JP2002250621A - 光学素子及びその型の形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検物である光学素子あるいはその型の３次
元座標の測定データから、光学素子あるいはその型の相
互の位置を求める。 【解決手段】 被検物たる光学素子あるいはその型Ｐ
１、Ｐ２の３次元座標を測定する３次元座標測定手段に
より得られた３次元座標の測定データから、光学素子あ
るいはその型Ｐ１、Ｐ２の相互の位置を求める形状測定
方法と装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子及びその
型の形状測定方法及び装置に関し、特に、光学素子ある
いはそれらをプラスチック成形、ガラス成形等で製造す
るときに用いる型等の絶対形状を測定するための方法と
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レンズやプリズム等の光学素子の面形状
は、光学系の性能を大きく左右するので、絶対面形状測
定は素子の製造工程における品質管理上、重要な課題と
なっている。光学素子の面形状を測定する方法として
は、従来から干渉計が用いられているが、干渉計は参照
面との相対的な比較であり、絶対形状は測定できない。

【０００３】また、絶対形状を測定する方法としては、
触針式の形状測定機が市販されているが、光学的な軸と
直交する断面の形状を測るものが主であり、２次元での
面形状測定が困難なので、光学素子の非対称な面形状に
ついては正しく測定できない。また、型でも同様の問題
があった。

【０００４】一方、試料表面の３次元座標を高精度で測
定できる装置として、３次元測定機があるが、一般的に
装置自体の絶対座標系を持たないので、絶対形状が測定
できないという問題点がある。

【０００５】このような中、本出願人は、特願平１１−
２３０３９８号において、被検光学素子の絶対形状を求
めるために、被検物である光学素子を保持する部材の一
部に３次元測定機の座標基準となる部分を設けて、この
部分を光学素子の形状と同時に測定し、得られた測定値
をその基準に対する座標に変換してから、所定の関数に
あてはめることにより、光学素子の面形状を測定するこ
とを提案している。また、この出願において、光学素子
あるいは型の外周の座標を測定するようにして、保持具
に座標基準を設けることを省くことも提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の特願平１１−２
３０３９８号の場合は、プローブを被検光学素子の面に
接触させる接触式の３次元測定機を念頭においていたた
め、絶対形状を決める座標基準を保持具に設けたり、光
学素子等の外周の座標を測定している。これは、プロー
ブを被検面に接触する場合に、その面のエッジの位置を
正確に測定できないことに原因がある。

【０００７】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、被検物である光
学素子あるいはその型の３次元座標の測定データから、
光学素子あるいはその型の相互の位置を求める形状測定
方法及び装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光学素子及びその型の形状測定方法は、被検物たる
光学素子あるいはその型の３次元座標を測定する３次元
座標測定手段により得られた３次元座標の測定データか
ら、光学素子あるいはその型の相互の位置を求めること
を特徴とする方法である。

【０００９】この場合に、３次元座標測定手段により得
られた３次元座標の測定データから、各被検物の外周部
あるいは内周部の複数のエッジの座標値を検出し、検出
した座標値から被検物間相互の位置を算出することが望
ましい。

【００１０】そして、各面に配置したマークの座標値か
らローカル座標系を算出することが望ましい。

【００１１】本発明においては、被検物たる光学素子あ
るいはその型の３次元座標を測定する３次元座標測定手
段により得られた３次元座標の測定データから、光学素
子あるいはその型の相互の位置を求めるので、光学素子
あるいはその型の相互の相対位置、位置ずれを正確に測
定することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学素子及びその
型の形状測定方法と装置に関する原理と実施例について
図面を参照にして説明する。

【００１３】本発明の測定方法に用いる３次元測定機と
しては、非接触光プローブで被検物の位置を測定するオ
ートフォーカスタイプの非接触３次元測定機、共焦点顕
微鏡タイプの非接触３次元測定機等がある。まず、これ
らの原理を説明する。

【００１４】図１は、オートフォーカスタイプの非接触
３次元測定機（例えば、特開２０００−１４６５３２）
の構成を概略的に示す図であり、レーザ１１から出たレ
ーザ光は、ミラー１３、１２を経て、対物レンズ１５に
入射し、光軸中心の対物レンズ１５の焦点面に向かって
進み、被検物Ｏの被測定面１に入射して反射し、再び対
物レンズ１５を通って、ミラー１２、１３、１４を経
て、光位置検出装置１７に結像する。対物レンズ１５の
フォーカスが被測定面１に合っていないとき、光位置検
出装置１７の結像位置が変化するので、この位置変化を
光位置検出装置１７が捉え、移動機構１６により対物レ
ンズ１５をフォーカスする方向に移動させ、フォーカス
が合ったときの対物レンズ１５の位置により被測定面１
のＺ軸方向の高さが測定でき、また、被検物Ｏが載置さ
れたＸＹステージ１８の対物レンズ１５の光軸に対する
位置によりＸ−Ｙ面の位置が分かる。このようにして、
被検物Ｏの被測定面１の３次元形状が測定できる。

【００１５】図２は、共焦点顕微鏡タイプの非接触３次
元測定機の構成を概略的に示す図であり、光源２１から
出た光は第１ピンホール２２を照射し、第１ピンホール
２２を通過した光は、ハーフミラー２３で反射され、対
物レンズ２４に入射し、光軸中心の対物レンズ２４の像
点位置に向かって進み、被検物Ｏの被測定面１に入射し
て反射し、再び対物レンズ２４を通って、ハーフミラー
２３を透過し、第１ピンホール２２と共役な位置に配置
されが第２ピンホール２５を通過し、光検出器２６に入
射する。被測定面１が第１ピンホール２２と共役な位置
にないとき、第１ピンホール２２から出た光は第２ピン
ホール２５を通過できないので、光検出器２６は光を検
知しない。このような系全体を移動機構２７により光軸
方向に移動させ、光検出器２６が光を検知したときの位
置により被測定面１のＺ軸方向の高さが測定でき、ま
た、被検物Ｏが載置されたＸＹステージ２８の対物レン
ズ２４の光軸に対する位置によりＸ−Ｙ面の位置が分か
る。このようにして、被検物Ｏの被測定面１の３次元形
状が測定できる。

