(57)【要約】【課題】干渉計で測定した面形状の座標を高精度に校正可能であって、多種多様な被検物にも容易に適用可能である干渉測定装置を提供すること。【解決手段】被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉測定装置において、校正用光学部材を用いて面形状測定データを基準となる校正基準座標系で表すための校正情報取得手段と、校正基準座標系で表された面形状測定データを個々の被検物に固有の被検物付属基準座標系で表す校正情報補正手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉測定装置において、
校正用光学部材を用いて面形状測定データを基準となる校正基準座標系で表すための校正情報取得手段と、校正基準座標系で表された面形状測定データを個々の被検物に固有の被検物付属基準座標系で表す校正情報補正手段を備えることを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
前記校正用光学部材は、前記校正基準座標系で表された面形状が既知であり、且つ、起伏に富んだ特徴的面形状を有することを特徴とする請求項１記載の干渉測定装置。
【請求項３】
前記校正情報手段は、前記校正用光学部材の面形状を測定する工程と、既知である前記校正基準座標系で表された面形状と面形状測定データとの差が最小となるように面形状測定データの各座標と前記校正基準座標系における座標との対応関係を求める校正情報演算部から成ることを特徴とする請求項２記載の干渉測定装置。
【請求項４】
前記校正情報補正手段は、前記校正基準座標系と前記被検物付属基準座標系との座標変換情報を求める座標変換情報取得手段を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の干渉測定装置。
【請求項５】
前記座標変換情報取得手段は、干渉測定装置本体に対する被検物の相対位置及び姿勢を特定する位置特定手段を有し、前記校正情報取得手段実施時における前記校正用光学部材の位置及び姿勢を特定する工程と、被検物面形状測定時における被検物の位置及び姿勢を特定する工程と、前記校正用光学部材の位置及び姿勢と前記被検物の位置及び姿勢との差から前記校正基準座標系と前記被検物付属基準座標系との座標変換情報を求める工程を有することを特徴とする請求項４記載の干渉測定装置。
【請求項６】
前記座標変換情報取得手段は、干渉測定装置本体に対する被検物を保持する冶具の相対位置及び姿勢を特定する位置特定手段を有し、前記校正情報取得手段実施時における前記冶具の位置及び姿勢を特定する工程と、被検物面形状測定時における前記冶具の位置及び姿勢を特定する工程と、前記校正情報取得手段実施時における前記冶具の位置及び姿勢と被検物面形状測定時における前記冶具の位置及び姿勢との差から前記校正基準座標系と前記被検物付属基準座標系との座標変換情報を求める工程を有することを特徴とする請求項４記載の干渉測定装置。
【請求項７】
被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定し、面形状測定データの横座標校正手段を有する干渉測定装置において、
被検面の曲率半径に応じて横座標の校正情報を補正する倍率補正手段を備えることを特徴とする干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズやミラー等の光学素子の高精度な面形状測定に使用される干渉測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機器の高精度化に伴い、その機器を構成するレンズやミラー等の光学素子の面形状も高精度に加工することが求められている。光学素子等を高精度に加工する方法として、加工後に光学素子の面形状を測定して所望形状との差を求め、その情報を基に加工機にて部分的に修正加工を行い、所望の形状に近づけていく方法が一般的に採用されている。
【０００３】
修正加工を行うための面形状測定装置として測定精度に優れた干渉計を用いる場合、被検面上の各点の横座標、即ち干渉計の光軸に垂直な面内における被検面上の各点の位置情報と干渉縞を取り込むエリアセンサとの対応を高精度に取り、エリアセンサ上の座標系で表された面形状測定データの横座標が被測定物上の横座標を表すように校正する必要がある。このとき、横座標の基準となる座標系は加工機においても利用可能な絶対座標系である必要があり、例えば光学素子に形成された基準面により定義された座標系が挙げられる。この場合、基準面により定義された絶対座標系で表された面形状測定データを基に修正加工位置と修正加工量を決定し、基準面を参照して加工を実施することにより、干渉計の測定精度により保証された面形状測定データを用いた修正加工が可能となる。
【０００４】
