(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影パターンが形成されたマスクに光源からの光を照射して形成される投影パターンの像を結ばせる投影像結像光学系と、この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系とを用い、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれてこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像が観測されたときの前記投影像が結像される位置情報に対応する第１の位置情報を求め、
次に、同様にして前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像が観測されたときの前記投影像が結像される位置情報に対応する第２の位置情報を求め、
前記第１の位置情報と第２の位置情報とから前記球状曲面の曲率半径を求めることを特徴とする球状曲面の曲率半径測定方法。
【請求項２】
投影パターンが形成されたマスクに光源からの光を照射して形成される投影パターンの像を結ばせる投影像結像光学系と、
この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系と、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれてこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像が観測されたときの前記投影像が結像される位置情報に対応する第１の位置情報を求め、次に、同様にして前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像が観測されたときの前記投影像が結像される位置情報に対応する第２の位置情報を求め、前記第１の位置情報と第２の位置情報とから前記球状曲面の曲率半径を求める距離測定装置と、
を有することを特徴とする球状曲面の曲率半径測定装置。
【請求項３】
投影パターンが形成されたマスクに光源からの光を照射して形成される投影パターンの像を結ばせる投影像結像光学系と、この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系とを用い、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれてこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第１の距離とし、
次に、同様にして前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第２の距離とし、
前記第１の距離と第２の距離との差を算出してこれを前記球状曲面の曲率半径として求めることを特徴とする球状曲面の曲率半径測定方法。
【請求項４】
投影パターンが形成されたマスクに光源からの光を照射して形成される投影パターンの像を結ばせる投影像結像光学系と、
この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系と、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれてこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第１の距離とするとともに、前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第２の距離とし、前記第１の距離と第２の距離との差を算出してこれを前記球状曲面の曲率半径として求める距離測定装置と、
を有することを特徴とする球状曲面の曲率半径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状の凸面、球状の凹面もしくは球状物体等の球状曲面の曲率半径を測定する球状曲面の曲率半径測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールベアリング等に用いられる鋼球、ボールペンのペン先等に用いられるセラミックス球、光ディスクシステム等や光通信システム等に用いられるプラスチックまたはガラスボールレンズ、表面張力によって球状曲面を形成する液体表面もしくは膜、その他の球状曲面を有するものについて、その曲率半径を測定する要請は少なからずある。
【０００３】
このような要請に対して、従来から、例えば、日本工業規格ＪＩＳ−Ｂ１５０１（玉軸受用鋼球）に規定されている方法がある。この方法は、測定子の間に鋼球を挟むことによって平均直径及び直径不同並びに真球度を測定するものである。この方法は、測定時の鋼球の変形を極力さけるために、測定圧は３Ｎ｛３０６ｇｆ｝以下と決められている。現在、実際の精密測定での測定圧はその１０分の１程度までに小さくすることが可能になっている。
