(57)【要約】【課題】光プローブにおいて光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れるようにする。【解決手段】光プローブ１０Ａは、第１光ファイバー１の先端部１ｂ、第１集光レンズ３、第１円錐レンズ４、第２円錐レンズ５、および第２集光レンズ６を含む。先端部１ｂは出射光束Ｌ１を出射する。第１集光レンズ３は出射光束Ｌ１を集光する。第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５は、平行光束Ｌ２を屈曲させてリング状光束Ｌ４に変換する。第２集光レンズ６はリング状集光光束Ｌ５を第１面４０ａに照射し反射光束Ｌ６を集光する。第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５は、反射光束Ｌ６を縮径光束Ｌ７に変換する。第１集光レンズ３は縮径光束Ｌ７を集光する。【選択図】図１
2020091220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光出射部と、
前記光出射部から出射された前記光を集光する第１集光光学素子と、
前記第１集光光学素子によって集光された光束を光軸に交差する方向に屈曲させることによってリング状光束に変換する第１光束変換素子と、
前記リング状光束を集光して集光光を被測定面に照射し、前記被測定面からの反射光を集光する第２集光光学素子と、
前記反射光を、前記反射光のうち前記第２集光光学素子における周辺部を通過する周辺光成分を前記光軸の近くに移すことによって縮径された縮径光束に、変換する第２光束変換素子と、
前記縮径光束を集光する第３集光光学素子と、
集光された前記縮径光束を受光する受光部と、
を備える、光プローブ。
【請求項２】
前記第１光束変換素子は、前記第２光束変換素子を構成し、
前記第１集光光学素子は、前記第３集光光学素子を構成する、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項３】
前記第１光束変換素子および前記第２光束変換素子の少なくとも一方は、一対の円錐レンズを含む、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項４】
前記第１集光光学素子は、前記光から平行光を形成する、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項５】
前記受光部は、前記第３集光光学素子によって集光された前記縮径光束が入射する光ファイバーを含む、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項６】
前記リング状光束に変換される前の前記光束における軸上光束を遮光する第１遮光部をさらに備える、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項７】
前記リング状光束の内側を通過する光を遮光する第２遮光部をさらに備える、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項８】
前記リング状光束の外側を通過する光を遮光する第３遮光部をさらに備える、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項９】
前記リング状光束に変換される前の前記光束の外側を通過する光を遮光する第４遮光部をさらに備える、
請求項１に記載の光プローブ。
【請求項１０】
請求項１に記載の光プローブと、
少なくとも光軸方向において、前記被測定面に対して前記光プローブを相対移動させる第１移動部と、
前記受光部で受光した光強度信号に基づいて、前記被測定面の前記光軸方向における変位を計測する変位計測部と、
を備える、光学変位計。
【請求項１１】
被測定物を保持する保持部と、
請求項１０に記載の光学変位計と、
前記光学変位計を、前記保持部に対して、少なくとも前記光軸に交差する方向に相対移動させる第２移動部と、
を備える、表面形状測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、表面形状測定機等の測定機に用いられる光学変位計が知られている。光学変位計は、測定光の集光スポットを被測定面に沿って走査する。光学変位計は、被測定面からの反射光の光強度信号に基づいて、被測定面の変位を測定する。
しかし、被測定面が光透過性を有しかつ被測定物が測定方向において薄い場合には、被測定面と重なる他の反射面における反射光が光学変位計に入射するおそれがある。この場合、光学変位計の受光量が被測定面の反射光量からずれることに起因して測定精度が低下する。
このような測定精度の低下を抑制するため、集光スポットの焦点深度を浅くする技術が知られている。
例えば、特許文献１には、測定用光束の近軸光成分を遮光することによって、測定用光束の周辺光成分を使用する光学式変位測定器が記載されている。特許文献１に記載の技術によれば、近軸光成分が遮光されるので、被測定面に入射角が大きな光が照射される。この結果、被測定面が光透過性を有する場合にも被測定面以外の反射光の影響を除去しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０７３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような関連技術の光学変位計および表面形状測定機には、以下の問題がある。
特許文献１に記載の技術によれば、近軸光成分が遮光されるので、測定用光束の光利用効率が低下してしまう。特に、光学変位計に用いる光プローブを小径化しようとする場合、光利用効率の低下による光量不足は測定精度にも影響しやすい。
さらに特許文献１では、周辺光成分のみ用いるので、受光部としてシングルモードファイバーを使用する場合には、シングルモードファイバーへの結合効率が格段に低下してしまう。
この結果、特許文献１に記載の技術によれば、光学変位計に用いる光プローブの受光部としてシングルファイバーを使用できないので、光プローブの小型化、軽量化が難しい。
測定用光束の焦点深度を浅くする目的で、例えば、対物レンズの焦点距離を短くしたり、対物レンズの開口数（ＮＡ）を大きくしたりすることも考えられる。この場合、対物レンズが大口径化したり、対物レンズの作動距離が短くなったりする。被測定物の形状によっては、被測定面を走査する際に光プローブの先端部と被測定面とが干渉してしまう。この結果、測定可能な被測定面の形状に制約が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れる光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様の光プローブは、光を出射する光出射部と、前記光出射部から出射された前記光を集光する第１集光光学素子と、前記第１集光光学素子によって集光された光束を光軸に交差する方向に屈曲させることによってリング状光束に変換する第１光束変換素子と、前記リング状光束を集光して集光光を被測定面に照射し、前記被測定面からの反射光を集光する第２集光光学素子と、前記反射光を、前記反射光のうち前記第２集光光学素子における周辺部を通過する周辺光成分を前記光軸の近くに移すことによって縮径された縮径光束に、変換する第２光束変換素子と、前記縮径光束を集光する第３集光光学素子と、集光された前記縮径光束を受光する受光部と、を備える。
【０００７】
上記光プローブでは、前記第１光束変換素子は、前記第２光束変換素子を構成し、前記第１集光光学素子は、前記第３集光光学素子を構成してもよい。
【０００８】
上記光プローブでは、前記第１光束変換素子および前記第２光束変換素子の少なくとも一方は、一対の円錐レンズを含んでもよい。
【０００９】
上記光プローブでは、前記第１集光光学素子は、前記光から平行光を形成してもよい。
【００１０】
上記光プローブでは、前記受光部は、前記第３集光光学素子によって集光された前記縮径光束が入射する光ファイバーを含んでもよい。
【００１１】
上記光プローブでは、前記リング状光束に変換される前の前記光束における軸上光束を遮光する第１遮光部をさらに備えてもよい。
【００１２】
上記光プローブでは、前記リング状光束の内側を通過する光を遮光する第２遮光部をさらに備えてもよい。
【００１３】
上記光プローブでは、前記リング状光束の外側を通過する光を遮光する第３遮光部をさらに備えてもよい。
【００１４】
