(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の第１面を露出させて表側に配置するため前記第１面の反対の第２面側から測定対象を支持する３つの支持突起と、裏側から前記第２面側の測定も可能になるように前記３つの支持突起に囲まれた領域の少なくとも一部と重なるように形成された観察孔とを有する基板と、
前記基板に対して固定されるとともに、測定対象の支持方向に関して測定対象を挟んで前記３つの支持突起に対向する荷重発生位置において、測定対象を前記第１面側から前記基板側に付勢する付勢部材と、
前記基板の表側において前記支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能であるとともに、前記支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって前記支持方向に垂直な方向への移動が抑制される側方支持部材を含む保持機構と
を備える光学素子の測定装置。
【請求項２】
前記付勢部材は、前記支持突起が円錐台状である場合は測定対象を挟んで前記３つの支持突起にそれぞれ対向して点支持又は線支持を可能にする３つの付勢突起を含み、前記支持突起が半球状である場合は面支持を可能にする１つ以上の部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の測定装置。
【請求項３】
前記３つの支持突起は、二等辺三角形又は正三角形を形成するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の測定装置。
【請求項４】
前記側方支持部材は、当該側方支持部材の被支持面と前記基板の平坦面との圧接による摩擦によって支持状態を保持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項５】
前記側方支持部材は、測定対象の側面に略垂直な方向から当接するスライダーと、前記スライダーを前記基板上で測定対象に対して進退する方向に移動することを許容するガイドと、前記ガイドに付随して設けられて前記スライダーを前記スライダーの軸方向に垂直な方向に付勢するボールプランジャーとを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項６】
測定対象は、一辺５ｍｍ以上１５ｍｍ以下で厚み１ｍｍ以下の外形を有するとともに、ガラス又はプラスチック樹脂で形成され非球面光学面が格子状に並んだ薄板複眼光学系であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項７】
前記付勢部材は、測定対象を前記基板側に付勢する板バネを有し、前記板バネによる前記支持方向への押圧力は、前記板バネの支持点から荷重点までの距離、前記板バネのヤング率、前記板バネの断面２次モーメント、及び前記板バネの撓み量に基づいて設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項８】
前記側方支持部材と当該側方支持部材を支持する前記基板側の部材との接触領域において対向する一対の面の表面粗さＲａが以下の条件
０．４μｍ≦Ｒａ≦１．６μｍ
を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項９】
前記側方支持部材に付与される前記支持方向への押圧力は、５Ｎ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子の測定装置。
【請求項１０】
測定対象の第１面の反対の第２面側から測定対象を支持する３つの支持突起と、測定対象の支持方向に関して測定対象を挟んで前記３つの支持突起に対向する荷重発生位置において測定対象を前記第１面側から前記基板側に付勢する付勢部材とを用いて、測定対象を前記基板の表側において前記支持方向に関して支持し、
前記基板の表側において前記支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能であるとともに、前記支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって前記支持方向に垂直な方向への移動が抑制される側方支持部材を用いて、測定対象を前記基板の表側において前記支持方向に垂直な方向に関して支持することを特徴とする光学素子の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な薄板状の光学素子の測定装置及び測定方法に関し、特に非球面光学面が格子状に並んだ薄板複眼光学系に適する測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の光学素子を高精度に保持し偏心測定を行うため、外形基準とする球の球面部を光学素子の外縁部に直接押し当てた状態とする方法が公知となっている（特許文献１）。この方法では、外形基準とする球の球面部を測定対象に付勢しつつ当てているため、この球を外形基準として測定することで外形形状の高精度な測定が可能となる。また、外形基準を突き当てたまま治具全体を反転させて同様の測定を実施することで高精度な偏心測定が可能となる。測定器は触針を直接接触させた上でその触針の変位量を測定する三次元形状測定器を対象としている。
