定であり、 高精度で形状を測定できる。
    权利要求:
    Claims

    求 の
    1 . 光ビームを射出する光源と、 前記光源からの光ビームを被 測定物に照射するレ ンズ系と、 前記被測定物よ ] 'の反射光から 橫ずらしされた2本の光ビー ムを発生させるビーム スプリ ッタ
    5 及び反射鏡と、 前記ビーム スプリ ッタ及び反射鏡を相対的に移 動させる移動手段と、 前記横ずらしされた 2本の光ビームによ り生じる干渉縞パター ンを電気信号に変換する撮像装置と、 前 記電気信号を処理して前記被測定物の形状を算出する電気信号 処理手段を備えた形状測定装置において、 前記ビ ーム スプリ 'ク i o タ及び反射鏡を対向して配置し、 前記ビーム スプリ ッ タに入力 した光ビー ムを前記ビーム スプリ ッタ及び反射鏡のそれぞれの 反射面で反射して横ずらしされた 2本の光ビームを発生させる よ うに構成したことを特徵とする形状測定装置。
    2 . 請求の範囲第 1 項において、 反射鏡にピエゾ素子を取 付
    1 5 け、 このピエゾ素子を駆動することによ り、 前記反射鏡及びビ —ム スプリ ッ タを相对的に移動させることを特徵とする形状測
    3 . 請求の範囲第 1 項または第 2項において、 反射鏡をエア— スライ ド上に設置することを特徵とする形状測定装置。
    0 4 . 請求の範囲第1 項または第 2項において、 反射鏡を保持す る保持具に、 前記反射鏡のあおりと傾きを調整する手段を設け ることを特徵とする形状測定装置。 .
    5 - 請求の範囲第 1 項にお て、 平面扳タイブのビ— ムスプリ ツタを用いることを特徵とする形状測定装置。
    5
    6 . 光ビ ームを射出する光源と、 前記光源からの光ビームを被 • 測定物に照射する レ ン ズ系と、 前記被測定物よ の反射光から 横ずらしされた 2本の光ビー ムを発生させる ビーム スプ リ ッ タ 及び反射鏡と、 前記ビームスプリ ッ タ反び反射鏡を相対的に移 動させる移動手段と、 前記横ずらしされた 2本の光ビームによ 5 り生じる干渉縞パター ンを電気信号に変換する撮像装置と、 前 記電気信号を処理して前記被測定物の形状を算出する電気信号 処理手段と、 前記移動手段 ，撮像装置及び電気信号処理手段の 動作を制御する制御手段を備えた形状測定装置において、 前記 ビーム スプリ 'ク タ及び反射鏡を対向して配置し、 このビ一ム ス i o プ リ ッ タに入力した光ビー ムを前記ビーム スプ リ ッ タ及び反射 鏡のそれぞれの反射面で反射して横ずらしされた 2本の光ビー ムを発生させるよ うに搆成したことを特徴とする形状測定装置 c ァ . 請求の範囲第 6項において、 反射鏡にピエゾ素子を取り付 け、 このピエゾ素子を駆動することによ り、 前記反射鏡及びビ 5 — ム スプ リ ッ タを相対的に移動させるこ とを特徵とする形状測
    8 . 請求の範囲第 6項または第 7項において、 反射鏡をエアー スライ ド上に設置するこ とを特徴とする形状測定装置。
    9 . 請'求の範囲第 6項または第 7項において、 反射鏡を保持す0 る保持具に、 前記反射鏡のあおり と傾きを調整する手段を設け ることを特徴とする形状測定装置。
    1 0 . 請求の範囲第 7項において、 ピエゾ素子を、 制御手段に 内蔵された電子計算機からの命令によ り制御する よ うに構成し たことを特徴とする形状測定装置。
    5
    1 - 請求の範囲第 6項において、 平面扳タイ ブのビ一ムスプ • リ ツ タを用いることを特徵とする形状測定装置。
    5
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    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
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    引用文献:
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    法律状态:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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