【００１６】以上のような非接触３次元測定機の位置検
出用の光ビームを光プローブ２と呼ぶ。

【００１７】この非接触の光プローブ２を用いて被検物
Ｏの被測定面１を走査することにより、面形状を表す測
定データが得られるが、図３に被検物Ｏの被測定面１の
端部近傍の模式的な拡大断面図を示す。被検物Ｏは被測
定面１と周囲の側面３を有し、被測定面１の側面３との
境面４は丸みを帯びた面となっている。この境面４は被
測定面１のエッジと呼ぶべきものではなく、被測定面１
が丸みを帯び境面４に繋がる位置５がエッジ５と定義で
きる。具体的には、被測定面１から所定の微小な設定値
（例えば１μｍ）だけ変化している位置をエッジ５と定
義する。このエッジ５は、光プローブ２で被検物Ｏの被
測定面１を走査してその３次元位置を測定することによ
り容易に検出できる。

【００１８】また、エッジ５と異なる位置に設けたマー
ク６も光プローブ２によって読み取ることができる。マ
ーク６としては、十字線等の反射率、吸収率が被測定面
１と異なるマークや、刻印したマーク等が可能であり、
これらのマーク６は光プローブ２で読み取ることができ
る。また、被検物Ｏの光学素子が取り付けられた枠との
境界、枠に設けられたマーク、被検物Ｏの光学素子の外
形、被測定面１上に設けられた反射層、開口等の境界も
マーク６として用いることができる。

【００１９】本発明においては、このような光プローブ
２によって測定されたエッジ５あるいはマーク６の位置
から、例えば被検物Ｏの基準座標を求め、得られた測定
値をその基準に対する座標に変換して、その変換した測
定データを設計面形状との差である面形状誤差に変換
し、その面形状誤差を表わす関数へのあてはめを行うこ
とにより、光学素子の面形状を測定する。レンズの外形
形状又はマークの位置を基に、レンズ面Ｓ（ｘ_s ，
ｙ_s ，ｚ_s ）の基準原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）を決める例
を説明する。

【００２０】図４（ａ）に斜視図、図４（ａ）に平面図
を示すように、Ｘ−Ｙ−Ｚを上記のような光プローブ２
を用いた非接触３次元測定機の座標系とし、Ｘ_s −Ｙ_s
−Ｚ _s を被測定面であるレンズ面Ｓの座標系とする。面
形状Ｓ（ｘ_s ，ｙ_s ，ｚ_s ）を定義するための基準座標
系Ｘ_s −Ｙ_s −Ｚ_s の原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）を求める
場合、図４のように、測定機の座標Ｘ，Ｙ軸上の点Ａ
（ｘ_a ，ｙ_a ，ｚ_a ），Ｂ（ｘ_b ，ｙ_b ，ｚ_b ），Ｃ
（ｘ_c ，ｙ_c ，ｚ_c ），Ｄ（ｘ_d ，ｙ_d ，ｚ_d ）の４点
を光プローブ２によって測定する。この４点は何れも上
記のエッジ５上の点である。測定した座標値から、 ｘ_s0＝（ｘ_b −ｘ_a ）／２ ，ｙ_s0＝（ｙ_d −ｙ_c ）／２ ・・・（１） として、基準原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）が求められ、光プ
ローブ２を用いて得られたレンズ面Ｓの測定値をその基
準座標に対する値に変換して、その変換した測定データ
を設計面形状との差である面形状誤差に変換し、その面
形状誤差を表わす関数へのあてはめを行うことにより、
面形状Ｓを測定する。

【００２１】また、測定機の座標軸上の点に限定するこ
となく、レンズ面Ｓのエッジ５が円であることを前提と
して、任意のエッジ５上の点を複数測定し、円の方程
式、 ｘ² ＋ｙ² ＋２ｆｘ＋２ｇｙ＋ｈ＝０ ・・・（２） に最小二乗法等を用いてその測定値をフィッティングす
ること（あてはめること）によりｆ，ｇを求め、 ｘ_s0＝−ｆ ，ｙ_s0＝−ｇ ・・・（３） として、基準原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）を求めるようにし
てもよい。

【００２２】上記においては、レンズ面Ｓのエッジ５上
の点を用いて基準原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）を求めている
が、予めレンズ面Ｓの周辺近傍に設けたマーク６（図
３）の位置を検出して基準原点Ｏ_s （ｘ_s0，ｙ_s0）を求
める場合も、上記と同様にして算出できる。

【００２３】なお、面形状を表す測定データを上記のよ
うに正しい基準座標に対する値に変換しないで、あるい
は、基準座標に対して誤差を持ったまま、所定の関数に
あてはめると、その被測定面Ｓが設計通りの面形状であ
ったとしても、面形状に誤差があると判定されたり、あ
るいは、被測定面Ｓが例えば回転対称非球面の場合に、
誤差関数中にコマ収差成分が現れ、その被測定面のコマ
収差成分なのか、基準座標のずれによるものなのか判別
できず、コマ収差成分を正確に測れなくなる。したがっ
て、光学素子及びその型の形状測定の場合、被測定面Ｓ
の基準原点を求めることは極めて重要なことである。