また、薄板形状の表面に変形を生じさせることなく表面形状の測定を行うため、測定対象を垂直方向に自立させた状態とする方法が公知となっている（特許文献２）。この方法において、測定器は光干渉法、レーザー反射法等であり、触針による三次元形状測定器は対象とされていない。
【０００３】
前者の特許文献１に記載の方法については、触針による三次元形状測定に限らず、光干渉法、レーザー反射法等の測定に適用可能で、装置反転による両面測定にも対応しているが、外形基準装置に対し付勢を行って対象に押し当てているため、薄板形状に対しては表面に変形を生じさせる原因となり得る。
【０００４】
前者の特許文献２に記載の方法については、薄板を垂直に自立させた状態で倒れ防止の支持をしているので、この状態の薄板に対して光干渉法による測定は可能であっても、触針による三次元形状測定法の場合、その両面のいずれも測定することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２３２３４８号公報
【特許文献２】特開２００８−２７５４６８号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記背景技術の課題に鑑みてなされたものであり、薄板状であっても表面に変形を生じさせることなく、触針による三次元形状測定その他の方法で測定対象の両面の形状測定を可能にする光学素子の測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る光学素子の測定装置は、測定対象の第１面を露出させて表側に配置するため第１面の反対の第２面側から測定対象を支持する３つの支持突起と、裏側から第２面側の測定も可能になるように３つの支持突起に囲まれた領域の少なくとも一部と重なるように形成された観察孔とを有する基板と、基板に対して固定されるとともに、測定対象の支持方向に関して測定対象を挟んで３つの支持突起に対向する荷重発生位置において、測定対象を第１面側から基板側に付勢する付勢部材と、基板の表側において支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能であるとともに、支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって支持方向に垂直な方向への移動が抑制される側方支持部材を含む保持機構とを備える。
【０００８】
上記測定装置では、基板に固定された付勢部材が、支持方向に関して測定対象を挟んで３つの支持突起に対向する荷重発生位置において、測定対象を第１面側から基板側に付勢するので、測定対象に対して局所的な回転力を与えることを防止でき、測定対象内に発生する撓み等の変形を生じさせる応力を低減できる。また、側方支持部材が基板の表側において支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能であるとともに、支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって支持方向に垂直な方向への移動が抑制されるので、測定対象の側部に殆ど荷重を掛けない状態で、測定対象を基板の表側において支持方向に垂直な方向に関して移動しないように保持することができる。これにより、測定対象を支持方向や横方向に関して安定した状態で支持又は保持できるだけでなく、支持による歪み等の発生を低減して、測定対象を表裏から高精度で形状測定することができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面によれば、上記測定装置において、付勢部材は、支持突起が円錐台状である場合は測定対象を挟んで３つの支持突起にそれぞれ対向して点支持又は線支持を可能にする３つの付勢突起を含み、支持突起が半球状である場合は面支持を可能にする１つ以上の部材を含む。この場合、点又は短い線分状の支持と面支持とが組み合わさって複数箇所で安定した支持が可能になる。
【００１０】
本発明の別の側面によれば、３つの支持突起は、二等辺三角形又は正三角形を形成するよう配置されている。この場合、測定対象を安定して３点支持することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面によれば、側方支持部材は、当該側方支持部材の被支持面と基板の平坦面との圧接による摩擦によって支持状態を保持又は維持している。この場合、被支持面と平坦面との間に付与される圧力を調整するだけで、側方支持部材の移動に対する摩擦抵抗を設定でき、測定対象への影響を抑制しつつ測定対象の支持方向に垂直な方向への移動を確実に防止できる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面によれば、側方支持部材は、測定対象の側面に略垂直な方向から当接するスライダーと、スライダーを基板上で測定対象に対して進退する方向に移動することを許容するガイドと、ガイドに付随して設けられてスライダーをスライダーの軸方向に垂直な方向に付勢するボールプランジャーとを有する。この場合、小型で簡単な機構によって保持機構を構成することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面によれば、測定対象は、一辺５ｍｍ以上１５ｍｍ以下で厚み１ｍｍ以下の外形を有するとともに、ガラス又はプラスチック樹脂で形成され非球面光学面が格子状に並んだ薄板複眼光学系である。このような薄板複眼光学系は、外力に対して敏感であり、外力を可能な限り低減する必要があるが、上記のような付勢部材や保持機構を用いることで、外力による歪み等の発生を抑制して高精度の測定が可能になる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面によれば、付勢部材は、測定対象を基板側に付勢する板バネを有し、板バネによる支持方向への押圧力は、板バネの支持点から荷重点までの距離、板バネのヤング率、板バネの断面２次モーメント、及び板バネの撓み量に基づいて設定される。