干渉計による面形状測定において横座標の絶対位置を校正する従来手法としては、特許文献１等が提案されている。特許文献１に記載された発明では、光学面上に光散乱領域等のパターンを形成した校正用光学部材を利用している。パターンは、校正用光学部材の基準面を参照して形成することにより、基準面との関係が既知となる。該校正用光学部材を干渉計により測定した結果からパターン部分を特定して重心位置を算出し、既知であるパターンと基準面との関係を利用すれば、横座標の絶対位置を校正することが可能となる。後は校正用光学部材に代えて被検物の面形状を干渉計で測定し、得られた面形状測定データに校正値を適用することで、測定された面形状の横座標の絶対位置を算出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３３３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１（特開２００２−３３３３０５号公報）で提案されている手法で得られる校正値は、面形状測定データの横座標を校正用光学部材の基準面で表された座標系に変換するものであるため、被検面と基準面との位置関係が校正用光学部材と被検物とで異なる場合、即ち被検面から見て校正用光学部材の基準面位置と被検物の基準面位置が一致しない場合、その差は横座標の誤差となる。これは個々の被検物の製造誤差が横座標の誤差となることを意味している。又、製造誤差が無視できる場合であっても、干渉計に対する被検物の位置や姿勢が校正用光学部材測定時と異なれば、基準面位置が変化しているため横座標の誤差となる。
【０００７】
校正用光学部材を被検物に置き換えた際に干渉縞の状態が変化して縞が密になれば、干渉縞が疎となるように被検物の位置を調整するため、被検物の位置や姿勢が校正用光学部材測定時と異なる場合は容易に生じる。又、被検物の設計値が異なれば、被検面と基準面との関係も異なるため、個々の設計値ごとに校正用光学部材を用意する必要があり、多様な光学素子を測定する場合に多大なコストが掛かってしまう。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもの、その目的とする処は、干渉計で測定した面形状の横座標を高精度に校正可能であって、多種多様な被検物にも容易に適用可能な干渉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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明では、被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉測定装置において、校正用光学部材を用いて面形状測定データを基準となる校正基準座標系で表すための校正情報取得手段と、校正基準座標系で表された面形状測定データを個々の被検物に固有の被検物付属基準座標系で表す校正情報補正手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記校正用光学部材は、前記校正基準座標系を定義するため基準面を有することが望ましい。前記被検物付属基準座標系を定義するため、被検物も同様に基準面を有することが望ましい。更に、前記校正用光学部材は前記校正基準座標系で表された面形状が既知であり、且つ、起伏に富んだ特徴的面形状を有することが望ましい。この場合、前記校正情報取得手段は、前記校正用光学部材の面形状を干渉計により測定し、面形状測定データと既知である前記校正用光学部材の面形状データをフィッティングすることにより、面形状測定データの各座標と対応する前記校正基準座標系上の座標を求めることができ、面形状測定データを前記校正基準座標系で表すための校正情報が得られる。
【００１１】
校正情報を得ることができれば、測定された被検物の面形状データを、前記校正基準座標系で表すことができる。しかし、前記校正基準座標系と被検物の間には直接関連がなく、加工機において修正加工位置を特定するためには個々の被検物に固有の被検物付属基準座標系で面形状が表されていなければならない。そこで、本発明は前記校正情報補正手段を備えている．
前記校正情報補正手段は、干渉測定装置本体に対する被検物の相対位置及び姿勢を特定する位置特定手段を有することが望ましい。前記位置特定手段により、前記校正情報取得手段実施時における前記校正用光学部材の位置及び姿勢を特定し、更に被検物面形状測定時における被検物の位置及び姿勢を特定することにより、前記校正用光学部材の位置及び姿勢と前記被検物の位置及び姿勢との差から前記校正基準座標系と前記被検物付属基準座標系との座標変換情報を求めることができる。これにより、被検物の面形状測定データに対して前記校正情報適用して前記校正基準座標系で表した後、前記座標変換情報を適用して被検物付属基準座標系で面形状測定データを表すことができる。
【００１２】
前記位置特定手段は、被検物の相対位置及び姿勢を直接測定することが望ましいが、被検物を保持する冶具の相対位置及び姿勢を測定しても良い。又、被測定物の動作に拘束を加えることにより、前記座標変換情報における平行移動や回転移動の一部を固定しても良い。
【００１３】