上記光プローブでは、前記リング状光束に変換される前の前記光束の外側を通過する光を遮光する第４遮光部をさらに備えてもよい。
【００１５】
本発明の第２の態様の光学変位計は、上記光プローブと、少なくとも光軸方向において、前記被測定面に対して前記光プローブを相対移動させる第１移動部と、前記受光部で受光した光強度信号に基づいて、前記被測定面の前記光軸方向における変位を計測する変位計測部と、を備える。
【００１６】
本発明の第３の態様の表面形状測定機は、上記光学変位計と、前記光学変位計を、前記保持部に対して、少なくとも前記光軸に交差する方向に相対移動させる第２移動部と、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機によれば、光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の光学変位計における計測ユニットの構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の表面形状測定機の動作説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における光プローブに用いる円錐レンズの模式的な正面図である。
【図６】図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の光プローブに用いる第１遮光部の作用を説明する模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【図９】本発明の第４の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態の光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機の構成例を示す模式図である。図２は、本発明の第１の実施形態の光学変位計における計測ユニットの構成例を示す模式図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の表面形状測定機７０は、ステージ３０、光学変位計６０Ａ、および制御部１００を備える。
【００２２】
ステージ３０は、保持部３１と、移動部３２（第２移動部）とを備える。
保持部３１は、被測定物を保持する。保持部３１の構成は、被測定物を保持できれば特に限定されない。例えば、保持部３１は、被測定物を保持する目的で、チャック機構、吸着機構などを含んでもよい。
表面形状測定機７０で測定する被測定物は、被測定面において第１光学系６０Ａから照射される光を反射できれば、特に限定されない。例えば、被測定物の例としては、光学素子、光学素子の基材、成形型などが挙げられる。
光学素子の例としては、レンズ、プリズム、ミラーなどが挙げられる。光学素子における被測定面の形状は特に限定されない。例えば、光学素子における被測定面は、凹面、凸面、平面などであってもよい。
光学素子の基材の例としては、光学素子の形状に形成されたガラス基材、プラスチック基材などが挙げられる。
成形型の例としては、光学素子用の成形型、光学素子以外の部品を成形する成形型が挙げられる。
【００２３】
以下では、被測定物が、被測定レンズ４０からなる場合の例で説明する。被測定レンズ４０の形状は特に限定されない。図１に示す例では、被測定レンズ４０は凸メニスカスレンズである。被測定レンズ４０は、第１面４０ａおよび第２面４０ｂを有する。第１面４０ａは凹面からなる。第２面４０ｂは第１面４０ａと同軸に配置された凸面からなる。
被測定レンズ４０のレンズ厚は特に限定されない。
被測定レンズ４０の被測定面は、第１面４０ａであってもよいし、第２面４０ｂであってもよい。図１に示す例では、被測定面は、第１面４０ａである。
被測定レンズ４０はガラスレンズであってもよいし、プラスチックレンズであってもよい。
【００２４】
移動部３２は、保持部３１を移動可能に支持する。移動部３２は、保持部３１を、少なくとも後述する光学変位計６０Ａの光軸Ｏに交差する方向に移動させる。移動部３２は、さらに保持部３１を光軸Ｏに沿う方向（以下、光軸方向と称する場合がある）に移動させてもよい。例えば、移動部３２は、ゴニオステージ、回転ステージ、ＸＹステージなどを含んでもよい。移動部３２は、さらに光軸方向に移動するＺステージを含んでもよい。
移動部３２は、後述する制御部１００と通信可能に接続され、制御部１００からの制御信号によって移動量が制御される。
移動部３２は、保持部３１に保持された被測定面を光軸Ｏに対して相対移動させる。移動部３２は被測定面を移動させるとき、被測定面が光軸Ｏと直交しかつ光軸Ｏ上の点Ｐを通過する状態を保つことがより好ましい。点Ｐは測定基準位置である。例えば、点Ｐは、後述する光プローブ１０Ａの移動中立位置における測定用光束の結像位置である。
【００２５】
光学変位計６０Ａにおける変位測定方法としては、被測定面に照射される測定用光束の反射光強度に基づく適宜の変位測定方法が用いられる。例えば、光学変位計６０Ａに好適な変位測定方法の例としては、干渉計を用いる方法（以下、干渉計方式）、同軸共焦点光学系を用いる方法（以下、同軸共焦点方式）などが挙げられる。
干渉計方式では、参照面を有する干渉計光学系が用いられる。干渉計方式では、参照面における測定用光束の反射光束と、被測定面における測定用光束の反射光束とを、干渉させる。干渉光強度は、被測定面と干渉計光学系との光軸方向の相対変位によって変化する。干渉光強度の振幅および位相の情報から相対変位が算出される。
同軸共焦点方式では、同軸共焦点光学系を通して測定用光束を被測定面に照射する。被測定面からの測定用光束の反射光束を共焦点位置に配置された受光部で受光する。受光部における反射光束の信号強度は、被測定面が焦点位置に配置されたときに最大となる。同軸共焦点光学系と被測定面とを光軸方向に相対移動させて、信号強度が最大となる相対移動量を求めることによって、被測定面の相対変位が算出される。
【００２６】
光学変位計６０Ａの変位測定方法は、干渉計方式でもよいし、同軸共焦点方式でもよいが、以下では、干渉計方式の一例で説明する。光学変位計６０Ａにおいて、干渉計光学系以外の構成は、特に断らない限り、同軸共焦点方式にも使用できる。
光学変位計６０Ａは、光プローブ１０Ａ、光プローブ移動部７（第１移動部）、および計測ユニット２０を備える。
【００２７】
光プローブ１０Ａは、筐体１０ａ、第１光ファイバー１、参照部材２、第１集光レンズ３（第１集光光学素子、第３集光光学素子）、第１円錐レンズ４（第１光束変換素子、第２光束変換素子）、第２円錐レンズ５（第１光束変換素子、第２光束変換素子）、および第２集光レンズ６（第２集光光学素子）を備える。
【００２８】
筐体１０ａは、細長い有底筒部材である。筐体１０ａの長手方向における第１端部Ｅ１（図示左側の端部）には、後述する第１光ファイバー１の先端部１ｂが固定されている。筐体１０ａの長手方向における第２端部Ｅ２（図示右側の端部）には、長手方向に開口する開口部１０ｂが形成されている。
筐体１０ａの内部には、光軸Ｏに沿って、先端部１ｂ、参照部材２、第１集光レンズ３、第１円錐レンズ４、第２円錐レンズ５、および第２集光レンズ６がこの順に配置されている。光軸Ｏは、筐体１０ａの長手方向に延びている。
先端部１ｂ、参照部材２、第１集光レンズ３、第１円錐レンズ４、第２円錐レンズ５、および第２集光レンズ６は、図示略の固定部材によって筐体１０ａに固定されている。
【００２９】
第１光ファイバー１は、基端部１ｃ（図２参照）から先端部１ｂに延びるシングルモードファイバーである。
図２に示すように、基端部１ｃは、後述する計測ユニット２０の内部に配置されている。
図１に示すように、先端部１ｂ（光出射部、受光部）は、筐体１０ａの第１端部Ｅ１の内側において、光軸Ｏと同軸に固定されている。先端部１ｂには、光ファイバー端面１ａが形成されている。光ファイバー端面１ａは、第１光ファイバー１への光入射および第１光ファイバー１からの光出射が可能である。
【００３０】
参照部材２は、面精度が良好な光透過性の平行平板からなる。参照部材２は、第１光ファイバー１の光ファイバー端面１ａに近接して配置されている。ただし、光ファイバー端面１ａが、参照部材２の後述する参照面を兼ねる構成も可能である。この場合には、光ファイバー端面１ａに近接する参照部材は配置されない。
参照部材２において、光ファイバー端面１ａ寄りの表面は、干渉計における参照面が形成されている。例えば、参照面は、ビームスプリッタ面で形成される。
参照部材２は、第１光ファイバー１からの入射光束を参照面において、透過光束と反射光束とに分割する。