【００１５】
本発明のさらに別の側面によれば、側方支持部材と当該側方支持部材を支持する基板側の部材との接触領域において対向する一対の面の表面粗さＲａが以下の条件
０．４μｍ≦Ｒａ≦１．６μｍ
を満たす。この場合、側方支持部材の支持方向に垂直な方向への移動の抑制が、薄板複眼光学系のような軽い測定対象に対して容易になり、かかる測定対象の保持が確実になる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面によれば、側方支持部材に付与される支持方向への押圧力は、５Ｎ以下である。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る光学素子の測定方法は、測定対象の第１面の反対の第２面側から測定対象を支持する３つの支持突起と、測定対象の支持方向に関して測定対象を挟んで３つの支持突起に対向する荷重発生位置において測定対象を第１面側から基板側に付勢する付勢部材とを用いて、測定対象を基板の表側において支持方向に関して支持し、基板の表側において支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能であるとともに、支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって支持方向に垂直な方向への移動が抑制される側方支持部材を用いて、測定対象を基板の表側において支持方向に垂直な方向に関して支持する。
【００１８】
上記測定方法では、支持方向に関して測定対象を挟んで３つの支持突起に対向する荷重発生位置において、付勢部材によって測定対象を第１面側から基板側に付勢するので、測定対象に対して局所的な回転力を与えることを防止でき、測定対象内に発生する応力を低減できる。また、支持方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象の側部に当接可能な側方支持部材が、支持方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって支持方向に垂直な方向への移動が抑制されるので、測定対象の側部に殆ど荷重を掛けない状態で、測定対象を基板の表側において支持方向に垂直な方向に関して移動しないように保持することができる。これにより、測定対象を支持方向や横方向に関して安定した状態で支持又は保持できるだけでなく、支持による歪み等の発生を低減して、測定対象を表裏から高精度で形状測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、測定装置を説明する正面図及び側面図である。
【図２】測定装置にセットされる測定用ジグを説明する平面図である。
【図３】図２に示す測定用ジグの裏面図である。
【図４】図２に示す測定用ジグのうち基板中央部を説明する部分拡大斜視図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、測定対象を説明する平面図及び断面図である。
【図６】図２に示す基板中央部に固定される付勢部材を説明する斜視図である。
【図７】支持部材と付勢部材とによる測定対象の支持を説明する部分拡大断面図である。
【図８】基板において付勢部材の外側に設けられる保持機構を説明する斜視図である。
【図９】図８の保持機構を説明する側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る測定装置及び方法を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２１】
図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、後に詳述する測定用ジグ１０を搭載した測定装置２００の構造を説明する正面及び側面の概念図である。
この測定装置２００は、触針による３次元形状測定装置であり、測定用ジグ１０を利用して測定対象ＷＯであるレンズアレイを構成する多数の光学面形状を一括して測定できる。測定装置２００は、定盤８１上に、ＸＹステージ装置８２と、Ｚ駆動装置８４とを固定した構造を有する。ＸＹステージ装置８２やＺ駆動装置８４の動作は、制御装置９９によって制御されている。
【００２２】
ＸＹステージ装置８２は、説明を省略する駆動機構に駆動されて動作し、ＸＹステージ装置８２の上部に固定された載置台８９に載置された測定用ジグ１０を、水平なＸＹ面内で２次元的に任意の位置に滑らかに移動させることができる。測定用ジグ１０の位置は、載置台８２に設けたＸミラー８３ａとＹミラー８３ｂとを利用して検出される。すなわち、Ｘミラー８３ａに対向して定盤８１上に取り付けたレーザー干渉計８３ｄを利用して載置台８２のＸ軸方向の位置が分かる。また、Ｙミラー８３ｂに対向して定盤８１上に取り付けたレーザー干渉計８３ｅを利用して載置台８２のＹ軸方向の位置が分かる。