【００２４】次に、レンズ面Ｓの偏心測定の例について
説明する。図５に示すように、測定機のＹ軸に対するレ
ンズ面ＳのＹ_s 軸の偏心量α_y を求める場合には、光プ
ローブ２を用いた非接触３次元測定機の座標系Ｘ−Ｙ−
Ｚと、被測定面であるレンズ面Ｓの座標系Ｘ_s −Ｙ_s −
Ｚ_s の１つの座標軸ＸとＸ_s を一致させておき、図５の
ように例えば点Ａ（ｘ_a ，ｙ_a ，ｚ_a ），Ｂ（ｘ_b ，ｙ
_b ，ｚ_b ），ｘ_a ＝ｘ _b を測定する。この偏心測定の場
合は、点Ａ，Ｂは上記のエッジ５上に選ぶよりは、その
エッジ５から一定の微小距離面内に入った点、あるい
は、レンズ面Ｓが回転対称非球面の場合は面形状Ｓ（ｘ
_s ，ｙ_s ，ｚ_s ）の偏微分値∂Ｓ／∂ｘ_s＝∂Ｓ／∂ｙ
_s ＝∂Ｓ／∂ｚ_s ＝ｃｏｎｓｔ．となる点等を選択す
る。ここで、偏心測定においてエッジ５上の点を用いな
い理由は、エッジ５は面形状Ｓ（ｘ_s，ｙ_s ，ｚ_s ）を
必ずしも十分に反映していないためである。また、マー
ク６を用いるときは、そのマーク６を光プローブ２を用
いて検出し、同様に座標値を測定する。上記のようにし
て測定した点Ａ，Ｂの座標値から、 α_y ＝ａｒｃｔａｎ｛（ｚ_a −ｚ_b ）／（ｙ_a −ｙ_b ）｝ ・・・（４） として求まる。このようにして測定された何点かの組か
らα_y を求め、その平均値を真のα_y と決定してもよ
い。α_x も同様である。

【００２５】次に、上記のような光プローブ２を用いた
非接触３次元測定機を用いて、被検光学素子Ｏの２次元
絶対形状を求める装置の基本的構成を図６に示す。この
装置は、上記のような光プローブ２を用いて非接触で３
次元座標を測定する３次元測定機３０と、レンズ、非球
面レンズ、ミラー、非球面ミラー等の被検光学素子Ｏ
と、測定データから形状を求めるデータ処理部３１とか
ら構成されている。

【００２６】図７は、図６に示すような構成の装置によ
り、被検光学素子Ｏの被測定面１の形状を測定する際の
手順の流れを示す図である。まず、手順４１で、図４で
示したように、光プローブ２を用いて被検光学素子Ｏの
エッジ５あるいはマーク６の位置を検出し、次の手順４
２で、例えば式（１）に基づいて被検光学素子Ｏの基準
座標位置を検出する。

【００２７】手順４１の前、後、あるいは、同時に、手
順４３で、被検光学素子Ｏの被測定面１に沿って光プロ
ーブ２を移動させながら被検光学素子２の被測定面１の
面形状を測定する。

【００２８】さらに、手順４１、４３の前、後、あるい
は、同時に、手順４４で、図５で示したように、光プロ
ーブ２を用いて被検光学素子Ｏのエッジ５から一定の微
小距離面内に入った点等の位置を検出し、次の手順４５
で、例えば式（４）に基づいて被検光学素子Ｏの被測定
面１の偏心量を算出する。

【００２９】手順４６で、手順４１と４２で求めた基準
座標位置に対して、手順４４と４５で求めた偏心量を考
慮しながら、手順４３で求めた被検光学素子２の被測定
面１の面形状測定データの変換を行う。このようにして
求めた面形状データは、点列のまま面形状としてもよい
し、点列をある関数にあてはめて面形状としてもよい。
そのような関数としては、多項式、自由曲面多項式、ア
ナモルフィック多項式、べき級数、ツェルニケ多項式、
スプライン関数、点列の補間等がある。

【００３０】こうして求めた測定データを設計面形状と
の差、すなわち面形状誤差に変換する。手順４７で、面
形状誤差を表わす関数へのあてはめを行うが、その関数
として、例えばツェルニケ多項式を用いればよいが、そ
の他ではスプライン関数、又は、多項式や点列データの
補間等を用いてもよい。ここで、測定データそのもので
なく、設計面形状との誤差をとって関数へのあてはめを
行うのは、干渉計測の波面収差成分と対応しやすくする
ためである。

【００３１】そして、手順４８で、その面形状誤差デー
タを表わす関数へあてはめた結果の誤差であるあてはめ
誤差（フィッティングエラー）の確認を行う。

【００３２】最後に、手順４９で、以上の結果から絶対
面形状の評価を行う。

【００３３】以上の方法は、被検光学素子Ｏに限らず、
その型にも適用できる。

【００３４】ところで、図５で説明したようなレンズ面
の偏心量の測定を用いて、レンズの両面間の偏心を測定
することができる。その実施例を説明する。

【００３５】図８は、被検レンズＬの周辺面を３点で保
持することにより、被検レンズＬの外径中心軸を再現性
良く保持することができるような形状の被検レンズＬの
場合の両面間偏心の測定方法を説明するための図であ
り、図８（ａ）に示すように、３点保持具５１でこのよ
うな被検レンズＬを保持する。３点保持具５１で被検レ
ンズＬを保持した上で、図８（ｂ）のように、被検レン
ズＬの一方の面１Ａを非接触３次元測定機に向けて、図
５で説明したような原理で面１Ａの偏心量を測定し、次
に、非接触３次元測定機を固定したままで、図８（ｃ）
に示すように、図８（ｂ）の平面内で１８０°回転した
配置に３点保持具５１と共に被検レンズＬを回転させて
今度は被検レンズＬの他方の面１Ｂを非接触３次元測定
機に向けて、同様に面１Ｂの偏心量を測定する。面１Ａ
と面１Ｂをそれぞれ測定したときの両者の位置関係を考
慮しながら、それぞれの面１Ａ、１Ｂの軸の傾きの差を
求めることで、被検レンズＬの面間偏心を求めることが
できる。