【００３１】
第１集光レンズ３は、正の屈折力を有する単レンズ、または全体として正の屈折力を有するレンズ群からなる。ただし、図１に示す例では、第１集光レンズ３は、第１面３ａおよび第２面３ｂが光軸方向に対向する単レンズである。第１面３ａは参照部材２に対向するレンズ面である。第２面３ｂは、後述する第１円錐レンズ４に対向するレンズ面である。
第１集光レンズ３は、光軸Ｏと同軸に配置されている。本実施形態では、第１集光レンズ３の前側焦点は、先端部１ｂに合わされている。これにより、第１集光レンズ３は、先端部１ｂからの出射光を平行光束にするコリメータレンズを構成している。
【００３２】
第１円錐レンズ４は、円錐面４ａと、平面４ｂと、が光軸方向において対向した透過光学素子である。第１円錐レンズ４は、円錐面４ａの頂点４ｃを通る平面４ｂの法線を回転中心線とする回転対称プリズムからなる。
第１円錐レンズ４の平面４ｂは、第１集光レンズ３の第２面３ｂと対向している。第１円錐レンズ４は、光軸Ｏと同軸に配置されている。
第１円錐レンズ４は、平面４ｂに入射して円錐面４ａを透過する透過光の光路を光軸Ｏに向けて屈曲させる。
【００３３】
第２円錐レンズ５は、円錐面５ａと、平面５ｂと、が光軸方向において対向した透過光学素子である。第２円錐レンズ５は、円錐面５ａの頂点５ｃを通る平面５ｂの法線を回転中心線とする回転対称プリズムからなる。
第２円錐レンズ５の円錐面５ａは、第１円錐レンズ４の円錐面４ａと対向している。第２円錐レンズ５は、光軸Ｏと同軸に配置されている。
第２円錐レンズ５は、平面５ｂに入射して円錐面５ａを透過する透過光の光路を光軸Ｏに向けて屈曲させる。
本実施形態では、円錐面５ａの頂角の大きさは、第１円錐レンズ４の円錐面４ａの頂角の大きさに等しい。
【００３４】
第２集光レンズ６は、正の屈折力を有する単レンズ、または全体として正の屈折力を有するレンズ群からなる。ただし、図１に示す例では、第２集光レンズ６は、第１面６ａおよび第２面６ｂが光軸方向に対向する単レンズである。第１面６ａは第１円錐レンズ４の平面５ｂに対向するレンズ面である。第２面６ｂは、開口部１０ｂに臨むレンズ面である。
第２集光レンズ６は、光軸Ｏと同軸に配置されている。
【００３５】
光プローブ移動部７は、光学変位計６０Ａを少なくとも光軸方向に移動可能に支持する。光プローブ移動部７は、光学変位計６０Ａを光軸方向に移動させることによって、光学変位計６０Ａから出射される測定用光束の集光位置を光軸方向に高精度に進退させる。
光プローブ移動部７の構成は、光学変位計６０Ａを光軸方向に、必要な測定精度に応じた精度で移動できれば特に限定されない。例えば、光プローブ移動部７としては、ピエゾ素子駆動機構などが用いられてもよい。
光プローブ移動部７は、後述する制御部１００と通信可能に接続され、制御部１００からの制御信号によって移動量が制御される。
【００３６】
図２に示すように、計測ユニット２０は、光源２１、カップリングレンズ２２、第２光ファイバー２３、光ファイバーカプラ２４、第３光ファイバー２５、集光レンズ２６、受光素子２７、および変位計側部２８を備える。
【００３７】
光源２１は、変位測定に用いる光を放射する。光学変位計６０Ａでは干渉計方式が用いられるので、光源２１は可干渉光を放射する。光源２１としては、半導体レーザ、ガスレーザなどが用いられてもよい。本実施形態では、一例として半導体レーザが用いられている。この場合、光源２１が放射する光は発散光である。
【００３８】
カップリングレンズ２２は、光源２１から放射される光を後述する第２光ファイバー２３に光結合する。
カップリングレンズ２２は、光源２１に発光点と、入射端面２３ａにおけるコア中心と、が互いに光学的に共役になる位置に配置される。カップリングレンズ２２は、光源２１が放射する光を集光し、第２光ファイバー２３の入射端面２３ａ上に結像する。
【００３９】
第２光ファイバー２３は、カップリングレンズ２２によって光結合された光を第１光ファイバー１に伝送する。
第２光ファイバー２３は、長手方向において第１端部および第２端部を有する。第２光ファイバー２３の第１端部には、コアが露出した入射端面２３ａが形成されている。第２光ファイバー２３の第２端部は、後述する光ファイバーカプラ２４のポートに接続されている。例えば、第２光ファイバー２３はシングルモードファイバーからなる。
【００４０】
光ファイバーカプラ２４は、第１ポート２４ａ、第２ポート２４ｂ、および第３ポート２４ｃを有する。光ファイバーカプラ２４は、第１ポート２４ａに入射した光を第２ポート２４ｂに出射する。光ファイバーカプラ２４は、第２ポート２４ｂに入射した光を第３ポート２４ｃに出射する。
第１ポート２４ａには、第２光ファイバー２３の第２端部が光接続されている。
第２ポート２４ｂには、第１光ファイバー１の基端部１ｃが光接続されている。
第３ポート２４ｃには、後述する第３光ファイバー２５の第１端部が光接続されている。
【００４１】
第３光ファイバー２５は、光ファイバーカプラ２４の第３ポート２４ｃから出射される光を伝送する。
第３光ファイバー２５は、長手方向において第１端部および第２端部を有する。第３光ファイバー２５の第１端部は、光ファイバーカプラ２４の第３ポート２４ｃに光接続されている。第３光ファイバー２５の第２端部には、コアが露出した出射端面２５ａが形成されている。例えば、第３光ファイバー２５はシングルモードファイバーからなる。
【００４２】
集光レンズ２６は、第３光ファイバー２５の出射端面２５ａから出射される光を集光する。
受光素子２７は、集光レンズ２６による集光位置に配置される。受光素子２７は、集光レンズ２６によって集光される光を光電変換する。受光素子２７は、光電変換によって生成された光強度信号を、後述する変位計側部２８に送出する。
受光素子２７としては、光源２１で発生される波長光を精度よく光電変換できる適宜の光検出素子、光検出器が使用可能である。
【００４３】
変位計側部２８は、受光素子２７から送出された光強度信号に基づいて、被測定面の光軸方向における変位を計測する。変位計側部２８は、後述する制御部１００と通信可能に接続されており、制御部１００からの制御信号に基づいて、光源２１の駆動および受光素子２７からの光強度信号の信号処理を行う。
変位計側部２８が行う変位計測処理については、光学変位計６０Ａの動作とともに説明する。
【００４４】
図１に示す制御部１００は、表面形状測定機７０および光学変位計６０Ａの測定動作を制御する。制御部１００は、使用者が操作入力を行う操作部１００ａを備える。例えば、操作部１００ａは、キーボード、操作ボタン、操作レバー、操作パネル、操作スイッチなどの適宜の操作入力手段を有する。
制御部１００は、ステージ３０、光プローブ移動部７、および変位計側部２８（図２参照）と通信可能に接続されている。制御部１００は、操作部１００ａを通した操作入力に基づいて、表面形状測定機７０の各装置部分を制御する。
例えば、制御部１００は、光プローブ移動部７およびステージ３０の少なくとも一方に制御信号を送出することによって、光学変位計６０Ａと、保持部３１に保持された被測定物との相対位置を調整する制御を行う。本実施形態では、形状測定の前に、制御部１００には被測定面の設計上の形状データが記憶されている。制御部１００は、記憶された設計上の形状データに基づいて、被測定面上の点を、例えば、測定基準位置Ｐに移動させることができる。
例えば、制御部１００は、変位計側部２８に制御信号を送出することによって、光学変位計６０Ａによる形状測定の開始および停止を制御する。
制御部１００が行う具体的な制御については、表面形状測定機７０および光学変位計６０Ａの動作とともに説明する。
【００４５】
変位計側部２８および制御部１００の装置構成としては、例えば、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などを含むコンピュータが用いられてもよい。この場合、コンピュータは、後述する動作に対応する制御信号を生成する適宜の制御プログラムを実行する。制御プログラムは、上述のメモリ、外部記憶装置に記憶されていてもよい。制御プログラムは、記憶媒体から読み込むことでメモリにロードされてもよい。制御プログラムは、通信回線を通してメモリにロードされてもよい。
変位計側部２８および制御部１００の装置構成としては、例えば、それぞれの動作を実行させる適宜のハードウェアが用いられてもよいし、適宜のハードウェアとコンピュータとの組み合わせが用いられてもよい。