【００２３】
Ｚ駆動装置８４は、フレーム８５上に昇降機構８６を固定したものであり、昇降機構８６は、フレーム８５上部に固定されＺ方向に延びる支持軸８６ａと、支持軸８６ａに支持されてＺ軸方向に移動する昇降部材８６ｂと、昇降部材８６ｂを昇降させる昇降駆動手段（不図示）と、昇降部材８６ｂに支持された触針保持部８６ｄと、触針保持部８６ｄに昇降可能に支持された触針ＰＲとを備える。
【００２４】
昇降機構８６では、昇降部材８６ｂが支持軸８６ａに非接触で支持されて滑らかに昇降運動する。触針保持部８６ｄは、触針ＰＲを保持しており、これに伴って滑らかに昇降運動する。なお触針ＰＲについては、先端に一定の負荷を掛けた状態で高精度で滑らかに昇降することができるように、フィードバックをかけて不図示の昇降駆動手段を動作させている。結果的に、触針ＰＲを低負荷で昇降させつつ、ＸＹステージ装置８２を適宜動作させて測定用ジグ１０上に載置した測定対象ＷＯ上の全体又は複数の局所的な領域を２次元的に走査するように移動させるならば、触針ＰＲの先端を測定用ジグ１０上に載置した測定対象ＷＯに設けた多数の光学面に沿って２次元的に移動させることができる。この際、触針ＰＲの先端位置は、触針ＰＲとともに昇降する部材の上端に設けたＺミラー９１ａを利用して検出される。すなわち、Ｚミラー９１ａに対向してフレーム８５上に取り付けたレーザー干渉計９１ｂを利用して触針ＰＲ下端のＺ軸方向の位置が分かる。
【００２５】
図２及び図３を参照して、図１（Ａ）等に示す測定装置２００の載置台８９上に設置された測定用ジグ１０の構造について説明する。
測定用ジグ１０は、基板２０と、一体的な部材である付勢装置３０と、複数の独立した部分からなる保持機構４０と、複数の独立した部分からなる基準部５０とを備える。ここで、付勢装置３０と保持機構４０と基準部５０とは、基板２０の表面２０ａ側に固定されている。測定用ジグ１０は、表側の中央に測定対象ＷＯを支持しており、裏返すことができる。つまり、測定用ジグ１０を図示のように表面２０ａを上にすることで、測定対象ＷＯの第１面１ａに形成された複数の光学面を測定することができ、測定用ジグ１０を反転させて裏面２０ｂを上にすることで、測定対象ＷＯの第２面１ｂに形成された複数の光学面を測定することができる。
【００２６】
図２〜図４に示す基板２０は、金属製の板状体であり、全体の輪郭と一致する矩形（正方形を含む）の輪郭を有する支持枠２１と、支持枠２１の中央に配置された支持部材２２とを備える。支持部材２２は、支持枠２１の中央に設けた貫通孔２１ａに嵌め込むように固定されている。
【００２７】
基板２０のうち、支持部材２２には、全体として略矩形の観察孔２２ａが形成されており、支持部材２２上に支持した測定対象ＷＯを表裏から観察できるようになっている。観察孔２２ａの周囲には、観察孔２２ａの内側に向けて突起する部分として３つの支持張出部２２ｃが形成されている。各支持張出部２２ｃ上には、基板２０の表面２０ａ側から法線方向に突起する円錐台状の支持台又は支持突起２２ｄが形成されている。３つの支持突起２２ｄは、正三角形又は二等辺三角形の頂点位置に配置されており、測定対象ＷＯの外周部２ｆを裏の第２面１ｂ側からバランス良く３点支持する。ここで、基板２０又は支持突起２２ｄによる測定対象ＷＯの支持方向は、基板２０の表面２０ａに対して垂直なｚ方向となっている。観察孔２２ａには、２つの切欠き２２ｂが形成されている。これらの切欠き２２ｂは、後述する支持球６２を表裏から測定できるようにしている。
【００２８】
図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、図２に示す測定用ジグ１０において基板２０上に支持される測定対象ＷＯの一例を説明する平面図及び断面図である。測定対象ＷＯは、矩形板状の外形を有するレンズアレイ、すなわち薄板複眼光学系であり、γ方向に延びる光軸ＯＡに垂直なα方向及びβ方向に２次元的に配列された複数の個眼レンズ２ａを備えている。測定対象ＷＯは、プラスチック樹脂製であり、一辺が５〜１５ｍｍ程度で、厚み１ｍｍ以下となっている。このレンズアレイのように、小型で薄い測定対象ＷＯの場合、僅かな外力で撓み変形等が生じるので、測定用ジグ１０上に支持する際には細心の注意が必要となる。なお、測定対象ＷＯのレンズアレイは、プラスチック樹脂製に限らず、ガラス製であってもよい。
【００２９】
測定対象ＷＯのレンズアレイを構成する個眼レンズ２ａの数は、図示の例では４×４の格子点に対応して１６個となっている。測定対象ＷＯ内の各個眼レンズ２ａは、繋がった状態で一体に成形されている。換言すれば、測定対象ＷＯは、レンズ本体部２ｃとフランジ部２ｄとを一組とする多数の個眼レンズ２ａを配列したものであり、隣接する各個眼レンズ２ａのフランジ部２ｄが一体に成形されている。これらのすべてのフランジ部２ｄを合わせた部分は、レンズ本体部２ｃを支持する支持体２ｇとなっている。支持体２ｇは、平板状であり、γ方向に平行な光軸ＯＡに垂直なαβ面に平行に延びる。レンズ本体部２ｃは、物体側すなわち第１面１ａ側に凸形状の非球面である第１光学面２ｉを有し、像側すなわち第２面１ｂ側に凹形状の非球面である第２光学面２ｊを有する。両光学面２ｉ，２ｊは、非球面であるが、球面とすることもできる。フランジ部２ｄは、第１光学面２ｉの周囲に平坦な第１フランジ面２ｍを有し、第２光学面２ｊの周囲に平坦な第２フランジ面２ｎを有する。第１及び第２フランジ面２ｍ，２ｎは、レンズ有効面以外の面であり、αβ面に対して平行に配置されている。測定対象ＷＯの外周部２ｆは、図２に示す測定用ジグ１０に支持される部分である。外周部２ｆは、位置決めに利用される４つの側面２ｔと１つの枠底面２ｕとを有し、４つの側面２ｔは、測定対象ＷＯの側部として、αγ面又はβγ面に平行に延びている。