【００３６】図９は、被検レンズＬの周辺面を３点で保
持することにより、被検レンズＬの外径中心軸を再現性
良く保持することが困難な面形状の被検レンズＬの場
合、あるいは、図８の面間偏心測定方法を精度良く行う
場合の両面間偏心の測定方法を説明するための図であ
り、この場合は、被検レンズＬを保持した保持具５２を
軸５３の周りで正確に１８０°回転できるような機構を
設ける。そして、その回転中に保持具５２がステージ１
８（２８）及び非接触３次元測定機３０の対物レンズ１
５（２４）と干渉しないように、保持具５２はステージ
１８（２８）より十分上方に設け、保持具５２の回転中
は対物レンズ１５（２４）は上方に待避するようにすれ
ばよい。そして、図８の場合と同様にして、面１Ａと面
１Ｂの偏心量をそれぞれ測定し、面１Ａ、１Ｂの軸の傾
きの差を求めることで、被検レンズＬの面間偏心を求め
ることができる。

【００３７】図１０は、被検レンズＬの面間偏心をさら
に精度良く行う場合の両面間偏心の測定方法を説明する
ための図であり、この場合は、保持具５２を固定して被
検レンズＬを空中に保持した状態で、その両面側に配置
した２台の非接触３次元測定機３０、３０’で被検レン
ズＬの面１Ａと１Ｂそれぞれに対して対物レンズ１５
（２４）を走査するようにすればよい。

【００３８】次に、上記のような光プローブ２を用いた
非接触３次元測定機を用いて、複数のレンズからなる光
学系のレンズ間の位置ずれを測定する方法の例を説明す
る。図１１（ａ）に示すように、レンズＬ１〜Ｌ３から
なる被検物（光学系）Ｏの側面を光プローブ２で光軸に
沿う異なる２つの方向Ａ、Ｂに走査して、各レンズＬ１
〜Ｌ３の側面位置を求めると、図１１（ｂ）に示すよう
な測定信号が得られる。図１１（ｂ）において、実線は
方向Ａに走査した場合の側面位置を表し、破線は方向Ｂ
に走査した場合の側面位置を表している。レンズＬ１を
基準にすると、レンズＬ２は走査位置Ｂ側にｄだけずれ
ていてｄ／２だけ心ずれがあり、レンズＬ３は相対的に
心ずれがないことが分かる。

【００３９】次に、図１２に、例えば自由曲面からなる
２つのプリズムＰ１、Ｐ２の相互の位置ずれ、各プリズ
ムＰ１、Ｐ２の面間の位置ずれを測定する例を示す。こ
の場合は、図１２（ａ）に示すように、光プローブ２で
各プリズムＰ１、Ｐ２の側面（外周面）のエッジを検出
して、設計値にあてはめることにより、図１２（ｂ）に
示すように、その側面に交差している各有効面のローカ
ル座標を算出する。そして、そのローカル座標間の相対
位置を算出することにより、各プリズムＰ１、Ｐ２の有
効面間の位置ずれが測定できる。また、プリズムＰ１と
プリズムＰ２の相対位置を測定することができる。各プ
リズムには位置決め用のマーク、凹凸、穴、線等を設け
ておくとよい。

【００４０】次に、各プリズムＰ１、Ｐ２に位置決め用
のマークを設けた場合の測定手法について説明する。

【００４１】図１３は、自由曲面からなる２つのプリズ
ムＰ１、Ｐ２を組み合わせた光学系を示している。ここ
で、各プリズムＰ１、Ｐ２の各光学面ＯＳの面間の偏
心、及び、各プリズムＰ１、Ｐ２の相対位置を測定する
方法について説明する。各プリズムＰ１、Ｐ２は、プリ
ズムを構成する各光学面ＯＳのエッジ部に複数の三角錐
状のマークＭが配置されている。

【００４２】ここで、光学面ＯＳのローカル座標系にお
ける位置は既知のものとする。そのため、各マークＭの
加工は、光学素子Ｐ１、Ｐ２の各面ＯＳ、ＳＳを加工す
る際に、同時に各光学面ＯＳ毎に予め指定した位置に作
製することが望ましい。また、成形で光学素子Ｐ１、Ｐ
２を作製する場合には、成形用金型にマークＭを光学面
ＯＳの加工と同時に付けるようにするとなおよい。この
ように加工した型を使用して成形することにより、作製
したプリズムＰ１、Ｐ２の各光学面ＯＳの所望の位置に
マークＭを設けることができる。なお、図１３中、面Ｓ
Ｓは各プリズムＰ１、Ｐ２の側面である。

【００４３】ただし、各マークＭのローカル座標系にお
ける位置が不明の場合には、各光学面ＯＳ毎に面形状の
測定を行い、同時に、各光学面ＯＳにおける各マークＭ
のローカル座標位置を算出しておけばよい。この場合、
例えば、まず、図１４に示すように、光学面ＯＳの形状
を測定し、その測定データ値と設計値をフィッティング
することで、図１５に示すように光学面ＯＳのローカル
座標系を定義する。さらに、同様に、マークＭの位置を
先の測定で定義した座標系を用いて測定して算出する。
これにより、マークＭのローカル座標位置を精度良く導
出することができる。

【００４４】さらに、各光学面ＯＳに設置したマークＭ
は、他の光学面ＯＳに設置したマークＭと略同一平面内
になるように配置する。図１６は、図１３で示した被検
物Ｐ１、Ｐ２を側面ＳＳより観察したときの様子を示し
ているが、各光学面ＯＳのマークＭはエッジ部に設けて
おり、各マークＭがサンプルＰ１、Ｐ２の側面ＳＳ上に
配置されるようにしてある。したがって、サンプルＰ
１、Ｐ２を側面ＳＳ側から３次元測定機を用いて測定す
ることにより、各マークＭの位置を同じ座標系を用いて
容易に測定することができる。このとき、３次元形状測
定機等として、例えば光プローブ２を用いると、図１３
に示したような三角錐状のマークＭの頂点の位置を求め
ることが可能となるため、マークＭが示す位置を正確に
検出することができる。なお、このとき、測定に用いる
座標系は各光学面ＯＳ毎に規定した座標系と一致させる
必要はない。

