JP3728151B2 - Curved surface shape measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明の曲面形状測定装置は、レンズや鏡などの曲面形状を例えば1マイクロメートル以下の高精度で測定する曲面形状測定装置に関するもので、特に比較的曲率の小さい形状、例えば平面ミラーなどの測定を対象としたものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の曲面形状測定装置としては特許公開平05-240624に公開されている装置が知られている。図16、17は従来の装置および動作を示す図である。
【0003】
従来の装置は2つの光源111a、111bを有し、2本の光ビームを被測定物122の2カ所にあて、反射した光ビームの方向をレンズ116とポジションセンサ117で測定する。被測定物122は回転テーブル123の上に載せられている。回転テーブル123は一方向に移動可能なスライドテーブル124に載せられており、制御手段が被測定物の接線角が常に測定可能角度範囲に入るよう、スライドテーブルと回転テーブルを制御している。
【0004】
上記測定配置で測定されるのは反射した光ビーム方向、即ち被測定物の形状の接線角の変化量に相当するので、各傾き状態でのデータを全測定区間において2回積分すると、被測定物の表面形状を算出することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記装置には以下の問題があり、精密な測定を行うことが困難であった。
【0006】
一番目は光源に関する問題で、測定が光源の発生する光ビームの方向のふらつきや、経時的光量変化等の誤差要因に敏感なことである。従来装置では光源が2つあるので、測定誤差を更に大きくする要因となっている。
【0007】
二番目は構成の複雑さの問題で、光源が2つあるため光学的な構成が複雑であると同時に、ポジションセンサが1つのため、2つの光ビームを検出するために、光源を交互に明滅させて測定するといった複雑な制御が必要である。
【0008】
三番目は電気信号検出上の問題で、ポジションセンサは1つでも、信号がそれぞれの光源について出力されるため2つ存在する」ことである。ポジションセンサの検出信号は必ず電気的なノイズを含んでいるため、信号を2つ使用すると測定誤差が大きくなってしまう。
【0009】
四番目は演算処理上の問題で、ポジションセンサーの出力する信号が2つあるため、両者の信号の差をとる演算装置が必要で、演算誤差が含まれる上に構成が複雑となる。
【0010】
五番目は装置環境上の問題で、被測定物の姿勢の変化により被測定物の重力変形の状態が変化することがあげられる。測定中に被測定物の形状が変化すると、測定誤差は更に大きくなる。
【0011】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたもので、本発明の第1の目的は、光源を1つとする構成を取って、光源の与える光量変動等の誤差の影響を小さくすることである。
【0012】
本発明の第2の目的は、光源の発生する光ビームの進行方向を安定させ、光源に起因するポインティングスタビリティの測定誤差に対する影響を少なくすることである。
【0013】
本発明の第3の目的は、ポジションセンサの出力信号を1つとして構成を簡単にし、ポジションセンサの電気ノイズに起因する測定誤差への影響を少なくすることである。
【0014】
本発明の第4の目的は、ポジションセンサの検出する信号から差をとる演算を廃止して構成を簡単にし、演算に伴う誤差を排除することである。
【0015】
本発明の第5の目的は、測定中の被測定物の形状を安定させることである。
【0016】
以上第1から第5までの目的を達成することにより、曲面形状の高精度な測定を行うことが可能となる。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の曲面形状をした被測定物の形状を測定する曲面形状測定装置は、被測定物をセットするベースと、被測定物の被測定面に沿って一方向に移動可能な移動部材で構成されるとともに、測定系として一本の光ビームを発生する光源と被測定物と測定系の間で光を往復させるコーナーキューブ、及び光ビームの進む方向を検出する光検出手段を備え、光源からの光ビームを被測定物の異なる2つの位置に照射して得られる光検出手段の信号と移動部材の位置を記憶する記憶装置のデータから、被測定物の形状を計算することを特徴としている。
【0018】
また、本発明では偏光ビームスプリッタや1/4波長板等の偏光素子を利用すると光の利用効率が高まり、高精度化を図ることができる。偏光を利用する場合の基本的な光路の配置は光源、偏光ビームスプリッタ、1/4波長板、被測定物、1/4波長板、偏光ビームスプリッタ、コーナーキューブ、偏光ビームスプリッタ、1/4波長板、被測定物、1/4波長板、光検出手段という順となり、コーナーキューブを介して被測定物の異なる2箇所を照射して情報を得ることを特徴としている。得られる情報は被測定物の形状の2次微分で、該情報を2回積分することにより、被測定物の形状を求めることができる。
【0019】
本発明の曲面形状測定装置における手段および作用を具体的に示したのが図8、図9である。図8は被測定面が理想的な平面の場合の光路の説明図である。同図では、図示しない光源から出た1本の平行光ビーム(平行光線)(a)をA点で被測定面にあて、反射した光ビーム(b)をコーナーキューブで反射させて光ビーム(c)を発生させる。コーナーキューブは3面の互いに直交する反射面からなる光学素子で、入射した光ビームを入射方向と同じ方向に反射する性質がある。従って光ビーム(a)と光ビーム(c)は平行である。光ビーム(c)はA点と異なるB点において、被測定面で反射し、光ビーム(d)を発生させる。
【0020】
実際の被測定面を想定したのが図9である。光の進みかたは同じであるが、被測定面は一般にA点とB点で傾斜角θa、θbが異なる値を取る。先ず、A点で被測定面から反射する光ビーム(b)は2θa傾斜する。光ビーム(b)と(c)はコーナーキューブの作用により、平行なので、2回目にB点で被測定面から反射した光ビーム(d)の方向はθ=2θa−2θb傾斜し、A点とB点の傾斜角の差が光学的に作り出される。光ビーム(d)の傾斜角を測定するためコリメータレンズを設け、レンズの持つ焦点距離Fだけ離れた場所に光点位置を測定する位置センサーを設ける。位置センサーで測定される距離SはθFなので、既知量Fより光ビーム(d)の傾斜角度が測定できる。
【0021】
ここで座標の方向を図のように横方向をx軸、縦方向をz方向とし、2点の傾斜の差θを、x軸方向の色々な場所で測定する。傾斜は形状の1次微分を示すことから2点の傾斜の差θは、形状の2次微分を示すことに対応する。すなわち、本配置では被測定物の形状のx方向に関する2次微分の値を測定していることになり、続いて数学的な公式、すなわち公知な積分公式を用いれば被測定物の形状を計算することができる。
【0022】
本方式は2点の傾斜の差θ=2θa−2θbを測定しているので2点が同じように傾斜しても検知されない。よって、被測定物全体が傾斜しても測定結果に影響せず、同じように、光源やコーナーキューブなど光学系全体が傾斜しても測定結果に影響しないという利点がある。
【0023】
本発明は、一本の光ビームを用いて測定系を構成できるので、光量変化の影響が自動的に補正されるとともに、構造が簡単である。また、ポジションセンサーの信号はコーナーキューブの効果で、直接2点の傾斜の差を出力するので、従来装置のように2点の傾斜の差を計算する演算装置は必要ない。
【0024】
実際の光学素子には製造誤差があり、光ビームの品質を劣化させ測定誤差を生じさせるため、構造が簡単で素子の数が少ないことの効果は大きい。本発明によれば、少ない光学素子で2点の傾斜の差を検出できるので、光ビームの品質劣化を抑えることができ、高精度な測定が可能となる。
【0025】
本発明の別の構成による手段および作用を示したのが図10、図11である。図10は被測定面が理想的な平面の場合の光路を説明図である。
【0026】
図中、(a)は図示しないレーザーなどの光源からでた光ビームである。光ビーム(a)は電界の振動方向によって2つの偏光成分を持っており、紙面に垂直なものをP波、紙面に水平なものをS波とする。光ビーム(a)を偏光ビームスプリッタ(PBS)に入射させると、P波はそのまま通過し、S波は反射して光ビーム(b)となる。なお、同図では使用しないP波側の光は省略してある。
【0027】
S方向の直線偏光ビーム(b)は4分の1波長板を通って円偏光になり、被測定物である反射面のA点で反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板を通って円偏光から振動方向がP方向の直線偏光に変換される。変換された光ビームは偏光ビームスプリッタを通過し、コーナーキューブに入射する。コーナーキューブは入射する光ビームを同じ方向に反射する性質があるため、コーナーキューブを出た光ビーム(d)は再び偏光ビームスプリッタに入射する。光ビーム(d)はP偏光なので、偏光ビームスプリッタを通過し、4分の1波長板を通った後に円偏光となり、被測定物の反射面のB点で反射して光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板を通ってS方向の振動方向を持つ直線偏光になって、偏光ビームスプリッタで反射し光ビーム(f)となる。
【0028】
次に同光路において、被測定面が完全な平面ではない場合を考える。被測定面の2点、A点、B点は、図11に示したように、偏光ビームスプリッタに対しθa、θbの傾斜角を持っている。傾斜面での反射光は入射光の方向を傾斜角の2倍変化させる性質があるので、被測定面のA点で反射した光ビーム(c)は垂直方向に対して2θa傾斜している。光ビーム(c)はコーナーキューブで反射し、光ビーム(d)となる。コーナーキューブは入射ビームと同じ方向に反射する性質を持っているので、光ビーム(d)も垂直方向に対して2θa傾斜している。
【0029】