なお、測定対象ＷＯを図２に示す測定用ジグ１０に取り付ける際には、測定対象ＷＯの側面２ｔや枠底面２ｕを利用して、測定対象ＷＯのαβγ軸が測定用ジグ１０のｘｙｚ軸と略平行になるように設置される。
【００３０】
図２及び図６に示す付勢装置３０は、全体的な輪郭が環状部材３１からなっており、測定対象ＷＯの第１面１ａを露出させるため中央を開放している。付勢装置３０は、複数の取付け部３８を利用して、基板２０の表面２０ａ側に支持部材２２を囲むような状態で固定される。付勢装置３０は、基板２０の支持部材２２上に載置された測定対象ＷＯの脱落を防止する役割を有している。このため、付勢装置３０は、測定対象ＷＯの支持方向に関して（すなわちｚ方向に関して）測定対象ＷＯを挟んで支持部材２２の３つの支持突起２２ｄに対向する荷重発生位置において、測定対象ＷＯを第１面１ａ側から基板２０側に付勢する。具体的には、付勢装置３０は、内側に延びる３つの付勢部材３２を有する。各付勢部材３２は、直線的に延びる細長い板バネであり、根元側で環状部材３１に固定され、先端側において半球状の付勢突起３２ａを有する。
【００３１】
図７に部分的に拡大して示すように、付勢部材３２の付勢突起３２ａは、測定対象ＷＯのうち支持突起２２ｄに対向する荷重発生位置Ｐ１に当接している。ここで、付勢突起３２ａと支持突起２２ｄとは、ｚ方向に関して測定対象ＷＯの外周部２ｆを挟んで対向しており、測定対象ＷＯを挟むように保持して測定対象ＷＯをｚ方向に関して支持するが、測定対象ＷＯに回転モーメントを与えないようになっている。具体的には、支持突起２２ｄが円錐台状であり、付勢突起３２ａの下端が半球状であり、付勢突起３２ａは、測定対象ＷＯの外周部２ｆを点支持している。これにより、測定対象ＷＯを３点支持しつつ、測定対象ＷＯに撓み変形のような歪を生じさせることを簡易に防止できる。なお、付勢突起３２ａは、半球状に限らず短い円筒面とすることもでき、この場合も上記と同様に、測定対象ＷＯに撓み変形のような歪を生じさせることを簡易に防止できる。
【００３２】
図２に戻って、保持機構４０は、測定対象ＷＯのｘ方向の位置決めを可能にする第１保持機構４１と、測定対象ＷＯのｙ方向の位置決めを可能にする第２保持機構４２とを有する。
【００３３】
図２及び図４に示す第１保持機構４１は、側方支持部材４１ａと制限部材４１ｂとからなる。側方支持部材４１ａは、先端に支持球６２を固定したロッド状のスライダー４５と、スライダー４５をその軸方向に案内するガイド４６と、スライダー４５を軸方向に垂直な横方向から基板２０側に付勢する直交付勢部材４７とを有する。制限部材４１ｂは、基板２０に固定された支持基部５８ａと、支持基部５８ａから基板２０の表面２０ａに沿ってｘ方向に延びるロッド状の当接部材５８ｂとを備える。この当接部材５８ｂは、測定対象ＷＯの位置を整える役割を有する。なお、当接部材５８ｂは、基板２０と環状部材３１との間に形成された挿通孔（不図示）に隙間を有して挿入されている。スライダー４５の後端を−ｘ方向に適当な力で軽く押すと、支持球６２が測定対象ＷＯの側面２ｔに当接し、測定対象ＷＯを−ｘ方向に押すことができ、押された測定対象ＷＯは、その反対側の側面２ｔが当接部材５８ｂの支持球６２を設けた先端部５８ｄに当接するまで−ｘ方向に移動する。スライダー４５の後端を−ｘ方向に押すことを止めると、側方支持部材４１ａによって測定対象ＷＯに付与される力又は荷重が殆どなくなるが、測定対象ＷＯは、側方支持部材４１ａと制限部材４１ｂとに挟まれてｘ方向に関して位置決めされ、大きな外力を与えなければ位置決めされたままの位置に安定して保持される。以上において、支持球６２は、測定対象ＷＯの側面２ｔのｘ座標を測定又は決定するために用いることができる。
【００３４】
第２保持機構４２は、側方支持部材１４１ａと制限部材１４１ｂとからなる。各側方支持部材１４１ａは、上述した第１保持機構４１の側方支持部材４１ａを２つ平行に配置した構造を有し、先端に支持球６２を固定した２つのロッド状のスライダー４５と、これらスライダー４５をその軸方向に案内するガイド４６と、スライダー４５を軸方向に垂直な横方向から基板２０側に付勢する２つの直交付勢部材４７とを有する。制限部材１４１ｂは、上述した第１保持機構４１の制限部材４１ｂを２点支持可能にしたものであり、基板２０に固定された支持基部５８ａと、支持基部５８ａから基板２０の表面２０ａに沿ってｙ方向に延びる一対のロッド状の当接部材５８ｂ，５８ｂとを備える。これらの当接部材５８ｂ，５８ｂは、測定対象ＷＯの位置を整える役割を有する。一対のスライダー４５の後端を＋ｙ方向に適当な力で軽く押すと、２つの支持球６２が測定対象ＷＯの側面２ｔに当接し、測定対象ＷＯを＋ｙ方向に押すことができ、押された測定対象ＷＯは、その反対側の側面２ｔが一対の当接部材５８ｂ，５８ｂの支持球６２を設けた先端部５８ｊに当接するまで＋ｙ方向に移動する。両スライダー４５の後端を＋ｙ方向に押すことを止めると、測定対象ＷＯは、側方支持部材１４１ａと制限部材１４１ｂとに挟まれて、ｙ方向に関して位置決めされるとともにｚ軸に平行な中心軸の周りに関しての回転姿勢も調整され、大きな外力を与えなければ位置決めされたままの位置に安定して保持される。以上において、支持球６２は、測定対象ＷＯの側面２ｔのｙ座標やｚ軸のまわりの傾き回転角を測定又は決定するために用いることができる。