変位計側部２８および制御部１００は、互いに別体で構成されてもよいし、一体化されていてもよい。
【００４６】
次に、表面形状測定機７０の動作例について、光プローブ１０Ａおよび光学変位計６０Ａの動作例を中心として説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の表面形状測定機の動作説明図である。
【００４７】
図１に示すように、表面形状測定機７０においては、ステージ３０が光学変位計６０Ａの第２端部Ｅ２と対向して位置されている。
例えば、被測定レンズ４０の第１面４０ａの表面形状を測定する場合、図１に示すように、第１面４０ａを光学変位計６０Ａに向けた状態で被測定レンズ４０を保持部３１に保持させる。
操作部１００ａから形状測定を開始する操作入力がなされると、制御部１００は、予め記憶された第１面４０ａの形状データに基づいて、表面形状測定における測定用光束の走査経路を算出する。
この後、制御部１００は、光プローブ移動部７およびステージ３０に、光プローブ１０Ａおよび被測定レンズ４０の相対位置の初期化を行う制御信号を送出する。これにより、光プローブ移動部７は、光プローブ１０Ａを移動中立位置に移動する。ステージ３０の移動部３２は、第１面４０ａ上における走査経路の始点を、第１面４０ａの設計上の形状データに基づいて測定基準位置Ｐに移動する。このとき、移動部３２は、測定基準位置Ｐにおける第１面４０ａの法線を光軸Ｏに一致させることを目的として保持部３１を回動させる。
以上で、光プローブ１０Ａおよび被測定レンズ４０の配置の初期化が終了する。
【００４８】
この後、制御部１００は、変位計側部２８に変位測定を開始させる制御信号を送出する。
変位計側部２８は、光源２１を点灯する。図２に示すように、光源２１は光束Ｌ０を出射する。光束Ｌ０は、カップリングレンズ２２によって、入射端面２３ａ上に集光される。光束Ｌ０は第２光ファイバー２３に光結合される。光束Ｌ０は、図２において実線矢印で移動方向を示すように、第２光ファイバー２３のコア内を第１ポート２４ａに向かって進む。光束Ｌ０は、第２光ファイバー２３の端部に達すると、光ファイバーカプラ２４の第１ポート２４ａに入射する。光束Ｌ０は、光ファイバーカプラ２４内を第２ポート２４ｂに向かって進む。光束Ｌ０は、光ファイバーカプラ２４の第２ポート２４ｂから出射される。これにより、光束Ｌ０は第１光ファイバー１の基端部１ｃに入射する。
【００４９】
図１に示すように、光束Ｌ０は、第１光ファイバー１の光ファイバー端面１ａに達すると、参照部材２に向けて出射される。
光束Ｌ０は、参照部材２の参照面で、反射光束Ｌ０ｒと、出射光束Ｌ１と、に分割される。
反射光束Ｌ０ｒは、第１光ファイバー１の光ファイバー端面１ａに入射し、第１光ファイバー１内を光ファイバーカプラ２４に向かって進む。
出射光束Ｌ１は、参照部材２から第１集光レンズ３に向かって放射される。出射光束Ｌ１は光軸Ｏを中心として光ファイバー端面１ａから発散する。
【００５０】
図２に示すように、反射光束Ｌ０ｒは、第２ポート２４ｂに入射した後、第３ポート２４ｃを通して第３光ファイバー２５に入射する。反射光束Ｌ０ｒは、第３光ファイバー２５内を出射端面２５ａに向かって進む。反射光束Ｌ０ｒは、出射端面２５ａから出射した後、集光レンズ２６によって受光素子２７上に集光される。
【００５１】
図１に示すように、出射光束Ｌ１は、第１集光レンズ３に入射すると、第１集光レンズ３によって集光される。本実施形態では、第１集光レンズ３の前側焦点が光ファイバー端面１ａに一致しているので、出射光束Ｌ１は、第１集光レンズ３によって平行光束Ｌ２に変換される。
平行光束Ｌ２は、光軸Ｏに沿って進む。平行光束Ｌ２は、第１円錐レンズ４の平面４ｂに入射すると、光軸Ｏに沿って進み、円錐面４ａに到達する。
【００５２】
円錐面４ａは回転対称プリズムとして機能する。平行光束Ｌ２は、頂点４ｃを通る軸上光線を除いて、円錐面４ａにて光軸Ｏに向かって一様に屈折される。
軸上光線は、原理的には光軸Ｏに沿って直進する。ただし、頂点４ｃの仕上がり形状によっては、仕上がり形状に応じて屈折されたり、散乱されたり、集光されたりする。軸上光線の近傍の光線も同様である。しかし、平行光束Ｌ２において、軸上光線成分の光量は、その他の成分に比べて格段に少ない。
【００５３】
平行光束Ｌ２が光軸Ｏに向かって一様に屈折されると、光軸Ｏに交差する屈曲光束Ｌ３が形成される。屈曲光束Ｌ３が第２端部Ｅ２に向かって進むにつれて、平行光束Ｌ２の周辺光成分と、平行光束Ｌ２の中心光成分とが、漸次入れ替わる。
平行光束Ｌ２における最外の周辺光線が光軸Ｏと交差した後、屈曲光束Ｌ３は、第２端部Ｅ２の方に進むにつれて光軸Ｏから離れる。本明細書では、このように、光軸Ｏに直交する断面が円環状になった状態をリング状光束Ｌ４と称する。以下では、光束の断面に関して、特に断らない限り、光軸Ｏに直交する断面を単に「断面」と称する。
リング状光束Ｌ４の内周光成分は、平行光束Ｌ２の中心光成分からなる。リング状光束Ｌ４の外周光成分は、平行光束Ｌ２の周辺光成分からなる。リング状光束Ｌ４の断面において内周部から外周部に向かう光強度分布は、平行光束Ｌ２の断面において周辺部から中心部に向かう光強度分布に対応する。
【００５４】
リング状光束Ｌ４は、第２円錐レンズ５の円錐面５ａに達すると、円錐面５ａにて光軸Ｏに向かって一様に屈折される。本実施形態では、円錐面４ａ、円錐面５ａの頂角は互いに等しく、かつ第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５が同軸に配置されている。この結果、リング状光束Ｌ４は、光軸Ｏと同軸の円筒状の平行光束に変換される。
平面５ｂを透過したリング状光束Ｌ４が第２集光レンズ６に入射すると、リング状光束Ｌ４は集光され、リング状集光光束Ｌ５に変換される。本実施形態では、リング状集光光束Ｌ５は、第２集光レンズ６の後側焦点位置に結像される。本実施形態では、第２集光レンズ６の後側焦点位置は、初期化状態において測定基準位置Ｐに一致している。
【００５５】
リング状集光光束Ｌ５は、後側焦点位置に向かうにつれて集光されるので、リング状集光光束Ｌ５の外周光と内周光とは次第に近づき、光軸Ｏ上に微小スポットが形成される。
リング状集光光束Ｌ５は第１面４０ａに達すると、リング状集光光束Ｌ５の一部が第１面４０ａの反射率に応じて、物体側に反射され、リング状集光光束Ｌ５のその他が第１面４０ａを透過する。
例えば、リング状集光光束Ｌ５における光束Ｌ５ａの一部が光束Ｌ６ａとして反射される。第１面４０ａの法線は上述の初期化動作によって光軸Ｏに一致している。この結果、光束Ｌ６ａは、光軸Ｏに関して光束Ｌ５ａと線対称な光束である。同様に、リング状集光光束Ｌ５の他の光束成分も、一部が第１面４０ａで同様に反射される。この結果、第１面４０ａによって、リング状集光光束Ｌ５と同様な形状で、リング状集光光束Ｌ５と同様な光路をたどって第２集光レンズ６に向かう反射光束Ｌ６が形成される。反射光束Ｌ６は、リング状集光光束Ｌ５よりも全体光量は少ないが、リング状集光光束Ｌ５と同様な光強度分布を有する。反射光束Ｌ６は全体として、リング状集光光束Ｌ５の光路を逆進する。
【００５６】
反射光束Ｌ６は、第２集光レンズ６の周辺部に入射する。反射光束Ｌ６は、第２集光レンズ６によって集光され、光軸Ｏに沿って進む。
反射光束Ｌ６は、第２円錐レンズ５および第１円錐レンズ４をこの順に透過し、縮径光束Ｌ７に変換される。縮径光束Ｌ７は、リング状光束Ｌ４および屈曲光束Ｌ３の光路を逆進することによって形成される。縮径光束Ｌ７は、第２集光レンズ６の周辺部を通過する反射光束Ｌ６が光軸Ｏの近くに移されて形成された平行光束である。これにより、縮径光束Ｌ７の外径は、第２集光レンズ６を通過する反射光束Ｌ６の外径よりも小さい。
縮径光束Ｌ７は、平行光束Ｌ２、および出射光束Ｌ１の各光路と同様な光路を逆進するので、光ファイバー端面１ａにおける光結合効率が向上する。これにより、反射光束Ｌ６の光量が高精度に測定できる。
【００５７】
これに対して、第１面４０ａを透過した光束Ｌ５ａの他成分は、第１面４０ａの屈折力に応じて屈折した後、第２面４０ｂにて光束Ｌ６ｂとして反射される。
光束Ｌ６ｂが反射光束Ｌ６と同様に第１光ファイバー１に光結合されるのは、光束Ｌ６ｂがリング状集光光束Ｌ５の光路を逆進する場合である。光束Ｌ６ｂが第１光ファイバー１に光結合されると、後述する変位測定のノイズ光になる。
リング状集光光束Ｌ５は、第１面４０ａに斜入射して、第１面４０ａ上で結像しているので、第１面４０ａを透過する光束Ｌ５ａは光軸Ｏから離れる方向に進んだ後、第２面４０ｂで一部が反射されることによって光束Ｌ６ｂが形成される。