光ビーム(d)は次に被測定面のA点と異なるB点で反射するが、反射光は入射光に対して傾斜角の2倍変化する性質があるため、反射する光ビーム(e)は垂直軸に対してθ=2θa−2θb傾斜する。よって光ビーム(f)の方向を測定すれば2点の傾斜の差θを測定できる。光ビーム(f)は図のように光軸に対する傾斜角θと位置ずれδを持っているが、θだけを測定するにはコリメータ系を構成すればよい。具体的には図のようにコリメータレンズを設け、レンズの持つ焦点距離Fだけ離れた場所に光点位置を測定する位置センサーを設けると、測定される距離SはθFとなり、位置ずれδに影響されない。
【0030】
また、位置センサーまでの距離が長い場合にはδの影響より、傾斜角度θの影響の方が大きくなるのでコリメータレンズを省略できる。
【0031】
座標軸を図のように横方向をx軸、縦方向をz方向に取り、x軸方向のいろいろな場所で2点の傾斜の差θを測定する。2点の傾斜の差θは形状の2次微分を示すので、本配置は被測定物の形状のx方向に関する2次微分の値を測定していることになり、2回積分すれば被測定物の形状を計算することができる。
【0032】
本構成も2点の傾斜の差θ=2θa−2θbを測定しているので、2点が同じように傾斜したり、被測定物全体、あるいは光源やコーナーキューブなど光学系全体が傾斜してもθの値は不変で、測定結果は影響を受けない。また、測定系が一本の光ビームとポジションセンサーで構成される簡単な構造で、出力信号もそのまま2点の傾斜の差を表わすので、傾斜の差を計算する演算装置も必要ない。簡単な構成は実際の光学素子で起こる製造誤差による測定誤差を抑え、高精度な測定を可能とする。
【0033】
さらに、本構成を取れば光ビームが被測定物にほぼ垂直に入射するので、被測定物との間の距離が変化しても、光ビームの位置が動かず、被測定物との間の距離に関して制約がない。
【0034】
本発明の別の配置における作用を示したのが図12で、被測定面は理想的な平面とする。
【0035】
同図では光源であるレーザー発振器、コリメータレンズ、位置センサが光学定盤に固定されているのが特徴で、偏光ビームスプリッタ(PBS)、コーナーキューブ(CC)、4分の1波長板はx方向に移動可能な一つの移動部材に固定されている。光学定盤がφ傾斜すると、光ビーム(f)は図のように、光源の方向に傾斜し、水平面に対してφ傾く性質がある。その結果、光ビーム(f)はコリメータレンズの光軸と平行となり、位置センサーの中央に光点を結ぶ。これは光学定盤が傾斜していない場合と同じ結果であることが特徴である。
【0036】
同配置では、光ビームの傾斜角を測定する手段が光源と同じ部材、即ちこの場合には光学定盤に固定されていることが肝要である。同一部材に配置してあれば、光学定盤が傾斜しても測定誤差にならず、同様に移動部材が傾斜しても測定誤差は発生しない。
【0037】
本配置は移動部材に固定する光学系が少ないため、移動部材の小型化に有利である。
【0038】
本発明の別の構成での作用を説明したのが図13で、同図は被測定面が理想的な平面の場合を示している。
【0039】
本構成は図10と偏光ビームスプリッタの使用法が異なる配置である。不図示のレーザー光源からでた光ビーム(a)を偏光ビームスプリッタ(PBS)に入射させると、S波は反射し(不図示)、P波は透過して光ビーム(b)となる。4分の1波長板を通るとP方向の直線偏光ビーム(b)は円偏光になり、被測定物である反射面のA点で反射し、光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板を通って振動方向がS方向の直線偏光に変換される。変換された光は偏光ビームスプリッタで反射し、コーナーキューブに入射する。コーナーキューブは入射する光ビームを入射時と同じ方向に反射して光ビーム(d)とし、偏光ビームスプリッタに入射する。光ビーム(d)はS偏光なので偏光ビームスプリッタで反射し、4分の1波長板から被測定物である反射面でA点と異なるB点で反射して光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板を通りP方向の直線偏光となって、偏光ビームスプリッタを透過し光ビーム(f)となる。以降の光路は図10と同様である。
【0040】
さらに本発明の別の構成での作用を図14を用いて説明する。同図は被測定面が理想的な平面の場合を示している。
【0041】
本構成は図13と偏光ビームスプリッタ後の光学系の配置が異なり、装置全体としてコンパクト化の図れる構成である。
【0042】
不図示のレーザー光源から出た光ビーム(a)は偏光ビームスプリッタ(PBS)に入射すると、S波は反射し(不図示)、P波は透過して光ビーム(b)となる。ミラーで反射した後、4分の1波長板を通るとP方向の直線偏光ビーム(b)は円偏光になり、被測定物である反射面のA点で反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板からミラーで反射して振動方向がS方向の直線偏光に変換される。変換された光は偏光ビームスプリッタで反射し、コーナーキューブに入射する。コーナーキューブは入射する光ビームを入射時と同じ方向に反射して光ビーム(d)とし、偏光ビームスプリッタに入射する。光ビーム(d)はS偏光なので偏光ビームスプリッタで反射し、ミラーで反射して4分の1波長板から被測定物である反射面のA点と異なるB点で反射し、光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板からミラーを介してP方向の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタを透過し光ビーム(f)となる。以降の光路は図10と同様である。
【0043】
本発明の更に別の構成では移動部材を回転可能とし、前構成で用いたミラーをハーフミラーとしてその後に第2の位置センサーを設けて被測定物からの光ビームを検出している。第2の位置センサーからの出力値が一定になるように移動部材を回転する機構を付加して光ビームが常に被測定物に対して一定の方向、例えば法線方向を向くように制御することが特徴となっている。該構成を取れば、光ビームが測定可能な領域から外にでるような大きな誤差をもつ被測定物に対しても傾斜変化に追従できるので、検出する光ビームを測定可能な領域内に納めることができ、被測定物の形状測定範囲を広げられる。しかも本構成は被測定物の姿勢を変化させないので、重力ベクトルの方向が変わらず、被測定物の重力による変形状態が一定に保たれる。従って、測定中に被測定物の形状が変化することがなく、測定精度を向上させることができる。
【0044】
本装置においては光源の光ビームの方向の変化が測定結果に影響するため、光源からの光の進む方向の安定性、即ちポインティングスタビリティが重要である。しかしながら、光源、例えばレーザー発振器は熱的な安定性等の要因でポインティングスタビリティ誤差を持っている。このため、光源の光を直接使用するのではなく、一旦シングルモード光ファイバに通してから出射すると、ポインティングスタビリティを安定にできる。理由は光ファイバの出射端は出射領域の大きさが数ミクロンしかなく、ほとんど点光源として扱えるからである。さらに、半導体レーザーからの出射光には、回折などの影響により出射方向により光強度にむらがある。これも、出射領域が十分小さくないことにより生じる現象なので、シングルモード光ファイバを用いれば改善され、測定精度が向上する。
【0045】
シングルモード光ファイバを用いる代わりに、光源の光を一旦小さな開口を有するピンホールマスクに集光してから出射させても、光の進む方向を安定にできる。理由はピンホールマスクの出射端では出射領域の大きさが小さいため、ほとんど点光源として扱えるからである。さらに、半導体レーザーからの出射光の方向による光強度むらも、出射領域が十分小さいピンホールマスクを用いると改善でき、測定精度を向上させることができる。
【0046】
本発明では光ビームの進む方向の検出手段として光ビームの入射位置を検出する光センサとしてポジションセンサを用いる。単なる位置検出では、光ビームの進む角度と、光ビームの平行移動とが区別できないが、被測定物の形状誤差が小さい場合には光ビームの平行移動成分は小さく無視できるため、ポジションセンサだけという簡単な構成でも光ビームの進む方向を検出できる。
【0047】
より精密な光ビームの進む角度の検出には、検出手段としてレンズとその焦点位置に配置したポジションセンサを用いる。幾何光学的にも明らかなように、レンズの焦点距離をF、光ビームの進む角度をθとすると、レンズに入射する角度θの平行光ビームは平行移動成分にかかわらず光軸中心からFθの距離に焦点を結ぶ。この作用により、より精密な形状測定が可能となる
また、本発明で用いる光学素子としては、コーナーキューブ(a)の代わりに図15に示すルーフミラー(b)を用いることも可能である。ルーフミラーは2つの互いに直交する反射面からなり、稜線に沿った方向から観察すると、入射光と反射光が平行になる性質があるので、本発明に適用できる。一般に稜線付近は加工が難しくこの部分に光があたると性能劣化を生じて形状測定精度を悪化させる。コーナーキューブは稜線が3本あるが、ルーフミラーは2本で、稜線を使用しないレイアウトも簡単であるため、測定精度を向上させることができる。
【0048】
また、ルーフミラーはコーナーキューブに比べて安価に入手できるので、装置コストを下げることも可能である。
【0049】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施形態1の曲面形状測定装置を示すものである。
【0050】
同図において、1は被測定物でベース2に固定されている。被測定物1は、平面に近い形状で、測定する断面の方向をx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してガイド4が固定してある。ガイド4はx軸方向に平行で、ガイド4によってx軸方向に移動可能なx軸移動部材5が設けられている。x軸移動部材5には測定ヘッドのハウジング6を固定する。ハウジング6には半導体レーザー7を固定して設ける。