【００４５】このとき、略同一平面上に配置したマーク
Ｍは、各光学面ＯＳ毎に少なくとも２つ以上設けること
が望ましい。図１６で示した光学系では、側面ＳＳ上で
の各光学面ＯＳのエッジ部にそれぞれ２つずつマークＭ
を配置してある。ここで、側面ＳＳ上のマークＭの位置
を測定した結果の中、同じ光学面ＯＳのエッジ部に配置
した２つのマークＭの座標から、各光学面ＯＳのローカ
ル座標系を算出することができる。

【００４６】このような解析を側面ＳＳから観察した全
ての光学面ＯＳについて実施することで、各光学面ＯＳ
のローカル座標系を算出することができる。この結果、
各光学面ＯＳのローカル座標間の相対位置を求めること
ができるため、光学面ＯＳの面間の偏心を求めることが
できる。また、複数のプリズムＰ１、Ｐ２においても、
同様の手法により、各プリズムＰ１、Ｐ２の各光学面Ｏ
Ｓのローカル座標を定義することができるため、各プリ
ズムＰ１、Ｐ２の光学面ＯＳのローカル座標間の相対位
置を算出することにより、プリズムＰ１、Ｐ２間の相対
位置を求めることもできる。

【００４７】なお、マークＭを光学素子Ｐ１、Ｐ２を形
成する各面ＯＳのエッジ部に配置することで、異なる２
方向からマークＭの位置を検出することが可能となる。
これにより、各面ＯＳ毎の面形状の測定と側面ＳＳ側か
らの測定が容易に行うことができる。ただし、マークＭ
を光学面ＯＳに設けたことによるゴースト、フレア等の
光学性能劣化が生じる場合があるので、マークＭを設置
する位置はそれらの影響の小さいところを選択する必要
がある。

【００４８】上記手法において、偏心測定の精度を高め
るためには、マークＭの測定精度を高める必要がある。
そのためには、各マークＭに検出しやすい境界部、点、
線等を作製する必要がある。ところが、一般に光学素子
の面形状加工には、図１７（ａ）に示すようなバイト７
１を用いている。このバイト７１は滑らかな面形状を作
製するのに適している一方で、鋭角なマークの形状を作
製するのには向いていない。そこで、例えば、図１７
（ｂ）に示すような同軸に面形状加工用バイト７１とマ
ーク加工用バイト７２の２種類のバイト７１、７２を取
り付け、それぞれのバイト７１、７２で面ＯＳとマーク
Ｍを別個に加工するようにするとなおよい。このような
バイトを用いることで、バイトの着脱なしで、光学面Ｏ
Ｓの面形状作製後に所望の位置にマークＭを同時加工す
ることが可能となる。

【００４９】また、完成した光学素子Ｐ１、Ｐ２のエッ
ジ部にマークＭを後から加工して追加しても、面形状を
解析することで各マークＭのローカル座標を算出するこ
とができる。したがって、このようにマークＭを追加工
したサンプルＰ１、Ｐ２においても、各マークＭの各面
ＯＳにおけるローカル座標を算出することができる。こ
のような場合、マーク加工用の特別なバイトは必要な
く、既存のサンプルにおいても測定することが可能にな
る。

【００５０】なお、図１３で示した各面ＯＳのマークＭ
は、各面ＯＳ毎上下２つずつであったが、マークＭの数
はこれに限定されるものではなく、それ以上の数のマー
クＭを配置してもよい。これにより、各光学面ＯＳのロ
ーカル座標の定義の精度を高めることができる。

【００５１】また、図１３ではマークＭの形状を、三角
錐として示したが、これに限定されるものではなく、例
えば、図１８（ａ）に示すような四角柱、図１８（ｂ）
に示すような円錐でもよい。さらに、各マークＭは、エ
ッジ等の検出が容易であり、位置検出が可能な形状であ
れば、どのような形状でもよく、例えば十字状のマーク
等でもよい。また、マークＭは凸形状に限定するもので
もなく、図１８（ｃ）に示すような凹形状でもよい。さ
らに、図１８（ｄ）に示すような溝、若しくは、図１８
（ｅ）に示すような臍（ほぞ）状の形状でもよい。

【００５２】次に、白色干渉計あるいは顕微干渉計、あ
るいは干渉計を用いてデフォーマブルミラー等の被検光
学素子の被測定面の微細な凹凸形状、うねり、粗さを測
定する例について説明する。白色干渉計は、図１９に構
成を概略的に示すように、ハロゲンランプ、ＬＥＤ、ス
ーパールミネッセントダイオード等のコヒレンシーの短
い光を発光する光源６１から出た光はハーフミラー６２
で反射され、対物レンズ６３に入射し、対物レンズ６３
の像点位置に向かって進み、その間に配置されたハーフ
ミラー６４で一部の光が反射され、対物レンズ６３の射
出側の面の中心に配置された中心ミラー６５で反射さ
れ、その反射光は再びハーフミラー６４で反射され、対
物レンズ６３へ戻っていく。対物レンズ６３からハーフ
ミラー６４に入射した光の中、ハーフミラー６４を透過
した光は、被検物Ｏの被測定面１に入射して反射され、
再びハーフミラー６４に入射してそれを透過する。対物
レンズ６３の中心ミラー６５で反射されてハーフミラー
６４で反射されて対物レンズ６３に戻った光と、ハーフ
ミラー６４を透過し被検物Ｏの被測定面１で反射されハ
ーフミラー６４を透過して対物レンズ６３に戻った光と
は、対物レンズ６３で集光され、ハーフミラー６２を透
過して光検出器６６に入射する。ハーフミラー６４から
中心ミラー６５までの距離と、ハーフミラー６４から被
測定面１までの距離が等しい場合にのみ、両光は干渉し
て強め合うので、その干渉信号を光検出器６６で検知
し、その検知信号に基づいて対物レンズ６３、中心ミラ
ー６５、ハーフミラー６４全体を移動機構６７により光
軸方向に移動させ、検知信号が最も大きくなる位置によ
り被測定面１のＺ軸方向の高さが測定できる。