【０００４】
また、接触式３次元測定器や非接触式３次元測定器により、被測定球を走査測定して得られる３次元形状データより、曲率半径を求める方法もある。表面張力による液体表面の場合は、接触測定は不可能であるので、写真による形状測定やＣＣＤカメラ等による映像の画像処理による方法で行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来の方法のうち接触式方法は、測定時に測定対象物に接触痕やキズがついたり、測定子の形状や測定圧の違いにより測定値が変化したりする恐れがある。また、３次元測定器による走査測定方法は、用いる装置が複雑高価であると共に、一般的に測定時間も長い。さらに、表面張力によって形成される球状液体表面の曲率半径測定の場合は、測定方法自体が確立されておらず、蓄積誤差が大きくなる画像処理に頼るしかない。
【０００６】
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、球状曲面を有するものであれば、液状物質、固体状物質、透明な物質、あるいは不透明な物質等、材質を問わず、その曲率半径を非接触で、再現性よく正確にかつ簡単・迅速に、さらには簡易な設備で測定することを可能にする球状曲面の曲率半径測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、第１の手段は、
入射光を所定の位置に集光させる集光光学系を用い、この集光光学系によって所定の位置に集光すべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による光学像を観測できる反射光学像観測光学系を用い、
前記集光光学系によって所定の位置に入射光を集光させた状態でこの集光光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射光学像観測光学系によって前記反射光学像の有無を確認し、前記集光光学系によって前記球状曲面の表面に入射光が集光されたときにこの球状曲面の表面で反射されて形成される反射光学像が前記反射光学像観測光学系によって観測されたときの前記入射光の集光点位置情報に対応する第１の位置情報を求め、
次に、同様にして前記集光光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射光学像観測光学系によって前記反射光学像の有無を確認し、前記集光光学系によって前記球状曲面の曲率中心に集光されるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される反射光学像が前記反射光学像観測光学系によって観測されたときの前記入射光の集光点位置情報に対応する第２の位置情報を求め、
前記第１の位置情報と第２の位置情報とから互いの集光点位置どうしの距離を求めてこれを前記球状曲面の曲率半径として求めることを特徴とする球状曲面の曲率半径測定方法である。
第２の手段は、
入射光を所定の位置に集光させる集光光学系を用い、この集光光学系によって所定の位置に集光すべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による光学像を観測できる反射光学像観測光学系を用い、
前記集光光学系によって所定の位置に入射光を集光させた状態でこの集光光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射光学像観測光学系によって前記反射光学像の有無を確認し、前記集光光学系によって前記球状曲面の表面に入射光が集光されたときにこの球状曲面の表面で反射されて形成される反射光学像が前記反射光学像観測光学系によって観測されたときの前記集光光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第１の距離とし、
次に、同様にして前記集光光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射光学像観測光学系によって前記反射光学像の有無を確認し、前記集光光学系によって前記球状曲面の曲率中心に集光されるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される反射光学像が前記反射光学像観測光学系によって観測されたときの前記集光光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第２の距離とし、
前記第１の距離と第２の距離との差を算出してこれを前記球状曲面の曲率半径として求めることを特徴とする球状曲面の曲率半径測定方法である。
第３の手段は、
所定の位置に投影像を結ばせる投影像結像光学系と、この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系とを用い、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれたときにこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第１の距離とし、