【0051】
半導体レーザー7からの光はシングルモード光ファイバ8に導かれ、ハウジング6に固定された出射端9から光ビームを出射する。出射した光ビームは回折により次第に広がりながらハウジング6に固定したレンズ10に導かれ、ほぼ平行な光ビーム(a)となる。光ビームのポインティングスタビリティの変化は測定結果に影響するためると、重要項目であるが、半導体レーザーの光を直接使用するのではなく、一旦シングルモード光ファイバに通してから出射すると、光の進む方向を安定化できる。理由は光ファイバの出射端9で出射する領域の大きさが数ミクロンしかなく、ほとんど点光源として扱えるからで、レーザーの持つ誤差の一つであるポインティングスタビリティの影響を除去することができる。
【0052】
さらに、半導体レーザーからの出射光は、回折などの影響により、出射する方向によって光強度にむらがある。該むらの影響も、シングルモード光ファイバを用いれば、出射領域を十分小さくできるので改善することができる。
【0053】
光ビーム(a)は被測定面に導かれ、反射して光ビーム(b)となる。被測定面で反射した光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けたコーナーキューブ13に導かれ、コーナーキューブで反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)はを被測定面の異なる位置に再入射し、反射した光ビーム(d)がコリメータレンズ15で集光されて、レンズ15の焦点距離Fだけ離れた位置で、ハウジング6に固定して設けたポジションセンサ(光点位置検出手段)14の上に焦点を結ぶ。ポジションセンサーは半導体素子の一種で、光の入射位置に応じた電気信号を出力する。ポジションセンサ14の出力する信号は、被測定面の形状誤差がゼロの場合に対する光ビーム(f) の位置、すなわち光軸16からのずれである。また、ポジションセンサ14、および、移動部材5は制御装置20に接続されている。
【0054】
図2は図1の構成を用いて被測定物の傾斜偏差の測定を行うフローチャートを示したものである。まず、被測定物1をベース2に取り付け(101)、移動部材5を初期位置、例えばx=0の位置に移動する(102)。次に、ポジションセンサー14の出力する電気信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸に沿って走査する。「課題を解決するための手段および作用」で説明したように電気信号は被測定物に対する2つの入射点の傾斜角の差が光学的に作り出されたものなので、この装置で測定するのはx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の値である。2次微分がわかれば、該測定値を積分して被測定物の形状を計算することができる(103)。スキャンが終了したら被測定物を取り外し(104)、積分して形状を計算する (105)。
【0055】
本実施形態は従来の曲面測定装置に比べ次の効果がある。
1)部品、及び組み立て精度に対する余裕度が高い。即ち光源と光検出器が同一の部材上に構成されているため、移動部材の姿勢誤差、即ち測定ヘッドのハウジング6が傾斜しても被測定物の2点の傾斜の差は変化せず、測定結果が同じとなる。従って、ガイド4の精度が悪くてハウジング6を移動させる誤差が大きくても、それらに影響されず、高精度な形状測定が可能である。
2)光源、ポジションセンサ(光点位置検出手段)が一つであるため、構成部品の数が少なくてすみ、コストダウンが可能である。
3)シングルモード光ファイバを用いているため、端面からの出射光はほとんど点光源とみなすことができ、光源に起因する光強度のむらやポインティングスタビリティが改善された均質な光ビームを得ることができる。
4)測定中に被測定物はベースに固定されているので、被測定物にかかる重力ベクトルの方向が一定で、変形状態が保たれ高精度な形状測定が可能である。
5)2点の傾斜の差を光学的に作り出しているため、従来のような演算装置が不要で、高精度な形状測定が可能となる。
6)少ない光学部品で構成されているので、光学部品の製作誤差の影響を小さくすることができ、高精度な形状測定が可能となる。
【0056】
図1では、光源である半導体レーザー7を移動するハウジング6に固定しているが、光ファイバ8はフレキシブルなので、半導体レーザー7を移動しない部材に取り付け、光ファイバで移動部材の出射端9まで配線する構成も可能である。ただし該構成を取ると、移動部材の移動にともなって光ファイバの形状が大きく変化し、出射端での光量が変化する。
【0057】
図3は本発明の曲面形状測定装置の実施形態2で、偏光を利用して系の構成を高性能化したものである。
【0058】
同図において、1は被測定物でベース2に固定されている。被測定物1は、平面に近い形状で、測定する断面の方向をx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してガイド4が固定してある。ガイド4はx軸方向に平行で、ガイド4によってx軸方向に移動可能なx軸移動部材5が設けられている。x軸移動部材5には測定ヘッドのハウジング6を固定し、ハウジング6には半導体レーザー7を固定して設ける。
【0059】
半導体レーザー7からの光はシングルモード光ファイバ8に導かれ、ハウジング6に固定された出射端9から光ビームを出射する。出射した光ビームは回折により次第に広がりながらハウジング6に固定したレンズ10に導かれ、ほぼ平行な光ビーム(a)となる。半導体レーザーの光を直接使用するのではなく、一旦シングルモード光ファイバに通してから出射することにより、光の進む方向を安定化できる。シングルモード光ファイバを用いるポインティングスタビリティ等の効用は前実施形態と同一である。
【0060】
本実施形態では偏光ビームスプリッタ11をハウジング6に固定して設け、先ほどの光ビーム(a)を偏光ビームスプリッタ11に導く。偏光ビームスプリッタ11はP波を通過して、S波を反射し、光ビーム(b)を形成する。図3では通過したP波は使用しないので図示されていない。
【0061】
光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けた4分の1波長板12を通過して円偏光に変換され、被測定面1にほぼ垂直に入射して反射を受け光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板12を通ってP波の直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ11を通過してハウジング6に固定されたコーナーキューブ13で折り曲げられ、光ビーム(d)となる。光ビーム(d)は次いで偏光ビームスプリッタ11を通過し、4分の1波長板12を通って円偏光となり、被測定面1の異なる位置に再びほぼ垂直に入・反射して光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板12を通ってS波の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ11で反射されて光ビーム (f)となる。光ビーム(f) はハウジング6に固定されたポジションセンサ14に入射する。ポジションセンサ14の出力信号は、被測定面の形状誤差がゼロの場合に対する光ビーム(f)の位置、即ち光軸16からのずれである。
【0062】
ポジションセンサーの出力は光ビーム(f)の傾斜角を反映し、被測定面上2つの点での傾斜角度の差を表わすため、被測定物の形状の2次微分に対応する。また、ポジションセンサーまでの距離を長くとれば光ビーム(f)の位置ずれの影響は小さくなる。
【0063】
また、移動部材5、および、ポジションセンサ14の信号は制御装置20に接続されている。
【0064】
本構成でも実施形態1と同じように、図2に示すフローチャートに従って被測定物の傾斜偏差の測定を行う。
【0065】
まず、被測定物1をベース2に取り付け(101)、移動部材5を初期位置、例えばx=0の位置に移動する(102)。次に、ポジションセンサー14の出力する電気信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸に沿って走査する。電気信号は被測定物の形状の2次微分に相当するため、測定値はx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の値を示す。2次微分がわかれば、該測定値を2回積分し被測定物の形状を計算することができる(103)。スキャンが終了したら被測定物を取り外し(104)、積分して形状を計算する (105)。
【0066】
本実施形態は実施形態1の効果に加え、次の効果がある。実施形態1では光ビームが被測定物に対して傾斜して入射するため、被測定物との間の距離が変化すると光ビームの位置が変化し、被測定物との距離が大きく変化すると、測定可能領域から光ビームが外れるという問題がある。本実施形態では、光ビームが被測定物面にほぼ垂直に入射するので、被測定物との間の距離が変化しても、光ビームの位置が動かず、被測定物との間の距離に関し制約がない。
【0067】
図3ではレンズ10により、光ビーム(a)を平行な光ビームにすると説明したが、ポジションセンサーの位置で焦点を結ぶようにレンズの位置と曲率を調整すれば、ポジションセンサーの位置測定精度が向上し、さらに高精度な傾斜誤差の測定が可能となる。
【0068】
図4は本発明の曲面形状測定装置の実施形態3で、実施形態2に加えさらに光ビームの検出を高精度化したものである。
【0069】
同図の構成は図3と似ており、平面に近い形状の被測定物1はベース2に固定され、測定する断面の方向をx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してx軸方向に平行なガイド4が設けられ、ガイド4によってx軸方向に移動可能なx軸移動部材5が設けられている。x軸移動部材5には測定ヘッドのハウジング6が固定され、ハウジング6には半導体レーザー7を固定して設ける。
【0070】