更に、本発明は、被検面の曲率半径に応じて横座標の校正情報を補正する倍率補正手段を備えることを特徴とする干渉計を提供する。これにより、前記校正情報を設計値の異なる多様な被検物の面形状測定データに対して適用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、干渉計により測定した面形状データを被検物に固定された絶対座標系で表すことが可能となる。本発明は、面形状測定データの校正情報を求めた上で個々の被検物に応じて更に校正情報を補正するため、従来手法よりも高精度に校正可能である。又、設計値の異なる多様な被検物に対応可能であり、コスト面でも従来手法よりも優れている。干渉計の面形状測定精度は３次元座標測定器等と比較して極めて優れているため、本発明を用いて干渉計により測定した面形状データの座標を校正し、所望形状との差から修正加工量及び修正加工位置を求めて加工することにより、従来よりも高精度な光学素子を生産することが可能となり、様々な光学機器の性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１を示す図である。光源１から射出したレーザー光は、集光レンズ２で一旦集光された後発散しビームスプリッタ３の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメータレンズ４で平行光に変換された後、参照部材５に入射する。参照部材５の参照面５ａで反射した光は、参照光としてコリメータレンズ４へ戻る。
【００１７】
一方、参照面５ａを透過した光は、被検物６に入射し、被検面６ａで反射した光は被検光として参照部材５を透過してコリメータレンズ４へ戻る。コリメータレンズ４へと戻った参照光と被検光は、共にコリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに到達する。撮像面８ａでは、参照面５ａで反射した参照光と被検面６ａで反射した被検光が干渉し、干渉縞が形成される。エリアセンサ８により得られた出力信号は、信号処理系９に送られ、信号処理系９において干渉縞解析を行い被検面６ａの面形状測定データを出力する。被検面６ａの面形状を所望の形状に仕上げるためには、面形状測定データと所望形状との差から修正加工を施す横座標と修正加工量を計算し、加工機１０１において修正加工を実施することにより可能となる。
【００１８】
ここで、信号処理系９より出力された面形状測定データの横座標は、エリアセンサ８の撮像面８ａにおける横座標であるため、修正加工を行うためには撮像面８ａにおける横座標と被検面６ａにおける横座標の対応関係を求め、面形状測定データの横座標が被検面６ａにおける横座標を表すように校正する必要がある。この対応関係は、集光レンズ２やビームスプリッタ３等を含む各光学部品の製造誤差や組立て誤差により干渉計ごとに異なり、又、被検面６ａの曲率半径によっても倍率が変動するため、本実施の形態では横座標の校正情報を求めるための校正用光学部材１０及び被検物位置測定手段１１を備えている。
【００１９】
図２は校正用光学部材１０及び被検物位置測定手段１１の概略図である。
【００２０】
校正用光学部材１０は、互いに直交する基準面１０ｂ，１０ｃを備えており、これにより横座標の基準となる校正基準座標系１２を定義する。校正用光学部材１０の被検面１０ａには、干渉計で測定可能な範囲で起伏に富む特徴的な形状を形成する。実施の形態１では、３つの山があるような形状を用いている。更に、予め３次元座標測定器により基準面を参照して被検面１０ａの面形状を測定することで、校正基準座標系１２で表された面形状が既知であるものとする。被検物位置測定手段１１は、干渉計光軸に対して垂直な面内における基準面の変位と回転を測定する装置であり、例えばダイヤルゲージやレーザー測長器等である。
【００２１】
校正用光学部材１０及び被検物位置測定手段１１を用いた面形状測定データの横座標校正法を説明する。
【００２２】
先ず、図１において、被検物６に代えて校正用光学部材１０を置き、干渉縞が疎となるように校正用光学部材１０と干渉計との位置関係を調整してから校正用光学部材１０の被検面１０ａの面形状を測定する。このとき得られる面形状測定データの横座標は、撮像面８ａにおける横座標であるが、既知である被検面１０ａの面形状との形状差が最小となるようにフィッティングすることにより、撮像面８ａにおける横座標で表された面形状測定データを校正基準座標系１２で表すための校正情報を得ることができる。校正情報が得られると、更に被検物位置測定手段１１により基準面の位置を測定し、校正情報と併せて基準面位置情報も保持しておく。
【００２３】
次に、校正用光学部材１０に代えて被検物６を置き、干渉縞が疎となるように干渉計との位置関係を調整してから被検物６の被検面６ａの面形状を測定する。このとき得られる被検面６ａの面形状測定データの横座標は、撮像面８ａにおける横座標であるため、面形状測定データの横座標が被検面６ａの横座標を表すように校正する。被検物６は、校正用光学部材１０と同様に互いに直交する基準面６ｂ，６ｃを備えており、基準面６ｂ，６ｃで定義される被検物付属基準座標系１３により面形状測定データの横座標を表すことができれば、加工機１０１において基準面６ｂ，６ｃを参照して修正加工位置を決定することにより、高精度な横座標情報に基づく修正加工が可能となる。