【００３５】
図８及び図９を参照して、第１保持機構４１の側方支持部材４１ａの具体的な構造について説明する。
側方支持部材４１ａは、上述したスライダー４５、ガイド４６、及び直交付勢部材４７の他に、係止部７４を有する。側方支持部材４１ａのうち、スライダー４５は、先端に支持球６２を固定したロッド状の部材である。ガイド４６は、スライダー４５を軸方向に案内するため一対のガイド部材７２ａ，７２ｂで構成される。直交付勢部材４７は、スライダー４５をその長手方向に垂直な側方から押圧するもものであり、スライダー４５を基板２０の表面２０ａのうちの対向する部分である平坦面２０ｓに押し付けるように付勢するバネ７３ａを内蔵する。係止部７４は、スライダー４５を側面側から支持するとともに直交付勢部材４７を基板２０上に固定する。
【００３６】
スライダー４５は、基板２０の支持部材２２上に載置された測定対象ＷＯをその側面２ｔに垂直な−ｘ方向に向けて支持する。スライダー４５は、支持球６２を支持するロッドである先端側保持部材７１ａと、係止部７４によって形成される窪みに対して遊嵌状態で保持される根元側摺動部７１ｂとを有する。根元側摺動部７１ｂの外周側面（上下面及び側面）については、摺動性及び耐摩耗性を向上させるため、ＤＬＣなどの表面処理を施すことができる。根元側摺動部７１ｂには、その移動を係止部７４と協働して案内するため、長穴状の溝７１ｆが形成されており、この溝７１ｆの内面についても、摺動性及び耐摩耗性を向上させるため、ＤＬＣなどの表面処理を施すことができる。
スライダー４５に支持された支持球６２は、高硬度の材料、例えばルビー、窒化珪素、超硬合金などの材料で形成される。支持球６２は、比較的小さく、Φ０．３３〜２ｍｍ程度の真球である。
【００３７】
一対のガイド部材７２ａ，７２ｂは、円柱状の外形をそれぞれ有し、基板２０にそれぞれ固定されて表面２０ａから突起する案内ピンであり、スライダー４５が延びるｘ方向に配列されている。一対のガイド部材７２ａ，７２ｂは、根元側摺動部７１ｂの下面側に形成されてｘ方向に延びる長穴状の溝７１ｆに摺動可能に嵌合している。つまり、根元側摺動部７１ｂは、基板２０の表面２０ａに支持されて−ｚ方向の移動が規制され、一対のガイド部材７２ａ，７２ｂ及び係止部７４に案内されてｘ方向の移動が許容される。
【００３８】
直交付勢部材４７は、係止部７４の上部にねじ込んで埋め込むように固定されている。直交付勢部材４７の下端は、スライダー４５の根元側摺動部７１ｂの上面に当接して根元側摺動部７１ｂを対向する基板２０の平坦面２０ｓに付勢しており、スライダー４５の状態保持とともにスライダー４５の精密で安定した摺動を可能にしている。直交付勢部材４７は、バネ７３ａの圧縮力により先端部に所望の付勢力又は押圧力を発生させる。直交付勢部材４７の先端はスライダー４５の側面と摺動するように接触するので、直交付勢部材４７の先端の接触部には、滑らかに転動するボールやローラーを設ける。つまり、直交付勢部材４７は、ボールプランジャーにより構成される。
【００３９】
以上のようなガイド部材７２ａ，７２ｂや直交付勢部材４７により、スライダー４５は、長手方向つまり±ｘ方向の位置を調整可能に固定されており、支持球６２が測定対象ＷＯの側面２ｔを適度に押圧又はこれに当接する位置を調整できるようになっている。つまり、スライダー４５は、直交付勢部材４７によって基板２０上に弱く係止されており、外力が与えられなければ、基板２０の平坦面２０ｓと根元側摺動部７１ｂの被支持面である下面７１ｋとの圧接による摩擦力により、基板２０上における±ｘ方向の位置を維持しようとする。一方、スライダー４５に±ｘ方向の外力が与えられた場合、その外力が基板２０の表面２０ａと根元側摺動部７１ｂの下面（被支持面）７１ｋとの摩擦力を超えるときは、スライダー４５は、摩擦力に抗して外力に応じた±ｘ方向に移動しその±ｘ方向の位置が変化する。
【００４０】
なお、第２保持機構４２の側方支持部材１４１ａの構造は、第１保持機構４１のものと同様であるので、説明を省略する。
【００４１】
結果的に、測定対象ＷＯの４つの側面２ｔは、側方支持部材４１ａの１つの支持球６２に支持される面、側方支持部材１４１ａの２つの支持球６２に支持される面、制限部材４１ｂの１つの支持球６２に支持される面、制限部材１４１ｂの２つの支持球６２に支持される面が並んだものとなる。つまり、測定対象ＷＯは、均等な箇所で周囲から保持されている。
【００４２】
図２等に戻って、基準部５０は、３つの基準球５１と、３つの球保持部５２とを有する。基準球５１は、球保持部５２に安定した状態で保持され、球保持部５２を介して基板２０に固定される。この際、３つの基準球５１は、基板２０上に載置された測定対象ＷＯの中心を重心とする正三角形の頂点位置に配置され、この正三角形の１辺は、ｘ方向に平行であり、測定装置２００にセットされた後は、測定装置２００の水平方向の駆動軸に対応するＸ軸又はＹ軸と平行に設定される。球保持部５２は、一対の開口５２ａを有し、基板２０の表面２０ａ及び裏面２０ｂ側からの基準球５１を観察可能にしている。基準球５１は、高硬度の材料、例えばルビー、窒化珪素、超硬合金などの材料で形成される。基準球５１は、比較的大きく、Φ３〜１０ｍｍ程度の真球である。