半導体レーザー7からの光はシングルモード光ファイバ8に導かれ、ハウジング6に固定された出射端9から出射してハウジング6に固定したレンズ10によりほぼ平行な光ビーム(a)となる。シングルモード光ファイバに通してから出射する理由、及び効果は前2つの実施形態と同じである。
【0071】
光ビーム(a)はハウジング6に固定された偏光ビームスプリッタ11に入射する。偏光ビームスプリッタ11はP波(以降使用しないため不図示)を通過し、S波を反射して光ビーム(b)を形成する。光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けた4分の1波長板12を通過して円偏光となり、被測定面1にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板12でP波の直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ11を通過し、ハウジング6に固定されたコーナーキューブ13で折り返され、光ビーム(d)となる。光ビーム(d)は偏光ビームスプリッタ11、4分の1波長板12を通過して、被測定面1にほぼ垂直に入・反射し、光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板12を通ってS波の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ11で反射して光ビーム(f)となる。光ビーム(f)がハウジング6に固定されたレンズ15に入射するのが本実施形態の特徴である。
【0072】
レンズ15の焦点位置にはハウジング6に固定されたポジションセンサ14が設けられており、集光された光ビームの位置を測定する。ポジションセンサ14は焦点距離Fを持つレンズ15の焦点位置に配置されているため、出力信号は光ビーム(f)の進行方向の傾きをθとするとFθとなる。即ち図4の配置では光ビーム(f)の傾き成分のみを抽出して検出することができるため、高精度化に繋がる。
【0073】
ポジションセンサ14の出力信号は、また、被測定面の形状誤差がゼロの場合に対する光ビーム(f)の位置で、光軸16からのずれに当たる。ポジションセンサの出力信号は被測定面の2つの点の傾斜角度の差を表わすため、被測定物の形状の2次微分に対応する。なお、ポジションセンサ14、および、移動部材5を制御装置20に接続されている。
【0074】
本構成においても実施形態1、2と同じように、装置はポジションセンサー14の出力する電気信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸に沿って走査する。出力される電気信号が形状の2次微分に相当するため、測定値はx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の値となり、該測定値を積分して被測定物の形状を計算することができる。
【0075】
本実施形態は実施形態2で説明した効果に加え、光ビーム(f)の傾斜角度を位置ずれと分離して測定できるため、被測定面の形状誤差が大きい場合や、移動部材の移動精度が悪くて光ビーム(f)の位置ずれが大きくなっても、該ずれに影響されず、高精度な測定が可能となる。
【0076】
図5は本発明の曲面形状測定装置の実施形態4で測定系の光学素子の配置を工夫し、装置をよりコンパクトに構成したものである。
【0077】
同図において、1は被測定物でベース2に固定されている。被測定物1は平面に近い形状で、測定する断面の方向をx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してガイド4が固定してある。ガイド4はx軸方向に平行に設けられ、ガイド4によってx軸方向に移動可能なx軸移動部材5が設けられている。
【0078】
x軸移動部材5には測定ヘッドのハウジング6を固定する。また、図5で移動しない部材にはスペーサ3に固定して光学定盤17を設け、該定盤17側に半導体レーザー7を固定する。半導体レーザー7からの光はシングルモード光ファイバ8に導かれ、光学定盤17に固定された出射端9から光ビームを出射する。出射した光ビームは回折により次第に広がりながら光学定盤17に固定したレンズ10に導かれ、ほぼ平行な光ビーム(a)となる。シングルモード光ファイバを用いた理由は前実施形態と同じである。
【0079】
本実施形態では偏光ビームスプリッタ11を移動部材側のハウジング6に固定して設け、光ビーム(a)を偏光ビームスプリッタ11に導く。偏光ビームスプリッタ11はP波を通過し、S波を反射して光ビーム(b)を形成する。図5では使用しないP波側は図示していない。光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けられた4分の1波長板12を通過して円偏光となり、被測定面1にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板12を通って今度はP波の直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ11を通過し、ハウジング6に固定されたコーナーキューブ13で折り曲げられ、光ビーム(d)となる。光ビーム(d)は偏光ビームスプリッタ11、4分の1波長板12を通過して、被測定面1の異なる点にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板12を通ってS波の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ11で反射して光ビーム(f)になり、光学定盤17に固定されたレンズ15に入射する。
【0080】
レンズ15の焦点位置には光学定盤17に固定されたポジションセンサ14が設けられ、集光された光ビームの位置を測定する。ポジションセンサ14の出力信号は、被測定面の形状誤差がゼロの場合に対する光ビーム(f)の位置、すなわち光軸16からのずれである。ポジションセンサの出力信号は被測定面上での2つの点の傾斜角度の差で、形状の2次微分に対応する。また、ポジションセンサ14、および、移動部材5は制御装置20に接続されている。
【0081】
本構成においても実施形態1と同じように、ポジションセンサー14の出力する電気信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸に沿って走査して測定を行う。電気信号は形状の2次微分に相当するため、この装置はx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の値を測定している。2次微分がわかれば、該測定値を積分して、被測定物の形状を計算する。
【0082】
本実施形態では実施形態3で説明した効果に加え、次の効果がある。
1)移動部材に半導体レーザーやレンズなどがないため、移動部材を小型に構成できる。
2)半導体レーザーなどの光学系を移動部材でなく動かない部材に取り付けるので、移動部材の移動時に生ずる振動の影響を受けない、高精度測定ができる。
【0083】
特に光ファイバは構造的に弱いので外乱振動により変形しやすく、変形すると中を通る光路が変わるので出射端から出射する光ビームも影響を受けて、品質が悪化する。本実施形態では移動しない部材に主な光学素子を固定するので、
品質悪化の心配がなく、高精度な形状測定が可能となる。
【0084】
図6は本発明の曲面形状測定装置の実施形態5で、さらに装置がコンパクト化可能な構成を示す図である。
【0085】
同図において、被測定物1は平面に近い形状でベース2に固定され、測定断面の方向をx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してx軸方向に平行に設けられたガイド4が固定してある。また、ガイド4によりx軸方向に移動可能なx軸移動部材5を設ける。
【0086】
x軸移動部材5には測定ヘッドのハウジング6を固定する。また、移動しない部材、図6の場合にはスペーサ3に固定して光学定盤17を設け、該定盤17に半導体レーザー7を固定する。半導体レーザー7からの光は前実施形態と同じくシングルモード光ファイバ8に導かれ、光学定盤17に固定された出射端9から光ビームを出射する。出射した光ビームは回折により次第に広がりながら光学定盤17に固定したレンズ10に導かれ、ほぼ平行な光ビーム(a)となる。
【0087】
本実施形態では、光ビーム(a)を光学定盤17に固定した偏光ビームスプリッタ11に導く。偏光ビームスプリッタ11はS波を反射し、P波を通過させる。図6では反射したS波側の光ビームは使用しないので図示されていない。偏光ビームスプリッタ11を通過したP波は、移動部材5上のハウジング6に固定したミラー18で反射し光ビーム(b)となる。光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けた4分の1波長板12を通過して円偏光となり、被測定面1にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板12を通ってS波の直線偏光になり、ミラー18で反射した後、偏光ビームスプリッタ11で反射し、光学定盤17に固定したコーナーキューブ13で折り曲げられて光ビーム(d)となる。光ビーム(d)はさらに偏光ビームスプリッタ11で反射し、ミラー18で反射、4分の1波長板12を通って、被測定面1にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(e)となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板12を通ってP波の直線偏光に変換された後、ミラー18で反射して光ビーム(f)となり、偏光ビームスプリッタ11を通過、光学定盤17に固定されたレンズ15に入射する。
【0088】
レンズ15の焦点位置には光学定盤17に固定されたポジションセンサ14が設けられ、集光された光ビームの位置を測定する。ポジションセンサ14の出力信号は被測定面の形状誤差ゼロの場合に対する光ビーム(f)の位置、すなわち光軸16からのずれである。ポジションセンサの出力信号は光ビーム(f)の傾斜成分で、被測定面上での2つの点の傾斜の差を表わし、形状の2次微分に対応する。なお、ポジションセンサ14、および、移動部材5は制御装置20に接続されている。