次に、同様にして前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第２の距離とし、
前記第１の距離と第２の距離との差を算出してこれを前記球状曲面の曲率半径として求めることを特徴とする球状曲面の曲率半径測定方法である。
第４の手段は、
所定の位置に投影像を結ばせる投影像結像光学系と、
この投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ぶべく進行する光線が、反射対象物によって反射されて前記進行方向と同一の経路を逆方向に進行する光線となったときに、この反射光線による前記投影像の反射像を観測可能に結像させる反射投影像観測光学系と、
前記投影像結像光学系によって所定の位置に投影像を結ばせた状態で前記投影像結像光学系と測定対象たる球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の表面に前記投影像が結ばれたときにこの球状曲面の表面反射によって形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第１の距離とするとともに、
前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を変えつつ前記反射投影像観測光学系によって前記投影像の反射像の有無を確認し、前記球状曲面の中心に前記投影像が結ばれるように進行する光線が前記球状曲面の表面で反射されて形成される投影像の反射像が観測されたときの前記投影像結像光学系と球状曲面との距離を測定してこれを第２の距離とし、
前記第１の距離と第２の距離との差を算出してこれを前記球状曲面の曲率半径として求める距離測定装置とを有することを特徴とする球状曲面の曲率半径測定装置である。
【０００８】
上述の第１及び第２の手段は、本発明者らが、次の現象に着目して案出したものである。すなわち、図１の実線で示されるように、集光光学系たる対物レンズ１によって、球状曲面２の曲率中心Ｏに向けて集光される光線Ｌ１が、球状曲面２の表面で反射されたときに、その反射光線Ｌ２が入射光線Ｌ１と同一経路を逆向きに進行する現象が起こる。これは、図２に示すように、対物レンズ１は理想的には無収差であるので、その焦点に向かって波面は同心球状に収束する。球状曲面２は、球面であるから同心球状波面と同じ形状をしている。従って、対物レンズ１の焦点に、曲率中心を同じくして置いた球状曲面２によって反射された入射波面は、同心球状の波面が乱れることなく対物レンズ１に向けて反射されて戻っていく。この反射波面は、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、球状曲面２の曲率半径を変化させても、対物レンズ１の焦点と曲率中心Ｏとが一致していさえすれば、反射（伝播）波面の成分（空間周波数）が異なる外は、曲率中心Ｏ（対物レンズ１の焦点）という１点から反射されて戻ってきた波面と何ら変わりなく扱うことができる。つまり、球状曲面の曲率中心を探り当てることができる。
【０００９】
また、光軸Ａが球状曲面２の中心Ｏを通る対物レンズ１によって、球状曲面２の表面の点Ｐに集光された入射光線Ｌ１’も点Ｐによって反射されてＬ１’と同一経路を逆向きに進行する光線Ｌ２’となる現象が起こる。ここで、上記２つの現象を同一の集光光学系で起こさせる場合を考える。そうすると、一方の現象を実現した後、他方の現象を実現するには、集光光学系と球状曲面との距離をこの球状曲面の曲率半径ｒ分だけ変える必要がある。換言すると、一方の現象を実現した後、他方の現象を実現するために変化させた距離がこの球状曲面の曲率半径になる。したがって、それぞれの現象の起こるときの集光光学系と球状曲面との距離を求め、その差（ｒ）を求めることによって、球状曲面の曲率半径ｒを求めることができる。
【００１０】
なお、球状曲面２としては球体２０の一部であってもよいことは勿論である。さらに、球状曲面としては、凸状曲面限らず、図３に示されるように凹状曲面であってもよい。また、上述の第３の手段を実施する場合、反射光線Ｌ２を検知する方法としては、入射光は透過し、反射光のみを反射するハーフミラー等を用いて反射光を入射光の経路外に導いて適宜の観測手段により観測する方法等を用いることができる。この場合、入射光Ｌ１に特徴がない（空間周波数成分に法則性がない）場合には、観測が困難である。そこで、観測を容易にする方法として、入射光Ｌ１に、何らかの印（空間周波数成分に変調をかけておく）つけておく方法を用いることができる。
【００１１】