第２面４０ｂの曲率半径が被測定レンズ４０のレンズ厚に一致している非常に特殊な例を除けば、光束Ｌ６ｂのすべてがリング状集光光束Ｌ５の結像位置に戻ることはない。
被測定物が薄肉レンズの場合、第２面４０ｂへの入射角が浅いと、光束Ｌ６ｂの一部が光ファイバー端面１ａに戻る可能性がある。
しかし、本実施形態では、リング状集光光束Ｌ５には、光軸Ｏに関する近軸光が含まれていないので、最も入射角が浅くなる光束成分でもリング状光束Ｌ４およびリング状集光光束Ｌ５の内周成分である。したがって、本実施形態によれば、リング状光束Ｌ４の内径と、第２集光レンズ６の開口数を適宜設定することによって、光束Ｌ６ｂが光路を逆進して光ファイバー端面１ａに結像されることを防止できる。
さらに、本実施形態では、万一、光束Ｌ６ｂが光ファイバー端面１ａに戻るとしても、リング状光束Ｌ４の内周成分は、出射光束Ｌ１の周辺光成分である。出射光束Ｌ１の周辺光成分は中心光成分に比べて光強度が低い。これにより、万一、光束Ｌ６ｂが光ファイバー端面１ａに戻ったとしても、中心光成分が戻る場合に比べて低ノイズになる。
【００５８】
光ファイバー端面１ａにおいて第１光ファイバー１に光結合した縮径光束Ｌ７は、反射光束Ｌ０ｒと同様の光路を進んで、受光素子２７で受光される。ただし、反射光束Ｌ０ｒと縮径光束Ｌ７とは、互いの光路長差に応じて干渉を起こす。ここで、縮径光束Ｌ７の光路長とは、出射光束Ｌ１が参照面から出射されて、平行光束Ｌ２、屈曲光束Ｌ３、リング状光束Ｌ４、リング状集光光束Ｌ５、反射光束Ｌ６、および縮径光束Ｌ７に順次変換された後、参照面に戻るまでの全光路長を意味する。具体的には、参照部材２から光ファイバー端面１ａまでの光路長の２倍に相当する。
受光素子２７は、干渉光の光強度に対応する干渉信号を変位計側部２８に送出する。
【００５９】
次に、変位測定の動作について説明する。
光学変位計６０Ａにおける変位測定では、第１面４０ａ上の走査経路における各測定位置において、光プローブ１０Ａを光軸方向に駆動しながら干渉信号を取得する。
光プローブ移動部７によって光プローブ１０Ａが光軸方向に移動されると、リング状集光光束Ｌ５のフォーカス位置が光軸方向に移動する。フォーカス位置が測定基準位置Ｐに配置された第１面４０ａからずれると、第１面４０ａには、デフォーカス状態のリング状集光光束Ｌ５が照射される。
このようなデフォーカス状態では、反射光束Ｌ６のうち、リング状集光光束Ｌ５の光路を逆進できる成分が低下する。反射光束Ｌ６のうち、リング状集光光束Ｌ５の光路を逆進して、光ファイバー端面１ａに戻る光量が最大になるのは、リング状集光光束Ｌ５のフォーカス位置が第１面４０ａに一致したときである。
第１光ファイバー１に光結合して、光源２１に達する縮径光束Ｌ７は、参照部材２の参照面を通過すると、反射光束Ｌ０ｒとの光路長差に応じてと干渉を起こす。受光素子２７における受光量は、第１光ファイバー１に入射する反射光束Ｌ６の光量に干渉による光量変化分が加算された大きさになる。
【００６０】
受光素子２７で光電変換されることによって生成された干渉信号は、変位計側部２８に送出される。変位計側部２８では、光プローブ移動部７の駆動量に基づく光プローブ１０Ａの移動位置と、干渉信号とから、リング状集光光束Ｌ５のフォーカス位置が第１面４０ａに一致した移動位置を算出する。具体的な処理としては、例えば、位相シフト法による演算処理が挙げられる。
位相シフト法によれば、光軸方向における複数の位置の干渉信号の演算処理によって、干渉による信号変化を除いたピーク強度が得られる移動位置の情報が算出される。
ただし、反射光束Ｌ６に第２面４０ｂからの光束Ｌ６ｂなどのノイズ光が混入すると、ピーク強度の判定に誤差が生じる。例えば、光束Ｌ６ｂは、反射光束Ｌ６と光路長が異なるので、干渉信号におけるノイズの原因になる。干渉信号が乱れると、位相シフト法の精度が低下する。
例えば、第１光ファイバー１における光結合する反射光束Ｌ６の光量が低下したり、ばらついたりしても、ピーク強度の判定に誤差が生じる。例えば、第１光ファイバー１に光結合する反射光束Ｌ６の光量が低下すると、干渉信号のＳ／Ｎ比が低下するため測定精度が低下する。例えば、第１光ファイバー１に光結合する反射光束Ｌ６の光量がばらつくと、ピーク強度の位置が変化する。
本実施形態では、上述したように、反射光束Ｌ６へのノイズ光の混入が抑制され、かつ第１光ファイバー１における光結合効率にも優れるので、高精度なピーク強度の判定が可能である。
変位計側部２８は、リング状集光光束Ｌ５のフォーカス位置が第１面４０ａに一致した移動位置の情報を、測定位置における第１面４０ａの変位量として記憶する。
【００６１】
このようにして、１つの測定位置における第１面４０ａの位置が取得されると、制御部１００は、ステージ３０に制御信号を送出して、走査経路上の次の測定位置を測定基準位置Ｐに移動させる。例えば、第１面４０ａが球面の場合には、図３に示すように、移動部３２は、点Ｐを中心として保持部３１を回転させる。
この測定位置は、制御部１００が記憶している設計上の第１面４０ａ上の測定位置である。実際の第１面４０ａは、製作誤差などによって測定基準位置Ｐからずれている可能性がある。
測定位置が移動したら、制御部１００は、上述の変位測定動作を行わせる制御を行う。
予定された走査経路上のすべての測定位置での測定が終了したら、変位計側部２８は、各変位量を、任意の基準位置からの変位に換算する。例えば、第１面４０ａと被測定レンズ４０のレンズ光軸との交点の変位量を０として、各測定位置の変位量を換算する。換算された各変位量は、第１面４０ａの設計値からずれ量を表す。このようにして、第１面４０ａの形状測定が終了する。
【００６２】
本実施形態の光プローブ１０Ａによれば、第１面４０ａに対して、第２集光レンズ６の周辺部を通過するリング状集光光束Ｌ５を照射するので、第１面４０ａに対して入射角が浅い近軸光が排除されている。このため、被測定レンズ４０が薄肉であっても、第２面４０ｂでの反射光（光束Ｌ６ｂ）が第１光ファイバー１に戻ることを抑制できる。この結果、光束Ｌ６ａなどの第１面４０ａで反射される光がノイズ光として被測定面で反射された反射光束Ｌ６に混入することを抑制できるので、高精度の変位測定が行える。
【００６３】
さらに本実施形態では、出射光束Ｌ１の全光束から、平行光束Ｌ２が形成され、第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５によって、平行光束Ｌ２からリング状光束Ｌ４が形成される。リング状光束Ｌ４は、第２円錐レンズ５で集光されることによってリング状光束Ｌ４の全光束がリング状集光光束Ｌ５として、第１面４０ａに照射される。
このように本実施形態では、出射光束Ｌ１の中心光成分および周辺光成分の全体が、第２集光レンズ６の周辺部を透過することによって、第１面４０ａに斜入射される。このため、例えば、平行光束Ｌ２の中心部を遮光するなどして、第２集光レンズ６の周辺部を通る測定用光束を形成する場合に比べて、光利用効率が向上する。
【００６４】
さらに本実施形態では、第２集光レンズ６の周辺部によってリング状光束Ｌ４を集光するため、上述したように、第２集光レンズ６に全光束が透過する場合に比べて、結像位置における収差が少なくなる。これにより、同じ開口数であれば、焦点深度は、全光束が透過する光学系に比べて本実施形態の光学系の方が浅くなる。したがって、より高精度の変位測定が可能になる。全光束が透過する光学系で同様の焦点深度を得るには、レンズ径を大きくするなどして開口数を大きくしなければならないので、本実施形態の光学系の方が小型化に有利である。
光プローブ１０Ａの外径を小径化できると、複雑な形状を有する金型面、図３に示すような曲率半径の小さな凹面を有する小型レンズなどの測定が容易になる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態の光プローブ１０Ａ、光学変位計６０Ａ、および表面形状測定機７０によれば、光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れる。
【００６６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態の光プローブおよび光学変位計について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。図５は、本発明の第２の実施形態における光プローブに用いる円錐レンズの模式的な正面図である。図６は、図５におけるＡ−Ａ断面図である。図７は、本発明の第２の実施形態の光プローブに用いる第１遮光部の作用を説明する模式図である。