【0089】
本構成においても、測定はポジションセンサー14の出力信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸にそって走査して行う。この装置はx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の値を測定したことになるため、該測定値を積分して被測定物の形状を計算することができる。
【0090】
本実施例では実施形態4で説明した効果に加え、移動部材側に半導体レーザーやレンズ、さらに偏光ビームスプリッタやコーナーキューブがないため、移動部材をさらに小型に構成できる効果がある。
【0091】
本実施形態の変形として、4分の1波長板12の位置を偏光ビームスプリッタとミラーの間に変更する構成も考えられる。該構成の場合には、ミラー18が45度入射の円偏光状態で使用されるため、S波P波両者に対し同じ反射率を持つことが非常に重要である。反射率が違うと円偏光が楕円偏光となり、被測定物から反射して再び4分の1波長板に入射したとき、元の状態と直交する直線偏光にならず、偏光ビームスプリッタ11での光の分離が不完全で測定誤差を生ずるからである。その他の光学系の作用は前実施形態と同じである。
【0092】
図7は本発明の曲面形状測定装置の実施形態6を示したものである。
【0093】
同図で、被測定物1は平面に近い形状を持ちベース2に固定されている。測定する断面の方向はx軸方向、x軸に垂直で測定する面の法線方向をz軸とする。ベース2にはスペーサ3を介してx軸方向に平行なガイド4が固定され、ガイド4によりx軸方向に移動可能なx軸移動部材5を設ける。
【0094】
x軸移動部材5には、回転テーブル21が設けられ、回転テーブル21に測定ヘッドのハウジング6を固定する。また、移動しない部材、図7で言うとスペーサ3に固定して光学定盤17を設け、該定盤17に半導体レーザー7を固定する。半導体レーザー7からの光はシングルモード光ファイバ8に導かれ、光学定盤17に固定された出射端9から光ビームを出射する。出射した光ビームは回折により次第に広がりながら光学定盤17に固定したレンズ10に導かれ、ほぼ平行な光ビーム(a)となる。
【0095】
光ビーム(a)は光学定盤17に固定して設けた偏光ビームスプリッタ11に導かれる。偏光ビームスプリッタ11はS波を反射し、P波を通過させる。なお、図7では反射したS波側の光ビームは使用しないので図示されていない。
【0096】
偏光ビームスプリッタ11を通過したP波は、ハウジング6に固定して設けたハーフミラー22で反射し光ビーム(b)となる。ハーフミラー22は、反射率が100%より小さいミラーで、入射光の一部を透過する。同図中でも使用しない透過側の光は省略した。光ビーム(b)はハウジング6に固定して設けた4分の1波長板12を通過して円偏光となり、被測定面1でほぼ垂直に入・反射して光ビーム(c)となる。光ビーム(c)は再び4分の1波長板12を通ると今度はS波の直線偏光になって、ハーフミラー22で反射する。このとき、ハーフミラー22を透過した光はハウジング6に固定した第2のポジションセンサ19に入射する。
【0097】
一方、ハーフミラー22で反射した光は、偏光ビームスプリッタ11で反射し、光学定盤17に固定したコーナーキューブ13で折り曲げられて光ビーム(d)となる。光ビーム(d)は偏光ビームスプリッタ11で反射し、ハーフミラー22で反射後、4分の1波長板12を通って円偏光となり、被測定面1の異なる点にほぼ垂直に入・反射して光ビーム(e) となる。光ビーム(e)は再び4分の1波長板12を通ってP波の直線偏光に変換された後、ハーフミラー22で反射して光ビーム(f)となり、偏光ビームスプリッタ11を通過、光学定盤17に固定されたレンズ15に入射する。
【0098】
レンズ15の焦点位置には光学定盤17に固定されたポジションセンサ14が設けられ、集光された光ビームの位置を測定する。ポジションセンサ14の出力信号は、被測定面の形状誤差がゼロの場合に対する光ビーム(f)の位置、すなわち光軸16からのずれで、光ビーム(f)の傾斜成分を反映したもので、被測定面上での2つの点の傾斜角度の差、即ち形状の2次微分に対応している。なお、ポジションセンサ14、第2のポジションセンサ19,回転テーブル21、および移動部材5は制御装置20に接続されている。
【0099】
本実施形態は、第2のポジションセンサの信号が一定になるように回転テーブル21を制御して測定を行うことを特徴としている。第2のポジションセンサの信号を一定にさせることにより、被測定物から反射してくる光ビームの方向を一定にできる。
【0100】
被測定物の測定はポジションセンサー14の出力する電気信号と、移動部材5の位置を記録しながら移動部材5をx軸に沿って走査して行われる。この装置の出力はx軸の各位置における被測定物の形状の2次微分の測定であるため、該測定値を積分して被測定物の形状を計算することができる。
【0101】
本実施形態では実施形態5で説明した効果に加え、被測定物にあてる光ビームの方向をいつも一定にできる効果がある。従って、被測定物の形状誤差が大きいときでも、反射光が大きくずれて、測定可能範囲が狭まることがない。
【0102】
以上説明した実施形態では、半導体レーザをシングルモード光ファイバに導き、点光源を得ている。同じ効果は集光レンズとピンホールを用いても得ることができる。ただし、フレキシブルに配線可能なファイバーに比べアライメントに手間のかかる光学系であるためコスト及び調整時間は余分にかかる。
【0103】
また、移動部材5の具体的な駆動手段としては、ガイドの誤差が測定結果に影響しないので、転動式の直動ガイドとボールネジの組み合わせがコスト面からは適当であるが、エアーベアリングやリニアモータなど高精度な位置決めが可能な構成部材を用いてもよい。
【0104】
測定シーケンスについても被測定物は着脱可能としたが、常に同じ測定物を測定する場合には、図2のフローチャートの被測定物の着脱を行う(102)と(104)が不用となる。
【0105】
また、各実施形態では光学素子としてコーナーキューブを用いたが、コーナーキューブの代わりにルーフミラー、すなわち互いに直交する2つの面からなる3角柱プリズムをこともできる。ルーフミラーは2つの互いに直交する反射面の効果で、稜線に沿った方向から観察すると、入射光と反射光が平行になる性質があるからである。稜線付近は一般に加工が難しく、形状測定精度を悪化させる要因となる。コーナーキューブには稜線が3本あるが、ルーフミラーでは2本で、稜線を使用しないレイアウトも簡単であるため、測定精度を向上させる効果を持たせることができる。
【0106】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の曲面形状測定装置は、被測定物をセットするベースと、被測定物の被測定面に沿って一方向に移動可能な移動部材で構成されるとともに、測定系として一本の光ビームを発生する光源とコーナーキューブ、及び該光ビームの進む方向を検出する光検出手段を備え、該光源からの光ビームを該被測定物の異なる2つの位置に照射して得られる該光検出手段の信号と該移動部材の位置を記憶する記憶装置のデータから、該被測定物の形状を計算する計算制御装置を有する基本構成を持っていることを特徴とし、従来の曲面形状測定装置に対し以下の効果を有している。 、
1)該基本構成で光源と光検出器が同一の部材上に構成されているため、測定結果が移動部材の姿勢誤差に影響されず、高精度な形状測定が可能である。
2)測定中に被測定物はベースに固定されているので、被測定物にかかる重力ベクトルの方向がいつも一定で変形状態が保たれるため、高精度な形状測定が可能である。
3)光源が一つで構成されているため、光源の発生する光ビームの方向のふらつきや、光量変化誤差の影響を最小にできる。
4)ポジションセンサ(光点位置検出手段)が1つで構成されているため、ポジションセンサの位置検出誤差の影響を最小にできる。
5)2点の傾斜の差を光学的に作り出しているため、従来のような演算装置が必要なく、高精度な形状測定が可能となる。
6)少ない光学部品で構成されているので、光学部品の製作誤差の影響を小さくすることができ、高精度な形状測定が可能となる。
7)光源、ポジションセンサの数がともに1つしかなく、光学系の構成要素も少ないので、装置構成を簡略化できるとともにコストダウンもできる。
【0107】
更に基本構成に対し偏光を利用した構成にすると検出の光ビームが被測定物にほぼ垂直に入射するので、被測定物との間の距離が変化しても、光ビームの位置は動かず、被測定物との間の距離に関する制約をなくして、配置上の自由度を高めることができる。
【0108】
測定光学系の光学部材を定盤側と移動部材側に配布する構成には種々の形態があるが、移動部材に固定する光学系を少なくした構成ほど、移動部材の小型化が可能である。このとき、移動部材の移動に伴う振動のためファイバが変形し、光ビームの品質が劣化することに注意が必要な場合があるが、光ファイバを固定部材に配置すれば光ビームの品質を向上でき、高精度測定が可能になる。
【0109】
また、移動部材側に回転機能を加えた場合には
1)被測定物にあてる光ビームの方向をいつも一定にできるため、被測定物の形状誤差が大きいときでも、反射光が大きくずれて、測定可能範囲が狭まることを防ぎ、被測定物の形状に関する応用範囲が広げられる。
2)被測定物の姿勢が変化しないので、重力ベクトルの方向が一定となるため、被測定物の重力による変形状態が保たれ、測定中に形状が変化せず、測定精度が向上できる。
という効果がある。
【0110】
また個々の光学素子についてはシングルモード光ファイバを用いると、端面からの出射光をほとんど点光源とみなすことができるため、光源に起因する光強度のむらやポインティングスタビリティが改善された均質な光ビームが得られ、高精度な形状測定が可能となる。
【0111】