【００２４】
横座標を校正するため、校正用光学部材１０の面形状を測定することにより得られた前記校正情報を被検面６ａの面形状測定データに適用する。これにより、撮像面８ａにおける横座標で表された面形状測定データを、前記校正用光学部材１０の基準面１０ｂ，１０ｃにより定義された校正基準座標系１２で表すことができる。但し、修正加工は被検物６の基準面６ｂ，６ｃを参照して行われるのであり、修正加工量を定める元になる面形状測定データは、基準面６ｂ，６ｃで定義される被検物付属基準座標系１３により表されていなければならない。
【００２５】
校正用光学部材１０を被検物６に置き替えた際に干渉縞を疎とするために干渉計と被検物６との相対位置を変えれば、干渉計と基準面６ｂ，６ｃの相対位置も変わることになり、校正基準座標系１２と被検物付属基準座標系１３が一致しない場合が容易に生じる。従って、校正基準座標系１２で表された面形状測定データを更に基準面６ｂ，６ｃで定義される被検物付属基準座標系１３に変換する必要がある。
【００２６】
そこで、被検面６ａの面形状測定時に、被検物位置測定手段１１により基準面６ｂ，６ｃの位置情報も取得する。そして、校正用光学部材１０の測定時に得た基準面位置からの変位を求めることにより、校正基準座標系１２と被検物付属基準座標系１３との関係を求めることができ、校正基準座標系１２で表された被検面６ａの面形状測定データを被検物付属基準座標系１３で表すことが可能となる。
【００２７】
このように、特徴形状を備えた校正用光学部材１０の面形状測定データから横座標校正情報を取得し、更に校正用光学部材１０測定時と被検物６測定時の基準面位置の変化を測定して校正情報を補正することで、より高精度に横座標を校正できる点が本発明の特徴である。
【００２８】
校正用光学部材１０を測定することにより校正情報と基準面位置情報を一度取得すれば、その情報は複数の被検物の面形状測定データに対して適用することができるため、校正用光学部材１０の面形状測定は適切な間隔をおいて適宜実施すれば良い。又、校正用光学部材１０と被検物６の測定順序に制約はなく、被検物６を先に測定してから校正用光学部材１０を測定して校正情報を得て、被検物６の面形状測定データの横座標を校正しても良い。
【００２９】
＜実施の形態２＞
図３及び図４は本発明の実施の形態２を示す図である。以降、実施の形態１との相違点に重点をおき実施の形態２について説明する。
【００３０】
実施の形態２においても、横座標を校正する手順は実施の形態１と同様である。即ち、校正用光学部材１０の面形状と基準面位置を測定して校正情報と基準面位置情報を取得した上で、被検物６の面形状を測定し、同時に基準面位置の変化を測定して校正情報を補正することで、より高精度に横座標を校正することができる。
【００３１】
実施の形態１と実施の形態２の相違点は、図４に示すように、校正用光学部材１０の基準面が１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの３面に増えた点であり、３つの基準面を用いて位置の基準となる校正基準座標系１２を定義する。更に、被検物位置測定手段１１の数も増やして３つの基準面の変位を測定する。被検物６も同様に３つの基準面６ｂ，６ｃ，６ｄを備え、３つの基準面を用いて位置の基準となる被検物付属基準座標系１３を定義する。３つの基準面６ｂ，６ｃ，６ｄの位置を被検物位置測定手段１１により測定し、校正用光学部材１０を測定した時の基準面位置からの変位を求めることにより、校正基準座標系１２と被検物付属基準座標系１３との関係を求めることができる。
【００３２】
基準面が３面ある効果は、校正用光学部材１０から被検物６に変えて面形状を測定する際、被検物６が干渉計光軸方向に移動した場合でも校正基準座標系１２と被検物付属基準座標系１３との関係を求めることができ、校正情報の補正が可能となる点である。被検物６が干渉計光軸方向に移動する場合としては、校正用光学部材１０と被検物６の曲率半径が異なる場合が挙げられる。つまり、本実施の形態は、校正用光学部材１０を１つ用意し、予め校正情報及び基準面位置情報を取得することにより、曲率半径の異なる多様な被検物の面形状測定データの横座標を校正可能な形態である。但し、被検面の曲率半径が校正用光学部材１０と被検物６とで異なる場合、倍率、即ちエリアセンサ８の撮像面８ａ上の長さと被検面上の長さの比が異なるため、更に補正が必要となる。倍率の補正は、倍率が被検面の曲率半径に比例することと、基準座標系に対する干渉計光軸位置は被検面の曲率半径によらないことを利用する。
【００３３】
倍率の補正を含めた横座標校正手順を図５に示す。
【００３４】