すなわち、例えば、対物レンズ１の手前に、入射光Ｌ１は透過し、反射光Ｌ２のみを反射するハーフミラーやビームスプリッター等を用い、反射光Ｌ２を観測系に導いて観測する場合を考える。その場合には、対物レンズ１の結像面と光路差が等しい入射光Ｌ１の光源側の位置にマスク（パターンを描いたフィルム）を置き、その背後からコンデンサレンズで光源を絞って、上記マスクに照射する。このマスクに描かれているパターンは背後から照射された光とともに対物レンズ１により球状曲面２に投影される。その際、マスクから球状曲面までの光路では、マスクデータは空間周波数分解（マスクパターンのフーリエ変換）されて入射光線Ｌ１にのっている。その入射光Ｌ１を対物レンズ１を通して球状曲面２に照射すると、波面と球面がそろっている場合に限り、球状曲面２から反射されて戻ってきた反射光Ｌ２には、変調された空間周波数成分がそのまま残っていて、観測系において、マスクパターンの模様を結像させて確認することができる。
【００１２】
また、入射光Ｌ１として、レーザー光を用いた場合には、入射光Ｌ１に特に印（空間周波数成分に変調をかけておく）つけなくても、上述の現象を観測できる。なぜなら、レーザー光特有の「コヒーレント」という特徴が、入射光Ｌ１にすでに備わっているからである。レーザー光を光源として用いた場合は、いずれの現象が起きた場合にも、焦点が合っている状態として検出可能である。なお、上述の説明において、入射光Ｌ１、反射光Ｌ２についての作用は、球状曲面２の点Ｐに集光された入射光Ｌ１’、反射光Ｌ２’の場合にもあてはまる。
【００１３】
すなわち、第３の手段は、集光光学系として、投影像結像光学系を用いることによって、上述のそれぞれの現象が起きたことを、反射像の形成の有無によって容易に確認できるようにしたものである。これにより、上記現象の確認をレーザ光等のようなコヒーレント光を用いなくても観測可能とすることができる。また、第４の手段は、第３の手段の方法を実施する装置である。
【００１４】
上述の手段によれば、球状曲面からの光の反射現象を利用しているので、球状曲面が観測可能な反射を起こすものであれば、透明な材料で構成されている場合でも、不透明な材料構成されている場合でも、いずれでも測定できる。固体でも液体でもよい。勿論、材料の屈折率や反射率等の大小には原理的に左右されない。実用的には、表面の反射率が数％程度あれば、観測可能であるので、ほとんどの材料に適用できる。また、球状曲面は、球体の一部をなす曲面であってもよい。球状曲面の表面は光学的鏡面であることが望ましいが、多少のキズ、汚れ等があっても、上記現象が観測できる程度であれば測定可能である。さらには、非接触であるので、測定対象物を変形させるおそれがない。原理的に集光光学系と観測光学系及び距離測定機構を設けるだけであるので、比較的簡易な装置で実現できる。しかも、比較的単純な処理で求められるので、迅速な測定も可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図４は実施例１にかかる球状曲面の曲率半径測定装置の構成を示す図である。以下、図４を参照にしながら実施例１にかかる曲率半径測定方法及び装置を説明する。
【００１６】
図４において、光源３から出射された光は、コンデンサレンズ４によって絞られた後、マスク５に照射される。マスク５は、所定の投影パターンが形成されたフィルムであり、上記光源３によってこのマスク５に光照射されたときに生ずる投影パターン情報は光線Ｌ０に含まれることになる。この投影パターン情報を含む光線Ｌ０は、ビームスプリッタ６を通過後、集光光学系たる対物レンズ１によって集光されて光線Ｌ１となって所定の位置に上記投影パターンの像を結像させるようになっている。
【００１７】
いま、対物レンズ１によって、投影パターンの像Ｓが球状曲面２の曲率中心Ｏに仮想的に結像する状態（球状曲面２がないとした場合に結像する状態）に対物レンズ１を含む光学系の位置を設定する。すなわち、対物レンズ１の光軸Ａが曲率中心Ｏを通り、光線Ｌ１の集光点が曲率中心Ｏとなるようにする。そうすると、投影パターン情報を含む光線Ｌ１は、対物レンズ１によって、球状曲面２の曲率中心Ｏに向けて進行するが、この光線Ｌ１が球状曲面２の表面で反射されると、その反射光線Ｌ２は入射光線Ｌ１と同一経路を逆向きに進行することになる。
【００１８】
ビームスプリッタ６は、上記光線Ｌ２を反射して、９０°進路を変えて上記光線Ｌ１の経路から外れた位置で投影パターンの像Ｓ’を結像させる。したがって、そのとき、投影パターンの像Ｓ’は、接眼レンズ７を通じて観測者Ｅによって観測することができる。なお、光線Ｌ１の集光点が球状曲面２の曲率中心Ｏからはずれると、投影パターン像Ｓ’は観測されない。したがって、上述の状態で投影パターン像Ｓ’が観測されるときの対物レンズ１を含む光学系の位置は、曲率中心Ｏの位置に対応するものである。
【００１９】