シングルモードファイバの代わりにピンホールマスクを用いた構成にしても、ピンホールマスクからの出射光をほとんど点光源とみなすことができるため、光源に起因する光強度のむらやポインティングスタビリティが改善された、均質な光ビームが得られ、高精度な形状測定が可能となる。
【0112】
検出系については光ビームの進行方向の検出手段をポジションセンサだけで構成するで簡便な構成で一定の精度が得られるが、更にレンズ系を用いて該レンズの焦点位置にポジションセンサを配置すれば、光ビームの進行方向を、ビームの平行移動成分と分離して検出できるので、測定精度が向上する。該構成は特に、移動部材の移動誤差や、被測定物の形状誤差が大きく、光ビームの平行移動成分が大きい場合に有効である。
【0113】
またコーナーキューブに関しては安価なルーフミラーを代替品として使用することができる。ルーフミラーは特性の劣化する稜線に光ビームがあたる可能性を下げることができるので、測定を高精度化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1の曲面形状測定装置を示す図、
【図2】 本発明の実施形態1のフローチャートを示す図、
【図3】 本発明の実施形態2の曲面形状測定装置を示す図、
【図4】 本発明の実施形態3の曲面形状測定装置を示す図、
【図5】 本発明の実施形態4の曲面形状測定装置を示す図、
【図6】 本発明の実施形態5の曲面形状測定装置を示す図、
【図7】 本発明の実施形態6の曲面形状測定装置を示す図、
【図8】 本発明における光路を説明する第1図、
【図9】 本発明における作用を説明する第1図、
【図10】 本発明における光路を説明する第2図、
【図11】 本発明における作用を説明する第2図、
【図12】 本発明における作用を説明する第3図、
【図13】 本発明における作用を説明する第4図、
【図14】 本発明における作用を説明する第5図、
【図15】 本発明で用いるミラーの形状の説明図、
【図16】 従来の曲面形状測定装置の説明図、
【図17】 従来の曲面形状測定装置の動作説明図、
【符号の説明】
1 被測定物、
2 ベース、
3 スペーサ、
4 ガイド、
5 x軸移動部材、
6 測定ヘッドのハウジング、
7 半導体レーザ素子、
8 シングルモード光ファイバ、
9 光ファイバ出射端、
10 レンズ、
11 偏光ビームスプリッタ、
12 4分の1波長板
13 コーナーキューブ、
14 ポジションセンサ、
15 レンズ、
16 光軸、
17 光学定盤、
18 ミラー、
19 第2のポジションセンサ、
20 制御装置、
21 回転テーブル、
22 ハーフミラー、
51 Yスライド、
52 Xスライド、
53 Zスライド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The curved surface shape measuring apparatus of the present invention relates to a curved surface shape measuring apparatus for measuring a curved surface shape such as a lens or a mirror with a high accuracy of, for example, 1 micrometer or less, and in particular, measuring a shape having a relatively small curvature, such as a flat mirror. Is intended for.
[0002]
[Prior art]
As a conventional curved surface shape measuring apparatus, an apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 05-240624 is known. 16 and 17 are diagrams showing a conventional apparatus and operation.
[0003]
The conventional apparatus has two light sources 111 a and 111 b, two light beams are applied to two places of the
[0004]
What is measured in the above measurement arrangement corresponds to the reflected light beam direction, that is, the amount of change in the tangent angle of the shape of the object to be measured. Therefore, when the data in each tilt state is integrated twice in the entire measurement section, the object to be measured The surface shape of the object can be calculated.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above apparatus has the following problems, and it is difficult to perform precise measurement.
[0006]
The first problem is related to the light source, which is that the measurement is sensitive to error factors such as fluctuations in the direction of the light beam generated by the light source and changes in light quantity over time. Since the conventional apparatus has two light sources, it is a factor that further increases the measurement error.
[0007]
The second problem is the complexity of the configuration, since there are two light sources, the optical configuration is complicated, and at the same time, because there is one position sensor, the light sources are alternately blinked to detect the two light beams. Therefore, complicated control such as measurement is required.
[0008]
Third, there is a problem in electrical signal detection. Even if there is only one position sensor, two signals exist for each light source. Since the detection signal of the position sensor always contains electrical noise, using two signals increases the measurement error.
[0009]
The fourth is a problem in arithmetic processing. Since there are two signals output from the position sensor, an arithmetic device that takes the difference between the two signals is required, which includes arithmetic errors and a complicated configuration.
[0010]
Fifth, there is a problem on the environment of the apparatus, and the state of gravity deformation of the object to be measured changes due to the change of the posture of the object to be measured. If the shape of the object to be measured changes during measurement, the measurement error further increases.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and a first object of the present invention is to reduce the influence of errors such as fluctuations in the amount of light given by the light source by adopting a configuration with one light source. .
[0012]
The second object of the present invention is to stabilize the traveling direction of the light beam generated by the light source and to reduce the influence of pointing stability due to the light source on the measurement error.