【００５３】したがって、このような白色干渉計を用い
てデフォーマブルミラー等の被検光学素子Ｏの被測定面
１の微細な凹凸形状、うねり、粗さを測定することがで
きる。顕微干渉計あるいは通常の干渉計（フィゾー型
等）を用いても、デフォーマブルミラー等の非接触な測
定が可能である。なお、デフォーマブルミラーの反射面
の中、光束が通らない部分、あるいは、基準となるデフ
ォーマブルミラーの枠部にも反射コートを施しておく
と、干渉計を用いて形状測定を行うとき便利である。そ
れらの有効光束外の反射コートが基準面となり、それに
対するデフォーマブルミラーの形状を測定すれば、ミラ
ーの変形量が分かり良いからである。

【００５４】ここで、本発明の測定対象となる被検光学
素子Ｏの具体例としては、通常の軸対称な球面レンズ、
非球面レンズ、両面非球面レンズ、それらを組み合わせ
てなるレンズ系があり、また、反射屈折光学系を構成す
るプリズム、その面の何れかが自由曲面等の回転非対称
面からなる自由曲面プリズム、変形可能なデフォーマブ
ルミラー、デフォーマブルレンズ、デフォーマブルプリ
ズムの面形状、位置ずれ、偏心等を測定することもでき
る。さらには、これらの光学素子が枠に一体に取り付け
られているもの、あるいはユニット化されているものの
面形状、位置ずれ、偏心等を測定することができる。な
お、デフォーマブルレンズとしては、合成ゴム等の弾性
変形可能な材料からなるレンズ、ソフトコンタクトレン
ズ、可変焦点レンズ等がある。なお、デフォーマブルミ
ラーとしては、静電気力によって駆動するタイプ、電磁
気力によって駆動するタイプ、圧電材料、電歪材料、磁
歪材料を用いて形状を変化させるタイプ等がある。ま
た、それらは単品でも、中間品でも、組み付けた最終製
品でも測定対象になる。

【００５５】もちろん、本発明測定方法及び測定装置
は、レンズやプリズム等の光学素子だけではなく、その
光学素子を一体成形する型の測定にも使用可能である。

【００５６】なお、被検光学素子あるいはその型の面形
状、位置等を測定する非接触３次元測定機としては、図
１、図２、図１９で説明したような光プローブを用いる
ものに限らず、超音波を用いるものであっても利用可能
である。

【００５７】以上の本発明の光学素子及びその型の形状
測定方法及び装置は例えば次のように構成することがで
きる。

【００５８】〔１〕 被検物たる光学素子あるいはその
型の３次元座標を測定する３次元座標測定手段を用い、
前記３次元座標測定手段により得られた測定データを形
状を表わす関数にあてはめる処理を行うことを特徴とす
る光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００５９】〔２〕 被検物たる光学素子あるいはその
型の３次元座標を測定する３次元座標測定手段により得
られた３次元座標の測定データから、被検物外周部ある
いは内周部の複数のエッジ、あるいは、被検物に設けた
光学的に検出可能な複数のマーク、あるいは、そのエッ
ジ又はマークに基づいて定められた位置の座標値を検出
し、検出された座標値から座標基準位置を算出し、座標
基準位置を元に形状を表わす関数にあてはめる処理を行
うことを特徴とする光学素子及びその型の形状測定方法
及び装置。

【００６０】〔３〕 被検物たる光学素子あるいはその
型の３次元座標を測定する３次元座標測定手段により得
られた３次元座標の測定データから、光学素子あるいは
その型の偏心を求めることを特徴とする光学素子及びそ
の型の形状測定方法及び装置。

【００６１】〔４〕 被検物たる光学素子あるいはその
型に非接触で３次元座標を測定する３次元座標測定手段
を用いたことを特徴とする上記１から３の何れか１項記
載の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００６２】〔５〕 被検物たる光学素子あるいはその
型に非接触光プローブで３次元座標を測定する３次元座
標測定手段を用いたことを特徴とする上記１から３の何
れか１項記載の光学素子及びその型の形状測定方法及び
装置。

【００６３】〔６〕 弾性変形可能な材料からなる被検
物たる光学素子あるいはその型に、非接触で３次元座標
を測定する３次元座標測定手段を用いることを特徴とす
る上記１から３の何れか１項記載の光学素子及びその型
の形状測定方法及び装置。

【００６４】〔７〕 弾性変形可能な材料からなる被検
物たる光学素子あるいはその型に、非接触光プローブで
３次元座標を測定する３次元座標測定手段を用いること
を特徴とする上記１から３の何れか１項記載の光学素子
及びその型の形状測定方法及び装置。

【００６５】〔８〕 被検物たる光学素子あるいはその
型が非球面レンズあるいはその型であることを特徴とす
る上記１から７の何れか１項記載の光学素子及びその型
の形状測定方法及び装置。

【００６６】

〔９〕 被検物たる光学素子あるいはその
型が自由曲面を持つものであることを特徴とする上記１
から７の何れか１項記載の光学素子及びその型の形状測
定方法及び装置。

【００６７】〔１０〕 被検物たる光学素子が可変ミラ
ーであることを特徴とする上記１から７の何れか１項記
載の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００６８】〔１１〕 被検物たる光学素子あるいはそ
の型が両面非球面レンズあるいはその型であることを特
徴とする上記１から７の何れか１項記載の光学素子及び
その型の形状測定方法及び装置。

【００６９】〔１２〕 被検物たる光学素子が枠に一体
に取り付けらたレンズであることを特徴とする上記１か
ら７の何れか１項記載の光学素子及びその型の形状測定
方法及び装置。

【００７０】〔１３〕 被検物たる光学素子がユニット
に組み上げられたレンズであることを特徴とする上記１
から７の何れか１項記載の光学素子及びその型の形状測
定方法及び装置。