【００４３】
測定用ジグ１０に測定対象ＷＯをセットする際には、まず付勢装置３０を基板２０から取り外し、第１及び第２保持機構４１，４２のスライダー４５を後退させて、基板２０の支持部材２２上の空間を開放する。その後、支持部材２２上の適所に測定対象ＷＯを載置し、第１及び第２保持機構４１，４２を構成する３つのスライダー４５を前進させて測定対象ＷＯの側面２ｔを軽く押す。これにより、支持部材２２上で測定対象ＷＯが位置決めされる。次に、ネジ止め等によって付勢装置３０を基板２０の表面２０ａ側に固定する。これにより、３つの付勢部材３２の付勢突起３２ａが測定対象ＷＯの外周部２ｆを下方に付勢し、これに正対する３つの支持突起２２ｄが測定対象ＷＯの外周部２ｆを同じ箇所で受けることになる。その後は、再度スライダー４５を軽く押して前進させることで、測定対象ＷＯの横方向の位置決めがより確実になる。
【００４４】
以下、図１に示す測定装置２００や図２に示す測定用ジグ１０を用いた光学素子の測定方法について説明する。
【００４５】
最初に、測定対象ＷＯであるレンズアレイ（光学素子）を支持する測定用ジグ１０を、測定装置２００に予め取り付けられている載置台８９上にセットする。この際、基板２０の表面２０ａについて、上側からの観察が可能になるようにする。次に、基板２０の周辺部に配置された３つの基準球５１の表面形状を計測することによって、それらの球芯に対応する座標系（表側座標系）を決定する。この際、測定対象ＷＯであるレンズアレイの周囲に配置された３つの支持球６２の表面形状を計測することによってこれらの球芯の座標を測定し、測定対象ＷＯの側面２ｔの配置に関する情報を得ることができる。次に、測定対象ＷＯであるレンズアレイの表面２０ａのうち、複数の第１光学面２ｉの表面形状を順次測定する。この際、レンズアレイの表面２０ａに位置決めの基準となる形状があれば、この基準形状の測定を行うこともできる。第１光学面２ｉの測定は、第１光学面２ｉの上方に触針ＰＲを配置した状態で、ＸＹステージ装置８２を動作させて第１光学面２ｉに対して触針ＰＲを２次元的に走査移動させつつ、Ｚ駆動装置８４を動作させて触針ＰＲ先端を第１光学面２ｉから離れないように移動させる。これにより、２次元的な表面形状データが得られる。複数の第１光学面２ｉ以外の基準形状の測定も同様である。なお、測定対象ＷＯの第１面１ａが滑らかであれば、複数の第１光学面２ｉ等を一括して測定することもできる。
【００４６】
次に、測定用ジグ１０に反転させることで裏返をした状態として載置台８９上に再度セットする。つまり、基板２０の裏面２０ｂについて、上側からの観察が可能になるようにする。次に、基板２０の周辺部に配置された３つの基準球５１の表面形状を計測することによって、それらの球芯に対応する座標系（裏側座標系）を決定する。次に、反転前に得た球芯の座標系（表側座標系）と、反転後に得た球芯の座標系（裏側座標系）とを比較して、表側座標系と裏側座標系との関係を算出する。この際、測定対象ＷＯであるレンズアレイの周囲に配置された３つの支持球６２の表面形状を計測することによってこれらの球芯の座標を測定し、測定対象ＷＯの側面２ｔの配置に関する情報を追加的に得ることができる。次に、測定対象ＷＯであるレンズアレイの裏面２０ｂのうち、複数の第２光学面２ｊの表面形状を順次測定する。この際、レンズアレイの裏面２０ｂに位置決めの基準となる形状があれば、この基準形状の測定を行うこともできる。次に、複数の第２光学面２ｊの表面形状の形状情報についてレンズアレイの表面２０ａを基準とする座標変換を行って、第１光学面２ｉと第２光学面２ｊとを直接比較できるようにする。これにより、一対の対向する第１光学面２ｉと第２光学面２ｊとについて、フィッティングを行うなどして偏芯量を決定することができる。また、一対の対向する第１光学面２ｉと第２光学面２ｊとを有する複数のレンズ本体部２ｃについて、光軸ＡＸの偏芯量を決定することができる。
【００４７】
以上で説明した実施形態の測定装置２００では、基板２０に固定された直交付勢部材４７が、支持方向であるｚ方向に関して測定対象ＷＯを挟んで３つの支持突起２２ｄに対向する荷重発生位置Ｐ１において、測定対象ＷＯを第１面１ａ側から基板２０側に付勢するので、測定対象ＷＯに対して局所的な回転力等を与えることを防止でき、測定対象ＷＯ内に発生する応力を低減できる。また、側方支持部材４１ａ，１４１ａが基板２０の表面２０ａ側において支持方向であるｚ方向に垂直な方向に移動可能な状態で測定対象ＷＯの側面２ｔに当接可能であるとともに、支持方向であるｚ方向への押圧力を受けて発生する摩擦力によって支持方向に垂直な方向への移動が抑制されるので、測定対象ＷＯの側面２ｔに殆ど荷重を掛けない状態で、測定対象ＷＯを基板２０の表面２０ａ側において支持方向に垂直な方向（具体的には横方向であるｘ方向やｙ方向）に関して移動しないように保持することができる。これにより、測定対象ＷＯを支持方向や横方向に関して安定した状態で支持又は保持できるだけでなく、支持による歪み等の発生を低減して、測定対象ＷＯを表裏から高精度で形状測定することができる。
【００４８】
以下、具体的な測定条件や測定方法について説明する。図１等に示す測定装置２００として、パナソニック社ＵＡ３Ｐ、ミツトヨ社ＳＴＲＡＴＯ−Ａｐｅｘ  ５７４等を用いた。測定用ジグ１０上に支持される測定対象ＷＯは、４×４の非球面光学面を有するレンズアレイであり、外周の一辺が１２ｍｍ程度の正方形輪郭を有し、厚み０．６〜０．７ｍｍ程度であり、重量０．１ｇ程度であった。付勢装置３０に設けた各付勢部材３２は、０．１〜０．５Ｎの荷重又は押圧力を発生する板バネとした。なお、付勢部材３２が板バネである場合、目標とする加重を測定対象ＷＯに与えるためには、以下のような換算式を利用して、板バネの撓み量から荷重を計算できる。