[0013]
A third object of the present invention is to simplify the configuration by using one output signal from the position sensor, and to reduce the influence on the measurement error caused by the electrical noise of the position sensor.
[0014]
A fourth object of the present invention is to eliminate the calculation for obtaining a difference from the signal detected by the position sensor, simplify the configuration, and eliminate errors caused by the calculation.
[0015]
The fifth object of the present invention is to stabilize the shape of the object under measurement during measurement.
[0016]
By achieving the first to fifth objects as described above, it is possible to perform highly accurate measurement of the curved surface shape.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A curved surface shape measuring apparatus for measuring the shape of a measurement object having a curved shape according to the present invention includes a base for setting the measurement object and a moving member movable in one direction along the measurement surface of the measurement object. And a light source that generates a single light beam as a measurement system, a corner cube that reciprocates light between the object to be measured and the measurement system, and a light detection means that detects the traveling direction of the light beam. The shape of the object to be measured is calculated from the signal of the light detection means obtained by irradiating two different positions on the object to be measured and the data of the storage device storing the position of the moving member. .
[0018]
In the present invention, when a polarizing element such as a polarizing beam splitter or a quarter-wave plate is used, the light use efficiency is increased, and high accuracy can be achieved. When using polarized light, the basic optical path arrangement is light source, polarizing beam splitter, 1/4 wavelength plate, DUT, 1/4 wavelength plate, polarizing beam splitter, corner cube, polarizing beam splitter, 1/4 wavelength The plate, the object to be measured, the quarter-wave plate, and the light detection means are arranged in this order, and information is obtained by irradiating two different places of the object to be measured through the corner cube. The obtained information is the second derivative of the shape of the object to be measured, and the shape of the object to be measured can be obtained by integrating the information twice.
[0019]
FIG. 8 and FIG. 9 specifically show the means and action in the curved surface shape measuring apparatus of the present invention. FIG. 8 is an explanatory diagram of an optical path when the surface to be measured is an ideal plane. In this figure, one parallel light beam (parallel light beam) (a) emitted from a light source (not shown) is applied to the surface to be measured at point A, and the reflected light beam (b) is reflected by a corner cube to obtain a light beam ( c) is generated. A corner cube is an optical element composed of three reflecting surfaces orthogonal to each other, and has a property of reflecting an incident light beam in the same direction as the incident direction. Therefore, the light beam (a) and the light beam (c) are parallel. The light beam (c) is reflected by the surface to be measured at a point B different from the point A to generate a light beam (d).
[0020]
Fig. 9 assumes an actual measurement surface. Although the light travels in the same way, the surface to be measured generally has different values of the inclination angles θa and θb at the points A and B. First, the light beam (b) reflected from the surface to be measured at point A is tilted by 2θa. Since the light beams (b) and (c) are parallel due to the action of the corner cube, the direction of the light beam (d) reflected from the surface to be measured at point B for the second time is inclined by θ = 2θa−2θb, and A difference in the inclination angle of point B is optically created. In order to measure the tilt angle of the light beam (d), a collimator lens is provided, and a position sensor for measuring the position of the light spot is provided at a location separated by the focal length F of the lens. Since the distance S measured by the position sensor is θF, the tilt angle of the light beam (d) can be measured from the known amount F.