【００７１】〔１４〕 被検物たる光学素子あるいはそ
の型に光学的に検出可能なマークを設けることを特徴と
する上記１から１３の何れか１項記載の光学素子及びそ
の型の形状測定方法及び装置。

【００７２】〔１５〕 面形状を表わす関数として、多
項式、自由曲面多項式、アナモルフィック多項式、べき
級数、ツェルニケ多項式、スプライン関数の何れかを用
いたことを特徴とする上記１又は２記載の光学素子及び
その型の形状測定方法及び装置。

【００７３】〔１６〕 上記１から１５の何れか１項記
載の光学素子及びその型の形状測定方法を用いているこ
とを特徴とする面形状測定装置。

【００７４】〔１７〕 複数の光学面を持つ光学素子の
複数の面の３次元座標測定手段により得られた３次元座
標の測定データから、複数の面の面間偏心を求めること
を特徴とする光学素子及びその型の形状測定方法及び装
置。

【００７５】〔１８〕 複数の面を持つ光学素子を保持
したまま所定角回転させる回転治具を用いることを特徴
とする上記１７記載の光学素子及びその型の形状測定方
法及び装置。

【００７６】〔１９〕 複数の面を持つ光学素子を保持
したまま複数の面の３次元座標を測定することを特徴と
する上記１７記載の光学素子及びその型の形状測定方法
及び装置。

【００７７】〔２０〕 被検物たる光学素子あるいはそ
の型の３次元座標を測定する３次元座標測定手段により
得られた３次元座標の測定データから、光学素子あるい
はその型の相互の位置を求めることを特徴とする光学素
子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００７８】〔２１〕 ３次元座標測定手段により得ら
れた３次元座標の測定データから、各被検物の外周部あ
るいは内周部の複数のエッジの座標値を検出し、検出し
た座標値から被検物間相互の位置を算出することを特徴
とする上記２０記載の光学素子及びその型の形状測定方
法及び装置。

【００７９】〔２２〕 各エッジの座標値から、被検物
間相互の位置を算出する際に各被検物を構成する面毎に
ローカル座標を算出することを特徴とする上記２１記載
の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００８０】〔２３〕 被検物たる光学素子あるいはそ
の型の光軸に対して略垂直な方向より非接触光プローブ
を入射し、その非接触光プローブを光軸に沿って略平行
に走査することを特徴とする上記２０から２２の何れか
１項記載の光学素子及びその型の形状測定方法及び装
置。

【００８１】〔２４〕 非接触光プローブを少なくとも
異なる２方向において走査することを特徴とする上記２
３記載の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００８２】〔２５〕 被検物が複数のレンズからなる
ことを特徴とする上記２０から２４の何れか１項記載の
光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００８３】〔２６〕 被検物が自由曲面からなる面を
有する光学素子あるいはその型であることを特徴とする
上記２０から２５の何れか１項記載の光学素子及びその
型の形状測定方法及び装置。

【００８４】〔２７〕 白色干渉計を用いて被検物たる
光学素子あるいはその型の面の平面又は凹面又は凸面の
形状、うねり、粗さの少なくとも何れか測定することを
特徴とする光学素子及びその型の形状測定方法及び装
置。

【００８５】〔２８〕 顕微干渉計を用いて被検物たる
光学素子あるいはその型の面の凹凸形状、うねり、粗さ
の少なくとも何れか測定することを特徴とする光学素子
及びその型の形状測定方法及び装置。

【００８６】〔２９〕 干渉計を用いて被検物たる光学
素子あるいはその型の面の凹凸形状、うねり、粗さの少
なくとも何れか測定することを特徴とする光学素子及び
その型の形状測定方法及び装置。

【００８７】〔３０〕 被検物たる光学素子が可変ミラ
ーであることを特徴とする上記２７から２９の何れか１
項記載の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置。

【００８８】〔３１〕 被検物たる光学素子が弾性変形
可能な材料からなる光学素子であることを特徴とする上
記２７から２９の何れか１項記載の光学素子及びその型
の形状測定方法及び装置。

【００８９】〔３２〕 各面に配置したマークの座標値
からローカル座標系を算出することを特徴とする上記２
１記載の光学素子及びその型の形状測定方法及びその装
置。

【００９０】〔３３〕 各面に配置したマークの座標値
から算出したローカル座標系から、光学面間の偏心を算
出することを特徴とする上記３２記載の光学素子及びそ
の型の形状測定方法及びその装置。

【００９１】〔３４〕 各面に配置したマークの座標値
から算出したローカル座標系から、サンプル間の相対位
置を算出することを特徴とする上記３２記載の光学素子
及びその型の形状測定方法及びその装置。

【００９２】〔３５〕 各面に配置したマークの位置を
３次元測定機を用いて測定することを特徴とする上記３
３又は３４記載の光学素子及びその型の形状測定方法及
びその装置。

【００９３】〔３６〕 各面に配置したマークの位置を
光プローブを用いて測定することを特徴とする上記３５
記載の光学素子及びその型の形状測定方法及びその装
置。

【００９４】〔３７〕 被検物に示したマークの位置
は、少なくとも異なる２方向から算出できることを特徴
とする上記３２記載の光学素子及びその型の形状測定方
法及びその装置。

【００９５】〔３８〕 被検物に示したマークは、略同
一平面内に配置されていることを特徴とする上記３２記
載の光学素子及びその型の形状測定方法及びその装置。

【００９６】〔３９〕 被検物に示したマークは、光学
素子を形成する各面のエッジ部に配置されていることを
特徴とする上記３８記載の光学素子及びその型の形状測
定方法及びその装置。

【００９７】〔４０〕 被検物に示したマークは、測定
する面毎に少なくとも２つ以上配置することを特徴とす
る上記３２記載の光学素子及びその型の形状測定方法及
びその装置。

【００９８】〔４１〕 被検物に示したマークは、被検
面を加工する際に同時に加工することを特徴とする上記
４０記載の光学素子及びその型の形状測定方法及びその
装置。