δ＝ｐｌ３／３ＥＩ      …      （１）
ここで、δ…板バネの撓み量（ｍｍ）、ｐ…板バネに掛かる荷重（測定対象の荷重＋板バネの自重）（Ｎ）、ｌ…支点から荷重点までの距離（ｍｍ）、Ｅ…板バネの材料のヤング率（Ｎ／ｍｍ２）、Ｉ…断面２次モーメント（ｍｍ４）である。
特に板バネの断面形状が四角形の場合、以下のような換算式を利用できる。
δ＝４ｐｌ３／Ｅｂｔ×（１−ν２）      …      （２）
ここで、ｂ…板幅（ｍｍ）、ｔ…板厚（ｍｍ）、ν…ポアソン比である。
側方支持部材４１ａ，１４１ａについては、基板２０の表面２０ａとスライダー４５の下面７１ｋとの接触領域の表面粗さＲａを共に０．４μｍ≦Ｒａ≦１．６μｍとした。なお、スライダー４５の側面は、係止部７４の内面と接触させていないが、係止部７４の内面と接触させる場合、これらの接触領域の表面粗さＲａも０．４μｍ≦Ｒａ≦１．６μｍとする。また、直交付勢部材４７であるボールプランジャーによってスライダー４５に対して与えられる荷重又は押圧力Ｆは、１．０Ｎ≦Ｆ≦５．０Ｎ程度とした。
以上のような条件で測定装置２００を用いレンズアレイの光学面形状等を測定し、その結果を金型作製にフィードバックした。すなわち、測定装置２００による測定形状から形状補正を実施し、レンズ性能の向上を確認した。レンズアレイの平面部を白色干渉で測定した結果、測定対象ＷＯを何も拘束していない時と治具で拘束した時とで、第１面１ａに生じたゆがみ量の差は目標値から０．１μｍ以下に収まった。
【００４９】
以上では、実施形態に即して測定装置や測定方法について説明したが、本発明の測定装置や測定方法は、上記に例示されるものに限らず、種々の変形が可能である。測定装置２００は、触針による３次元形状測定装置に限らず、光干渉法を用いた装置とすることができ、この場合、例えば平面部の表面粗さ、平面部全体のうねり等を測定する際に有用である。また、測定装置２００は、触針による３次元形状測定装置に限らず、レーザー反射法を用いた装置、具体的にはレーザー変位計、形状測定器等とすることができる。
【００５０】
上記実施形態では、支持部材２２の支持突起２２ｄを円錐台状とし、付勢部材３２の付勢突起３２ａを半球状としているが、支持部材２２の支持突起２２ｄを半球状とし、付勢部材３２の付勢突起３２ａを円錐台状とすることもできる。
【００５１】
制限部材４１ｂ，１４１ｂを構成する当接部材５８ｂの先端部５８ｊは、支持球６２を取り付けたものに限らず、点接触を簡易に実現できる半円状のものとでき、さらに精度的な許容度が高い場合、直線状又は平面状とすることもできる。この場合も、当接部材５８ｂの横幅が狭ければ精度の劣化は特に大きくならない。
【００５２】
付勢装置３０は、環状部材３１のような共通の支持体に３つの付勢部材３２を組み付けて一括して固定するものに限らず、付勢部材３２を基板２０に対して個別に固定するものであってもよい。
【００５３】
図８及び図９に示す側方支持部材４１ａの構造は、単なる一例であり、様々な変形や代替が可能である。例えばガイド部材７２ａ，７２ｂを省略し、根元側摺動部７１ｂを係止部７４の内面に横方向からボールプランジャーによって押し付けるような構造とすることもできる。
【００５４】
基板２０の支持部材２２や付勢装置３０は、測定対象ＷＯのサイズや輪郭形状に応じて交換することができる。
【００５５】
基板２０の支持部材２２に形成される観察孔２２ａは、矩形に限らず３つの支持突起２２ｄ又は支持張出部２２ｃに囲まれる様々な形状とできる。
【符号の説明】
【００５６】
１ａ…第１面、  １ｂ…第２面、  ２ａ…個眼レンズ、  ２ｃ…レンズ本体部、  ２ｆ…外周部、  ２ｉ，２ｊ…光学面、  ２ｔ…側面、  １０…測定用ジグ、  ２０…基板、  ２０ａ…表面、  ２０ｂ…裏面、  ２１…支持枠、  ２２…支持部材、  ２２ａ…観察孔、  ２２ｃ…支持張出部、  ２２ｄ…支持突起、  ３０…付勢装置、  ３１…環状部材、  ３２…付勢部材、  ３２ａ…付勢突起、  ４０…保持機構、  ４１，４２…保持機構、  ４１ａ，１４１ａ…側方支持部材、  ４１ｂ，１４１ｂ…制限部材、  ４５…スライダー、  ４６…ガイド、  ４７…直交付勢部材、  ５０…基準部、  ５１…基準球、  ５２…球保持部、  ５８ｂ…当接部材、  ５８ｊ…先端部、  ６２…支持球、  ７１ａ…先端側保持部材、  ７１ｂ…根元側摺動部、  ７１ｆ…溝、  ７１ｋ…下面、  ７２ａ，７２ｂ…ガイド部材、  ７４…係止部、  ８２…ＸＹステージ装置、  ８４…Ｚ駆動装置、  ８６…昇降機構、  ８６ｄ…触針保持部、  ９９…制御装置、  ２００…測定装置、  ＯＡ…光軸、  ＰＲ…触針、  ＷＯ…測定対象
【図１】
0006492702.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006492702.tif 000008
【図８】
0006492702.tif 000009
【図９】
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