次に、対物レンズ１を含む光学系を上方に移動させ、対物レンズ１による光線Ｌ１の集光点が球状曲面の表面の点Ｐになるように設定する。すなわち、点Ｐは、対物レンズ１の光軸Ａが球状曲面２の曲率中心Ｏを通るように設定したとき、その光軸Ａが球状曲面の表面と交わる点である。この場合にも、対物レンズ１によって、球状曲面２の表面の点Ｐに集光された入射光線Ｌ１は点Ｐによって反射されてＬ１と同一経路を逆向きに進行する光線Ｌ２となる現象が起こる。したがって、その場合にも、投影パターンの像Ｓ’を接眼レンズ７を通じて観測者Ｅによって観測することができる。なお、光線Ｌ１の集光点が球状曲面２の表面の点Ｐからはずれると、投影パターン像Ｓ’は観測されない。したがって、この状態で投影パターン像Ｓ’が観測されるときの対物レンズ１を含む光学系の位置は、点Ｐの位置に対応するものである。
【００２０】
ここで、対物レンズ１を含む光学系の位置座標を測定できるようにしておけば、上記対物レンズ１を含む光学系の位置が曲率中心Ｏの位置に対応するものであるときの位置座標と、対物レンズ１を含む光学系の位置が点Ｐの位置に対応するものであるときの位置座標とを測定し、両座標の距離（ｒ）がこの球状曲面の曲率半径ｒに対応することになる。これにより、球状曲面の曲率半径ｒを求めることができる。なお、この実施例にかかる装置は、通常の顕微鏡の光学系に少しの変更を施すことによって比較的容易に得ることができる。
【００２１】
上述の構成の装置によって、球状曲面として石英ガラスをフッ硝酸でエッチングして形成した凹状の球状曲面の曲率半径を求めた結果は後述する通りであった。なお、このようなエッチングによる球状曲面の形成技術は、マイクロレンズアレイのプロセスなどで実用化されている技術であるので、その製造方法については省略する。
【００２２】
（実施例２）
図５は実施例２にかかる球状曲面の曲率半径測定装置の構成を示す図である。以下、図５を参照にしながら実施例２にかかる曲率半径測定方法及び装置を説明する。
【００２３】
この実施例の基本構成は、いわゆるＣＤ（コンパクトディスクプレイヤ−）等の光ピックアップ機構のフォーカス制御機構を利用したもので、光ピックアップ機構から、トラック方向のエラー検出機構と追従用アクチュエータ機構とを取り除いたものである。フォーカス制御には像回転方式を採用している。
【００２４】
図５において、半導体レーザ３０から出たレーザ光は、カップリングレンズ４０で平行光に、続くプリズム５０で断面形状を円形に整えられる。ビームスプリッタ６０を通過してλ／４波長板６１を通過、対物レンズ１で集光されて球状曲面２にレーザー光Ｌ１が照射される。
【００２５】
球状曲面２の表面で、反射されたレーザー光Ｌ２は，対物レンズ１を通り、λ／４波長板６１を通過する。これにより、レーザー光Ｌ２は、λ／２偏光面が回転しているため（λ／４×２回通過）、偏光ビームスプリッタ６０で絞り込みレンズ６７の方向へ反射される。この後、反射レーザー光線Ｌ２は、シリンドリカルレンズ６８で非点収差を与えられ、２つの焦線のほぼ中央に同シリンドリカルレンズ６８の作用軸に対して４５度傾けて設置されたナイフエッジ６９により、光検出器７０に半円形の光束として検出される。焦点がずれると、この半円形の光束が時計（半時計）方向に回転するので光検出器に入射する光量が変化する。
【００２６】
これをＡＦ信号検出７１としてメカコントローラ７２に出力し、制御回路によりＡＦ制御アクチュエータ７３で対物レンズを光軸方向に移動制御して焦点が合うようにする。このとき、同時にフィードバックデータ７４としてリアルタイムで対物レンズ変位情報が出力される。したがって、このフォーカス制御機構を利用することにより、球状曲面２の曲率中心Ｏの位置で焦点が合うときの対物レンズ１の位置から、球状曲面２の表面の点Ｐの位置で焦点が合う位置までの距離を瞬時に求めることができ、球状曲面の曲率半径ｒを瞬時に求めることができる。
【００２７】
なお、本発明にかかる球状曲面の測定方法及び装置は、他の計測目的で造られた既存の装置であっても、集光光学系を有し、その集光点位置座標等を計測できる機能を有するものであれば、その機能を利用することによって比較的簡単に実現することが可能である。
【００２８】
そのような例の１つとして、例えば、非接触深度測定器（例えば、ユニオン光学株式会社製の商品名「ＨＩＳＯＭＥＴ」）がある。この測定器は、光源からの光を対物レンズに導く光学系に、精密焦点合わせ機構としてターゲットマークおよびスプリットプリズムを組み込み、正しい焦点位置では被検面の鮮明な像の中央にターゲット像が左右のズレなく鮮明に見られ、微妙に焦点がズレると視野内のターゲット像の上下部分が中央で左右にズレて観察される光学原理を採用している。
【００２９】
同測定器の測定精度は、ｘ（ステージ面内）、ｙ（ステージ面内）、ｚ（光軸方向）３軸ともに１μｍで、本測定方法によると半径が５００μｍを再現性よく測定することができる。なお測定方法は、まず、球状曲面の中心座標を３軸（ｘ、ｙ、ｚ）で測定し、ｚ値を記録（リセット）して、球状曲面の表面の点Ｐを１軸（ｚ）調整のみで探す。そのときのｚ値より曲率半径を決定する。従って、この測定方法によると、ｘ、ｙ（ステージ面内）については、相対座標を読みとるためのマイクロメータ等は必要ない。なお、従来の接触式マイクロゲージによる測定では、加重圧により２〜３μｍの測定誤差がでていた。