【００９９】〔４２〕 バイトの着脱なしで、被検面の
形状の加工と被検物に示したマークを加工することを特
徴とする上記３２記載の光学素子及びその型の形状測定
方法及びその装置。

【０１００】〔４３〕 被検物に示したマークは、被検
面を加工する際使用したバイトと異なるバイトで加工し
たことを特徴とする上記４２記載の光学素子及びその型
の形状測定方法及びその装置。

【０１０１】〔４４〕 被検物に示したマークを加工す
るバイトと、被検面を加工するバイトとが同軸上に配置
されていることを特徴とする上記４３記載の光学素子及
びその型の形状測定方法及びその装置。

【０１０２】〔４５〕 被検物に示したマークは、被検
面を加工する工程とは異なる工程で加工されていること
を特徴とする上記３２記載の光学素子及びその型の形状
測定方法及びその装置。

【０１０３】〔４６〕 被検物が少なくとも１つの自由
曲面を含むプリズムであることを特徴とする上記３２か
ら４５の何れか１項記載の光学素子及びその型の形状測
定方法及びその装置。

【０１０４】〔４７〕 被検物が自由曲面からなる反射
鏡であることを特徴とする上記３２から４５の何れか１
項記載の光学素子及びその型の形状測定方法及びその装
置。

【０１０５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学素子及びその型の形状測定方法及び装置によれ
ば、被検物たる光学素子あるいはその型の３次元座標を
測定する３次元座標測定手段により得られた３次元座標
の測定データから、光学素子あるいはその型の相互の位
置を求めるので、光学素子あるいはその型の相互の相対
位置、位置ずれを正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において使用可能なオートフォーカスタ
イプの非接触３次元測定機の構成を概略的に示す図であ
る。

【図２】本発明において使用可能な共焦点顕微鏡タイプ
の非接触３次元測定機の構成を概略的に示す図である。

【図３】被検物の被測定面の端部近傍の模式的な拡大断
面図である。

【図４】光プローブを用いた非接触３次元測定機で被測
定面の基準原点の求め方を説明するための図である。

【図５】光プローブを用いた非接触３次元測定機で被測
定面の偏心の求め方を説明するための図である。

【図６】光プローブを用いた非接触３次元測定機を用い
て被検光学素子の２次元絶対形状を求める装置の基本的
構成を示す図である。

【図７】被検光学素子の被測定面の形状を測定する際の
手順の流れを示す図である。

【図８】被検レンズの両面間偏心の測定方法を説明する
ための図である。

【図９】被検レンズの両面間偏心の別の測定方法を説明
するための図である。

【図１０】被検レンズの両面間偏心のさらに別の測定方
法を説明するための図である。

【図１１】光プローブを用いた非接触３次元測定機を用
いて複数のレンズからなる光学系のレンズ間の位置ずれ
を測定する方法の例を説明するための図である。

【図１２】自由曲面からなる２つのプリズムの相互の位
置ずれ、各プリズムの面間の位置ずれを測定する例を説
明するための図である。

【図１３】自由曲面からなる２つのプリズムの相対位置
を測定する方法を説明するための図である。

【図１４】図１３のプリズムの光学面の形状を測定する
様子を示す図である。

【図１５】図１４の測定データ値と設計値をフィッティ
ングすることで光学面のローカル座標系を定義する様子
を示す図である。

【図１６】図１３のプリズムの側面から観察したときの
様子を示す図である。

【図１７】一般の光学素子の面形状加工用のバイトと本
発明に用いるマーク加工用バイトを付加したバイトを説
明するための図である。

【図１８】各光学面のエッジ部に設けるマークの種々の
変形を示す図である。

【図１９】本発明において使用可能な白色干渉計の構成
を概略的に示す図である。

【符号の説明】

Ｏ…被検物 Ｓ…レンズ面（被測定面） Ｌ…被検レンズ Ｍ…マーク ＯＳ…光学面 ＳＳ…側面 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…レンズ Ｐ１、Ｐ２…プリズム １…被測定面 ２…光プローブ ３…側面 ４…境面 ５…エッジ ６…マーク １１…レーザ １２、１３、１４…ミラー １５…対物レンズ １６…移動機構 １７…光位置検出装置 １８…ＸＹステージ ２１…光源 ２２…第１ピンホール ２３…ハーフミラー ２４…対物レンズ ２５…第２ピンホール ２６…光検出器 ２７…移動機構 ２８…ＸＹステージ ３０、３０’…非接触３次元測定機 ３１…データ処理部 ４１〜４９…手順 ５１…３点保持具 ５２…保持具 ５３…軸 ６１…光源 ６２…ハーフミラー ６３…対物レンズ ６４…ハーフミラー ６５…中心ミラー ６６…光検出器 ６７…移動機構 ７１…面加工用バイト ７２…マーク加工用バイト

フロントページの続き (72)発明者 安垣 誠人 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 西岡 公彦 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA12 AA17 AA20 AA53 BB05 BB27 CC00 CC21 CC22 FF44 FF51 GG02 GG04 GG07 JJ16 MM02 MM07 PP12 2F069 AA04 AA15 AA17 AA21 AA66 BB40 GG04 GG07 HH30 JJ19 2G086 FF01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物たる光学素子あるいはその型の３
   次元座標を測定する３次元座標測定手段により得られた
   ３次元座標の測定データから、光学素子あるいはその型
   の相互の位置を求めることを特徴とする光学素子及びそ
   の型の形状測定方法。
2. 【請求項２】 ３次元座標測定手段により得られた３次
   元座標の測定データから、各被検物の外周部あるいは内
   周部の複数のエッジの座標値を検出し、検出した座標値
   から被検物間相互の位置を算出することを特徴とする請
   求項１記載の光学素子及びその型の形状測定方法。
3. 【請求項３】 各面に配置したマークの座標値からロー
   カル座標系を算出することを特徴とする請求項２記載の
   光学素子及びその型の形状測定方法。