【００６７】
図４に示すように、本実施形態の光学変位計６０Ｂは、第１の実施形態の光学変位計６０Ａの光プローブ１０Ａに代えて、光プローブ１０Ｂを備える。光学変位計６０Ｂは、第１の実施形態の表面形状測定機７０において、光学変位計６０Ａに代えて用いることができる。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００６８】
光プローブ１０Ｂは、遮光部４１（第１遮光部）と、遮光部４２（第２遮光部）と、が追加された以外は、光プローブ１０Ａと同様に構成される。
遮光部４１は、リング状光束Ｌ４に変換される前の光束における軸上光束を遮光する。遮光部４１の透過率は、透過光の変位測定への影響を考慮して適宜設定することができる。
図５、６に示すように、遮光部４１は、第１円錐レンズ４における円錐面４ａにおいて、頂点４ｃおよびその近傍に設けられている。遮光部４１の平面視形状は頂点４ｃを中心とする円である。
遮光部４１の外径Ｄ４１は、頂点４ｃの近傍において、円錐形状に製造誤差の発生しやすい範囲を被覆できる大きさであればよい。ただし、図４では、見易さのため、遮光部４１の大きさが誇張されており、光束の遮光領域の図示は省略されている。
【００６９】
遮光部４１の構成は、軸上光束を遮光できれば特に限定されない。例えば、遮光部４１は、光吸収性材料を含む遮光塗料の硬化物によって形成されてもよい。例えば、遮光部４１は光吸収性材料が円錐面４ａ上に蒸着されて形成されてもよい。
遮光部４１は、軸上光束を光散乱によって減衰させてもよい。具体的には、遮光部４１は、頂点４ｃの近傍を粗面化することによって形成されてもよい。例えば、遮光部４１は、頂点４ｃを覆う光散乱層によって形成されてもよい。
【００７０】
遮光部４２は、リング状光束Ｌ４の内側を通過する光を遮光する。遮光部４２の透過率は、透過光の変位測定の影響を考慮して適宜設定することができる。例えば、遮光部４２の透過率は、遮光部４１の透過率と同様の大きさであってもよい。
図５、６に示すように、遮光部４２は、第２円錐レンズ５における円錐面５ａにおいて、頂点５ｃおよびその近傍に設けられている。遮光部４２の平面視形状は頂点５ｃを中心とする円である。
遮光部４２の外径Ｄ４２は、リング状光束Ｌ４の内径以下であれば、特に限定されない。
遮光部４２の構成は、遮光部４１の説明で例示した構成が用いられてもよい。
【００７１】
光プローブ１０Ｂは、遮光部４１によって平行光束Ｌ２の軸上光成分が遮光され、遮光部４２によってリング状光束Ｌ４の内側を通過する光が遮光される以外は、第１の実施形態の光プローブ１０Ａと同様の作用を有する。
以下、光プローブ１０Ｂの作用について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７２】
第１円錐レンズ４をガラスまたはプラスチックで成形する場合、円錐面４ａを厳密な１点に収束させることは困難である。頂点４ｃは、平行光束Ｌ２の波長に比べて大きな有限の端面によって形成される。この結果、頂点４ｃの近傍に入射する軸上光束は、円錐面４ａによる屈折方向と異なる方向に出射される。
例えば、図７に示すように、第１円錐レンズ４に入射する軸上光束Ｌ２ａが頂点４ｃにおいて光束Ｌ３ａのように直進すると、第２面４０ｂ（図４参照）に到達した場合に第２面４０ｂで正反射されて、反射光束Ｌ６とは光路長が異なる戻り光が生じる。
例えば、頂点４ｃの近傍の形状によっては、軸上光束Ｌ２ａが、光束Ｌ３ｂのように光軸Ｏとも屈曲光束Ｌ３とも異なる方向に透過することが考えられる。この場合、光束Ｌ３ｂは、第２面４０ｂに浅い入射角で入射するので、光ファイバー端面１ａに光結合する戻り光になりやすい。
しかし、本実施形態では、軸上光束Ｌ２ａが遮光部４１によって遮光されるので、光束Ｌ３ａ、Ｌ３ｂは、発生しないか、発生しても変位測定に影響しない程度の光量に抑制できる。
【００７３】
遮光部４２は、円錐面５ａにおいてリング状光束Ｌ４よりも内側を通過する光を遮光できる。この結果、遮光部４２の位置を通過して光ファイバー端面１ａに光結合されるノイズ光が遮光される。
例えば、光束Ｌ３ａ、Ｌ３ｂなどの遮光部４１を透過する光束が生じても、遮光部４２によって、リング状光束Ｌ４の内側を通過する光成分が遮光される。
例えば、遮光部４２によって、第２面４０ｂにおける反射光のうち、リング状光束Ｌ４の内側を通過して光ファイバー端面１ａに光結合される光成分が遮光される。
さらに遮光部４２は、光プローブ１０Ｂ内の光学素子の反射光によってフレア光が発生したとしても、フレア光のうち、遮光部４２の位置を通過して光ファイバー端面１ａに光結合される光成分を遮光することができる。
【００７４】
このように、本実施形態によれば、遮光部４１、４２によって、第１の実施形態よりもさらにノイズ光の発生を抑制できるので、より正確な変位測定が可能である。
【００７５】
さらに、本実施形態では、第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５の製造コストを低減することができる。
例えば、第１円錐レンズ４において、頂点４ｃの近傍まで、円錐面４ａを高精度に形成すると第１円錐レンズ４の製造コストが増大する。しかし、本実施形態では、頂点４ｃの近傍が遮光部４１によって遮光されるので、遮光部４１で覆われる部位では、円錐面４ａが形成されなくてもよい。例えば、遮光部４１で覆われる部位の形状は、レンズ光軸と交差する平面、円錐と異なる凸面などであってもよい。この結果、第１円錐レンズ４の製造コストが低減される。
第２円錐レンズ５についても、第１円錐レンズ４と同様である。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態の光プローブ１０Ｂおよび光学変位計６０Ｂによれば、第１の実施形態と同様、光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れる。
【００７７】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態の光プローブおよび光学変位計について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【００７８】
図８に示すように、本実施形態の光学変位計６０Ｃは、第１の実施形態の光学変位計６０Ａの光プローブ１０Ａに代えて、光プローブ１０Ｃを備える。光学変位計６０Ｃは、第１の実施形態の表面形状測定機７０において、光学変位計６０Ａに代えて用いることができる。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７９】
光プローブ１０Ｃは、遮光部４３（第４遮光部）と、遮光部４４（第３遮光部）と、が追加された以外は、光プローブ１０Ａと同様に構成される。
遮光部４３は、リング状光束Ｌ４に変換される前の光束の外側を通過する光を遮光する。遮光部４３の透過率は、透過光の変位測定への影響を考慮して適宜設定することができる。例えば、遮光部４３の透過率は、第２の実施形態における遮光部４１の透過率と同様の大きさであってもよい。
遮光部４３の構成は、リング状光束Ｌ４に変換される前の光束の外側を通過する光を遮光できれば特に限定されない。図８に示す例では、遮光部４３は、屈曲光束Ｌ３の外径以上の内径を有する開口部４３ａが厚さ方向に貫通した遮光板からなる。例えば、遮光部４３は、光吸収性材料を含む遮光塗料で塗装された金属板、プラスチック板などを備えてもよい。例えば、遮光部４３は、艶消し処理された黒色メッキの施された金属板、プラスチック板などを備えてもよい。
遮光部４３は、図示略の固定部材によって筐体１０ａの内側に固定されている。遮光部４３は、屈曲光束Ｌ３が開口部４３ａの内側を通過する位置に固定されている。
【００８０】
遮光部４４は、リング状光束Ｌ４の外側を通過する光を遮光する。遮光部４４の透過率は、透過光の変位測定の影響を考慮して適宜設定することができる。例えば、遮光部４４の透過率は、遮光部４３の透過率と同様の大きさであってもよい。
遮光部４４の構成は、リング状光束Ｌ４の外側を通過する光を遮光できれば特に限定されない。図８に示す例では、遮光部４４は、リング状光束Ｌ４の外径以上の内径を有する開口部４４ａが厚さ方向に貫通した遮光板からなる。遮光部４４は、開口部４４ａの大きさを除いては遮光部４３と同様に形成されてもよい。