【００３０】
上記測定器によって、玉軸受用鋼球（１ｍｍ±０μｍ、等級５）を測定した結果は、以下の通りであった。曲率半径ｒｎ（測定回数ｎ＝２０）は，最大値ｒｍａｘ＝５０１μｍ、最小値ｒｍｉｎ＝５００μｍ、平均値ｒｎ＝５００．０５μｍ、標準偏差σ＝０．２μｍ（３σ＝０．７μｍ）であった。
【００３１】
また、マイクロレンズアレイの凹状の球状曲面の曲率半径を測定した結果は、曲率半径ｒｎ（測定回数ｎ＝１０）は，最大値ｒｍａｘ＝８７μｍ、最小値ｒｍｉｎ＝８４μｍ、平均値ｒｎ＝８５．５μｍ、標準偏差σ＝１．０μｍ（３σ＝２．９μｍ）であった。これは、測定方法（非接触深度測定器による測定）は同じだが、マイクロレンズの凹状曲面の形状のばらつきが玉軸受用剛球（半径１ｍｍ）より大きいことが原因であると考えられる。
【００３２】
また、上記測定器によって、てフッ素樹脂表面上で表面（界面）張力により球状になっている水滴の曲率半径を測定した結果は以下のとおりであった。なお、上記測定器にはスプリットプリズムとターゲットマークが組み込まれているが、光源に印をつけておくだけでもよい。そこで、この例では、このスプリットプリズムとターゲットマークの変わりに、油性ペンで×印を書いた透明フィルムを置いて測定した。
【００３３】
フッ素樹脂上に落とした水滴が、水平方向に直径１．５ｍｍφ程度拡がったものを、対物レンズ（１０ｘ）により測定した。測定方法は次の通りである。まず、曲率中心を３軸（ｘ、ｙ、ｚ）で探してｚ値をリセットし、頂点をｚ軸の調整により測定してｚ値を記録。続いて再度曲率中心をｚ軸の調整により測定してｚ値を記録し、また頂点を測定してｚ値を記録。この繰り返しによって、気化して小さくなっていく水滴の様子を、手動測定ながら約５秒間隔で測定できた。中心の座標がミクロン単位でステージ面内方向（ｘ、ｙ）にズレると、接眼レンズ越しに見える×印が中心からズレるので確認できるが、そのような中心座標の水平方向へのズレが確認されなかったので、ｚ軸調整のみで測定した。その結果、曲率半径が９７５μｍ、９６８μｍ、９５９μｍ、９５１μｍ、…と縮小していく様子を測定できた。
【００３４】
また、他の利用できる測定器として、フィゾー型球面測定用干渉計（例えば、富士写真光機株式会社製の商品名「フィゾー型球面測定用干渉計Ｆ−６０１」等がある）がある。この測定器を利用すると、半径１０００μｍを再現性よく測定することができる。ガラス表面の垂直入射反射率は４％程度であるが測定感度は良好である。この測定器を利用して、光ファイバーカップリング用ガラスボールレンズ（２ｍｍφ）を測定したところ、曲率半径ｒｎ（測定回数ｎ＝２０）は，最大値ｒｍａｘ＝１００１μｍ、最小値ｒｍｉｎ＝９９９μｍ、平均値ｒｎ＝１０００．１μｍ、標準偏差σ＝０．４５μｍ（３σ＝１．３μｍ）であった。なお、従来の接触式マイクロゲージによる測定では、接触痕が残り、加重圧により２〜３μｍの測定誤差があった。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、集光光学系によって、球状曲面の曲率中心に向けて集光される光線が、球状曲面の表面で反射されたときに、その反射光線が入射光線と同一経路を逆向きに進行する現象が起こること、また、光軸が球状曲面の中心を通る集光光学系によって、球状曲面の表面の点に集光された入射光線もその点によって反射され入射光線と同一経路を逆向きに進行する光線となる現象が起こることに着目して、両者の現象を観測することによって、両者の集光点の位置情報を得て両位置の距離を求め、この距離を球状曲面の曲率半径として求めることを特徴とするもので、これにより、球状曲面を有するものであれば、液状物質、固体状物質、透明な物質、あるいは不透明な物質等、材質を問わず、その曲率半径を非接触で、再現性よく正確にかつ簡単・迅速に、さらには簡易な設備で測定することを可能にする球状曲面の曲率半径測定方法及びその装置を得ているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる球状曲面の曲率半径測定方法の原理説明図である。
【図２】本発明にかかる球状曲面の曲率半径測定方法の原理説明図である。
【図３】本発明にかかる球状曲面の曲率半径測定方法の原理説明図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる球状曲面の曲率半径測定装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例２にかかる球状曲面の曲率半径測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…対物レンズ、２…球状曲面、２０…球体、Ａ…光軸、Ｏ…曲率中心。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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