先ず、被検物６の被検面６ａの面形状を測定する。ここで得られる面形状測定データの横座標はエリアセンサ８の撮像面８ａにおける横座標である（図５（ａ））。次に、得られた面形状測定データに対して校正用光学部材１０を測定することにより得られた校正情報を適用し、校正基準座標系１２により面形状を表す（図５（ｂ））。次に、基準面位置情報を用いて横座標を更に補正し、被検物付属基準座標系１３により面形状を表す（図５（ｃ））。そして、最後に倍率を補正する。校正用光学部材１０の被検面１０ａの曲率半径をＲｃ、被検物６の被検面６ａの曲率半径をＲｍとすると、被検物付属基準座標系１３により表された面形状の横座標をＲｍ／Ｒｃ倍することで倍率補正が可能となる。補正する際には、基準座標系に対する干渉計光軸位置は被検面の曲率半径によらないことを考慮し、面形状測定データにおける光軸位置を基準として倍率を補正する（図５（ｄ））。面形状測定データにおける光軸位置は、例えば有効データ領域の重心位置で近似できる。
【００３５】
＜実施の形態３＞
図６は本発明の実施の形態３を示す図である。
【００３６】
横座標の校正手順は実施の形態１，２と同様であるが、被検物の基準面を直接測定するのではなく、被検物を保持する冶具１４に設けた基準面の位置を測定する点が本実施の形態の特徴である。校正基準座標系１２と被検物付属基準座標系１３との関係を求める際に必要な被検物の基準面位置情報は冶具の基準面位置情報から推定する。例えば、冶具１４に備えた突き当てに被検物の基準面を当てて位置決めする場合、冶具１４に設けた基準面を参照して冶具の突き当ての位置を３次元座標測定器等で測定することにより、冶具１４に設けた基準面と冶具の突き当てに接する被検物の基準面との関係を求めることができる。これにより、冶具１４に設けた基準面の変位から被検物の基準面位置の変位を求めることが可能となる。
【００３７】
本実施の形態は、冶具１４に対する被検物の位置決め精度や被検物の基準面位置の推定精度等が横座標に影響を与えるため、実施の形態１，２よりも横座標校正精度は劣る。しかしながら、実施の形態１，２では基準面位置を測定することを考慮して被検物を設計する必要があるが、本実施の形態では被検物を冶具に固定できれば横座標の校正が可能であり、被検物を設計する上での自由度が高くなる効果がある。
【００３８】
尚、上述の各実施の形態では、校正用光学部材として起伏に富む特徴的な形状を備えたものを使用し、校正用光学部材の面形状を測定して既知の面形状との形状差が最小となるようにフィッティングすることにより校正情報を求めているが、他の方法により校正情報を求めても良い。例えば、特開２００２−３３３３０５号公報において提案されているように、校正用光学部材の被検面上に光散乱領域等のパターンを形成し、測定して得られた面形状データからパターンの重心位置を計算することにより校正情報を求めても良い。この場合も被検物の基準面位置を測定し、校正情報に更に補正を加えることで、多様な被検物の面形状測定データの横座標をより高精度に校正可能となる。
【００３９】
又、上述の各実施の形態では、横座標の基準となる座標系を被検物に形成した基準面により定義しているが、他の方法により座標系を定義しても良い。例えば、３つの球を被検物に取り付け、各球の重心位置により座標系を定義する等の方法がある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１における干渉計全体の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１における校正用光学部材の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２における干渉計全体の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態２における校正用光学部材の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態２における座標系と面形状測定データの関係を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態３における干渉計全体の概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    光源
２    集光レンズ
３    ビームスプリッタ
４    コリメータレンズ
５    参照部材
５ａ    参照面
６    被検物
６ａ，１０ａ  被検面
７    結像レンズ
８    エリアセンサ
８ａ    撮像面
９    信号処理系
１０    校正用光学部材
１０ｂ〜１０ｄ  基準面
１１，１１ａ〜１１ｆ  被検物位置測定手段
１２    校正用光学部材付属座標系
１３    被検物付属基準座標系
１４    冶具
１０１  加工機
【図１】
2006133059.tif 000003
【図２】
2006133059.tif 000004
【図３】
2006133059.tif 000005
【図４】
2006133059.tif 000006
【図５】
2006133059.tif 000007
【図６】
2006133059.tif 000008