遮光部４４は、図示略の固定部材によって筐体１０ａの内側に固定されている。遮光部４４は、第１円錐レンズ４と第２円錐レンズ５の間において、リング状光束Ｌ４が開口部４４ａの内側を通過する位置に固定されている。
【００８１】
光プローブ１０Ｃは、遮光部４３によってリング状光束Ｌ４に変換される前の光束の外側を通過する光が遮光され、遮光部４４によってリング状光束Ｌ４の外側を通過する光遮光される以外は、第１の実施形態の光プローブ１０Ａと同様の作用を有する。
以下、光プローブ１０Ｃの作用について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８２】
本実施形態によれば、遮光部４３によって屈曲光束Ｌ３の外側を通る光が遮光される。この結果、遮光部４３の位置を通過して光ファイバー端面１ａに光結合されるノイズ光が遮光される。
さらに本実施形態によれば、遮光部４４によってリング状光束Ｌ４の外側を通る光が遮光される。この結果、遮光部４４の位置を通過して光ファイバー端面１ａに光結合されるノイズ光が遮光される。
さらに遮光部４３、４４によれば、光プローブ１０Ｂ内の光学素子の反射光によってフレア光が発生したとしても、遮光部４３、４４の位置を通過するフレア光成分を遮光できるので、ノイズ光を低減できる。
【００８３】
このように、本実施形態によれば、遮光部４３、４４によって、第１の実施形態よりもさらにノイズ光の発生を抑制できるので、より正確な変位測定が可能である。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態の光プローブ１０Ｃおよび光学変位計６０Ｃによれば、第１の実施形態と同様、光透過性を有する薄肉の被測定物であっても精度よく被測定面の変位を測定することができ、かつ光利用効率に優れる。
【００８５】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態の光プローブおよび光学変位計について説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【００８６】
図９に示すように、本実施形態の光学変位計６０Ｄは、第１の実施形態の光学変位計６０Ａの光プローブ１０Ａに代えて、光プローブ１０Ｄを備える。光学変位計６０Ｄは、第１の実施形態の表面形状測定機７０において、光学変位計６０Ａに代えて用いることができる。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８７】
光プローブ１０Ｃは、第２の実施形態におけると同様の遮光部４１、４２と、第３の実施形態におけると同様の遮光部４３、４４と、が追加された以外は、光プローブ１０Ａと同様に構成される。
【００８８】
本実施形態によれば、遮光部４１〜４４を備えるので、第１の実施形態と同様な作用の他に、第２および第３の実施形態と同様の作用も備える。
このように、本実施形態によれば、遮光部４１〜４４によって、第１の実施形態よりもさらにノイズ光の発生を抑制できるので、より正確な変位測定が可能である。
【００８９】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態の光プローブおよび光学変位計について説明する。
図１０は、本発明の第５の実施形態の光プローブおよび光学変位計の構成例を示す模式図である。
【００９０】
図１０に示すように、本実施形態の光学変位計６０Ｅは、第２の実施形態の光学変位計６０Ｂの光プローブ１０Ｂに代えて、光プローブ１０Ｅを備える。光学変位計６０Ｅは、第１の実施形態の表面形状測定機７０において、光学変位計６０Ａに代えて用いることができる。
以下、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００９１】
光プローブ１０Ｅは、第２の実施形態における遮光部４１、４２の他に、さらに、遮光部４５、４６、４７（第１遮光部）と、遮光部４８、４９、５０（第２遮光部）を備える。
【００９２】
遮光部４５、４６、４７は、遮光部４１と同様、リング状光束Ｌ４に変換される前の光束における軸上光束を遮光する。ただし、遮光部４５は、第１集光レンズ３の第１面３ａにおいて光軸Ｏ上に設けられている。遮光部４６は、第１集光レンズ３の第２面３ｂにおいて光軸Ｏ上に設けられている。遮光部４７は、第１円錐レンズ４の平面４ｂにおいて光軸Ｏ上に設けられている。
遮光部４５〜４７の光軸方向から見た大きさは、それぞれの光路上の大きさが遮光部４１の遮光領域に対応する大きさ以下である。例えば、本実施形態の場合、遮光部４６、４７の大きさは、遮光部４１の大きさ以下である。遮光部４５は、遮光部４１よりもわずかに小さい。
本実施形態では、軸上光束を遮光部４１、４５〜４７によって遮光できるので、遮光部４１、４５〜４７の透過率は、遮光部４１、４５〜４７全体として透過光の変位測定への影響が抑制できる透過率であればよい。例えば、全体として必要な透過率がＴ１の場合であって、遮光部４５〜４７が遮光部４１に対応する遮光領域を有する場合、遮光部４１、４５〜４７の各透過率の積がＴ１になっていてもよい。
【００９３】
遮光部４８、４９、５０は、遮光部４２と同様、リング状光束Ｌ４の内側を通過する光を遮光する。ただし、遮光部４８は、第２円錐レンズ５の平面５ｂにおいて光軸Ｏ上に設けられている。遮光部４９は、第２集光レンズ６の第１面６ａにおいて光軸Ｏ上に設けられている。遮光部５０は、第２集光レンズ６の第２面６ｂにおいて光軸Ｏ上に設けられている。
遮光部４８〜５０の光軸方向から見た大きさは、それぞれの光路上のリング状光束Ｌ４の内径以下である。
本実施形態では、リング状光束Ｌ４の内側を通過する光を遮光部４２、４８〜５０によって遮光できるので、遮光部４２、４８〜５０の透過率は、遮光部４２、４８〜５０全体として透過光の変位測定への影響が抑制できる透過率であればよい。例えば、全体として必要な透過率がＴ２の場合であって、遮光部４８〜５０が遮光部４２に対応する遮光領域を有する場合、遮光部４２、４８〜５０の各透過率の積がＴ２になっていてもよい。
【００９４】
本実施形態によれば、遮光部４１の他に、さらに遮光部４５〜４７を備えるので、第２の実施形態に比べて、軸上光束の透過をより確実に抑制できる。さらに、第１集光レンズ３における第１面３ａ、第２面３ｂでの正反射光と、第１円錐レンズ４における平面４ｂにおける正反射光と、を抑制できる。この結果、第１集光レンズ３および第１円錐レンズ４における軸上光束の正反射光が光ファイバー端面１ａに光結合されてノイズ光となることを防止できる。
【００９５】
さらに本実施形態によれば、遮光部４２の他に、さらに遮光部４８〜５０を備えるので、リング状光束Ｌ４の内側を通過する光が光ファイバー端面１ａに光結合されることをより確実に抑制できる。
特に、光プローブ１０Ｅ内の光学素子の反射光によってフレア光が発生したとしても、さらに遮光部４８〜５０の位置を通過するフレア光成分を遮光できるので、ノイズ光をさらに低減できる。
【００９６】
このように、本実施形態によれば、さらに遮光部４５〜５０を備えることによって、第２の実施形態よりもさらにノイズ光の発生を抑制できるので、より正確な変位測定が可能である。
【００９７】
なお、上記各実施形態の説明では、光プローブの光出射部が第１光ファイバー１の先端部１ｂからなる場合の例で説明した。しかし、光出射部は、光ファイバー端面１ａと同様な位置に発光面が配置された発光素子で構成されてもよい。例えば、光出射部として用いることができる発光素子としては、半導体レーザが挙げられる。
【００９８】
上記各実施形態の説明では、光プローブの受光部が第１光ファイバー１の先端部１ｂからなる場合の例で説明した。しかし、受光部は、光軸方向において光ファイバー端面１ａの近傍に受光面が配置された受光素子で構成されてもよい。例えば、受光部としては、受光素子２７が用いられてもよい。
【００９９】
上記各実施形態の説明では、第１光束変換素子および第２光束変換素子が、第１円錐レンズ４と第２円錐レンズ５との組合せからなる場合の例で説明した。しかし、第１光束変換素子および第２光束変換素子は円錐レンズの組合せには限定されない。例えば、第１光束変換素子および第２光束変換素子としては、回折格子、ホログラム素子などが用いられてもよい。例えば、第１光束変換素子および第２光束変換素子としては、円錐レンズと、回折格子、ホログラム素子などとの組合せが用いられてもよい。
【０１００】
上記各実施形態の説明では、第１光ファイバー１の先端部１ｂが光プローブの光出射部と受光部とを構成する場合の例で説明した。しかし、光出射部と受光部とは、互いに異なる部材から構成されてもよい。
例えば、第１の実施形態において、出射光束Ｌ１の光路上にビームスプリッタが設けられることによって、出射光束Ｌ１の光路を戻る光束が分岐されてもよい。この場合、分岐された光路上に受光部が設けられる。干渉計方式の場合には、ビームスプリッタ面を参照面として用いることができる。参照部材２と計測ユニット２０の光ファイバーカプラ２４は削除される。
例えば、第１の実施形態において、平行光束Ｌ２の光路上にビームスプリッタが設けることによって、平行光束Ｌ２の光路を戻る光束が分岐されてもよい。この場合、分岐された光路上に第１集光レンズ３と同様の集光レンズ（第３集光光学素子）と、受光部と、が設けられる。干渉計方式の場合には、ビームスプリッタ面を参照面として用いることができる。この場合、参照部材２と計測ユニット２０の光ファイバーカプラ２４は削除される。この変形例は、第１集光光学素子と第３集光光学素子とが異なる例になっている。
【０１０１】
上記各実施形態の説明では、第１光束変換素子が第２光束変換素子を構成する場合の例で説明した、しかし、第２光束変換素子は、第１光束変換素子と異なっていてもよい。
例えば、第１の実施形態において、第２円錐レンズ５と第２集光レンズ６との間のリング状光束Ｌ４の光路上に、ビームスプリッタが設けられることによって、平行光束Ｌ２の光路を戻る光束が分岐されてもよい。この場合、分岐された光路上に第２光束変換素子と、第３集光光学素子と、受光部とが、設けられる。例えば、第２光束変換素子としては、第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５と同様の構成が用いられてもよい。例えば、第３集光光学素子としては、第１集光レンズ３と同様の光学素子が用いられてもよい。干渉計方式の場合には、ビームスプリッタ面を参照面として用いることができる。この変形例は、第１光路変換素子と第２光路変換素子とが互いに異なり、第１集光光学素子と第３集光光学素子とが異なる例になっている。
同様にして、第１の実施形態において第１円錐レンズ４および第２円錐レンズ５の間の光路上にビームスプリッタが設けられることによって、屈曲光束Ｌ３またはリング状光束Ｌ４の光路を戻る光束が分岐されてもよい。この場合、分岐された光路上に第１円錐レンズ４と同様の光学素子と、第３集光光学素子と、受光部とが、設けられる。この変形例は、第１光路変換素子と第２光路変換素子とが一部を共有する例になっている。
【０１０２】
上記各実施形態の説明では、第１集光レンズ３が出射光束Ｌ１を平行光束Ｌ２に変換する場合の例で説明した。この場合、第１集光レンズ３と第１円錐レンズ４とのレンズ間隔と、第２円錐レンズ５と第２集光レンズ６とのレンズ間隔と、を必要に応じて自由に変えることができる。
ただし、第１集光レンズ３は、出射光束Ｌ１を非平行光に集光してもよい。
【０１０３】
上記第２および第４の実施形態では、遮光部４３が屈曲光束Ｌ３の光路上に配置され、遮光部４４が第１円錐レンズ４と第２円錐レンズ５との間のリング状光束Ｌ４の光路上に配置された場合の例で説明した。しかし、遮光部４３、４４の配置位置はこれには限定されない。
例えば、遮光部４３は、出射光束Ｌ１および平行光束Ｌ２の少なくとも一方の光路上に配置されてもよい。
例えば、遮光部４４は、第２円錐レンズ５と第２集光レンズ６との間の光路上に配置されてもよい。
【０１０４】
上記第２〜第５の実施形態の説明では、遮光部４２等の第２遮光部がリング状光束Ｌ４の内径以下の場合の例で説明した。しかし、第２遮光部は、リング状光束Ｌ４の内径より大きくてもよい。この場合、第２遮光部は、リング状光束Ｌ４の内周部の光束径を規制する光束整形部材になっている。
同様に、遮光部４４等の第３遮光部、遮光部４２等の第４遮光部の内径も、それぞれを通過する光束の外径より小さくてもよい。この場合、第３遮光部および第４遮光部は、それぞれを通過する光束の外周部の光束径を規制する光束整形部材になっている。
【０１０５】
上記各実施形態の説明では、変位測定が干渉計方式で行われる場合の１例について説明した。しかし、干渉計方式における構成例は上述の例には限定されない。
例えば、第１の実施形態において、光ファイバーカプラ２４、集光レンズ２６、および参照部材２が削除された構成も可能である。この場合、光源２１とカップリングレンズ２２との間に第１のビームスプリッタが配置されることによって、カップリングレンズ２２を物体側に透過する光が分岐されて第１の分岐光路が形成される。第１の分岐光路上には、受光素子２７が配置される。さらに、カップリングレンズ２２と第１光ファイバー１との間の光路に第２のビームスプリッタが配置されることによって、光束Ｌ０が分岐されて第２の分岐光路が形成される。第２の分岐光路上には、反射型の参照部材が設けられる。参照部材の参照面で反射された光は、光路を逆進して第１のビームスプリッタで分岐されて受光素子２７に入射する。
例えば、第１の実施形態において、参照部材２が削除された構成も可能である。この場合、光ファイバーカプラ２４に代えて、４つのポートを有する光ファイバーカプラが用いられる。光束Ｌ０は、第２ポート２４ｂと第４のポートとに分割される。第４のポートから出射される光束Ｌ０は、集光レンズによって集光された後、反射型の参照部材によって反射され、集光レンズを通して第４のポートに光結合される。第４のポートに光結合した光束は、第３ポート２４ｃを通して、受光素子２７に入射する。この変形例は、上述の第１および第２のビームスプリッタで構成された光学系を４つのポートを有する光ファイバーカプラで構成した場合の例になっている。
【０１０６】
上記各実施形態の説明では、変位測定が干渉計方式で行われる場合について説明した。しかし、変位測定は、同軸共焦点方式で行われてもよい。例えば、第１の実施形態において、参照部材２を削除した構成によれば、同軸共焦点方式の変位測定が可能である。
その際、光ファイバーカプラ２４による光路分岐は、ビームスプリッタを用いた光路分岐に置き換えられてもよい。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい各実施形態を説明したが、本発明はこれらの各実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【０１０８】
１  第１光ファイバー
１ａ  光ファイバー端面
１ｂ  先端部（光出射部、受光部）
２  参照部材
３  第１集光レンズ
４  第１円錐レンズ（第１光束変換素子、第２光束変換素子）
４ａ、５ａ  円錐面
４ｃ、５ｃ  頂点
５  第２円錐レンズ（第１光束変換素子、第２光束変換素子）
６  第２集光レンズ
７  光プローブ移動部（第１移動部）
１０ａ  筐体
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ  光プローブ
２１  光源
２７  受光素子
２８  変位計側部
３０  ステージ
３１  保持部
３２  移動部（第２移動部）
４０  被測定レンズ（被測定物）
４０ａ  第１面（被測定面）
４０ｂ  第２面
４１、４５、４６、４７  遮光部（第１遮光部）
４２、４８、４９、５０  遮光部（第２遮光部）
４３  遮光部（第４遮光部）
４４  遮光部（第３遮光部）
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ  光学変位計
７０  表面形状測定機
１００  制御部
Ｅ１  第１端部
Ｅ２  第２端部
Ｌ０、Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ５ａ、Ｌ６ａ、Ｌ６ｂ  光束
Ｌ０ｒ  反射光束
Ｌ１  出射光束
Ｌ２  平行光束
Ｌ２ａ  軸上光束
Ｌ３  屈曲光束
Ｌ４  リング状光束
Ｌ５  リング状集光光束
Ｌ６  反射光束
Ｌ７  縮径光束
Ｏ  光軸
Ｐ  測定基準位置
【図１】
2020091220.tif 000003
【図２】
2020091220.tif 000004
【図３】
2020091220.tif 000005
【図４】
2020091220.tif 000006
【図５】
2020091220.tif 000007
【図６】
2020091220.tif 000008
【図７】
2020091220.tif 000009
【図８】
2020091220.tif 000010
【図９】
2020091220.tif 000011
【図１０】
2020091220.tif 000012