[0021]
As shown in the figure, the horizontal direction is the x-axis and the vertical direction is the z-direction as shown in the figure, and the inclination difference θ between the two points is measured at various locations in the x-axis direction. Since the inclination indicates the first derivative of the shape, the difference θ between the two points of inclination corresponds to the second derivative of the shape. That is, in this arrangement, the value of the second derivative in the x direction of the shape of the object to be measured is measured, and then the shape of the object to be measured is calculated using a mathematical formula, that is, a well-known integral formula. can do.
[0022]
In this method, since the difference in inclination between two points θ = 2θa−2θb is measured, even if the two points are inclined in the same manner, they are not detected. Therefore, even if the whole object to be measured is tilted, the measurement result is not affected. Similarly, even if the entire optical system such as the light source or the corner cube is tilted, there is an advantage that the measurement result is not affected.
[0023]
In the present invention, since a measurement system can be configured using a single light beam, the influence of a change in the amount of light is automatically corrected and the structure is simple. Further, since the signal of the position sensor directly outputs the difference between the two points of inclination due to the effect of the corner cube, there is no need for an arithmetic unit for calculating the difference between the two points of inclination unlike the conventional device.
[0024]
An actual optical element has a manufacturing error, which deteriorates the quality of the light beam and causes a measurement error. Therefore, the effect of having a simple structure and a small number of elements is great. According to the present invention, the difference in inclination between two points can be detected with a small number of optical elements, so that deterioration of the quality of the light beam can be suppressed and high-precision measurement can be performed.
[0025]
FIGS. 10 and 11 show the means and action of another configuration of the present invention. FIG. 10 is an explanatory diagram of an optical path when the surface to be measured is an ideal plane.
[0026]
In the figure, (a) is a light beam emitted from a light source such as a laser (not shown). The light beam (a) has two polarization components depending on the direction of vibration of the electric field. A light beam perpendicular to the paper surface is a P wave and a light beam is horizontal to the paper surface. When the light beam (a) is incident on the polarization beam splitter (PBS), the P wave passes through as it is, and the S wave is reflected to become the light beam (b). Note that light on the P-wave side that is not used in the figure is omitted.
[0027]
The linearly polarized beam (b) in the S direction passes through the quarter-wave plate and becomes circularly polarized light, and is reflected at point A on the reflecting surface, which is the object to be measured, to become a light beam (c). The light beam (c) passes through the quarter-wave plate again and is converted from circularly polarized light into linearly polarized light whose vibration direction is P direction. The converted light beam passes through the polarization beam splitter and enters the corner cube. Since the corner cube has a property of reflecting the incident light beam in the same direction, the light beam (d) exiting the corner cube again enters the polarization beam splitter. Since the light beam (d) is P-polarized light, it passes through the polarization beam splitter, passes through the quarter-wave plate, becomes circularly polarized light, and is reflected at the point B on the reflecting surface of the object to be measured, and is reflected by the light beam (e). Become. The light beam (e) passes through the quarter-wave plate again to become linearly polarized light having the S direction of vibration, and is reflected by the polarizing beam splitter to become the light beam (f).
[0028]
Next, consider a case where the surface to be measured is not a perfect plane in the same optical path. As shown in FIG. 11, the two points A, B and B on the surface to be measured have inclination angles θa and θb with respect to the polarization beam splitter. Since the reflected light from the inclined surface has the property of changing the direction of the incident light by twice the inclination angle, the light beam (c) reflected at point A on the surface to be measured is inclined 2θa with respect to the vertical direction. The light beam (c) is reflected by the corner cube and becomes a light beam (d). Since the corner cube has the property of reflecting in the same direction as the incident beam, the light beam (d) is also inclined by 2θa with respect to the vertical direction.
[0029]
The light beam (d) is then reflected at a point B different from the point A on the surface to be measured, but the reflected light has the property of changing twice the tilt angle with respect to the incident light, so the reflected light beam (e) Is inclined by θ = 2θa−2θb with respect to the vertical axis. Therefore, if the direction of the light beam (f) is measured, the difference in inclination θ between the two points can be measured. The light beam (f) has an inclination angle θ and a positional deviation δ with respect to the optical axis as shown in the figure, but a collimator system may be configured to measure only θ. Specifically, when a collimator lens is provided as shown in the figure and a position sensor for measuring the light spot position is provided at a location separated by the focal length F of the lens, the measured distance S becomes θF, which affects the positional deviation δ. Not.
[0030]
Further, when the distance to the position sensor is long, the influence of the inclination angle θ is larger than the influence of δ, so that the collimator lens can be omitted.
[0031]
As shown in the figure, the horizontal direction is the x-axis and the vertical direction is the z-direction, and the inclination difference θ between two points is measured at various locations in the x-axis direction. Since the inclination difference θ between the two points indicates the second derivative of the shape, this arrangement measures the value of the second derivative with respect to the x direction of the shape of the object to be measured. The shape of the object can be calculated.
[0032]
Since this configuration also measures the difference between the two tilts θ = 2θa−2θb, even if the two points are tilted in the same way, the entire object to be measured, or the entire optical system such as the light source and the corner cube is tilted. The value of θ is unchanged and the measurement result is not affected. In addition, since the measurement system has a simple structure composed of one light beam and a position sensor, the output signal also directly represents the difference in inclination at two points, so that an arithmetic unit for calculating the difference in inclination is not required. The simple configuration suppresses measurement errors due to manufacturing errors that occur in actual optical elements, and enables highly accurate measurement.
[0033]
Furthermore, if this configuration is adopted, the light beam is incident on the object to be measured almost perpendicularly, so even if the distance to the object to be measured changes, the position of the light beam does not move, There are no restrictions on distance.
[0034]
FIG. 12 shows the operation in another arrangement of the present invention, and the measured surface is an ideal plane.
[0035]
In the figure, the laser oscillator, collimator lens, and position sensor, which are light sources, are fixed to the optical surface plate, and the polarizing beam splitter (PBS), corner cube (CC), and quarter-wave plate are in the x direction. It is fixed to one movable member that can be moved to the position. When the optical surface plate is tilted by φ, the light beam (f) is tilted in the direction of the light source and tilted by φ relative to the horizontal plane as shown in the figure. As a result, the light beam (f) is parallel to the optical axis of the collimator lens and forms a light spot at the center of the position sensor. This is characterized by the same result as when the optical surface plate is not inclined.
[0036]
In this arrangement, it is important that the means for measuring the tilt angle of the light beam is fixed to the same member as the light source, that is, in this case, the optical surface plate. If they are arranged on the same member, no measurement error occurs even if the optical surface plate is tilted. Similarly, no measurement error occurs even if the moving member is tilted.
[0037]
This arrangement is advantageous in reducing the size of the moving member because there are few optical systems to be fixed to the moving member.
[0038]
FIG. 13 illustrates the operation of another configuration of the present invention, and FIG. 13 shows a case where the surface to be measured is an ideal plane.
[0039]
This configuration is different from FIG. 10 in the usage of the polarization beam splitter. When a light beam (a) from a laser light source (not shown) is incident on the polarization beam splitter (PBS), the S wave is reflected (not shown) and the P wave is transmitted to become a light beam (b). When passing through the quarter-wave plate, the linearly polarized beam (b) in the P direction becomes circularly polarized light, and is reflected at point A on the reflecting surface, which is the object to be measured, to become a light beam (c). The light beam (c) passes through the quarter-wave plate again and is converted into linearly polarized light whose vibration direction is the S direction. The converted light is reflected by the polarization beam splitter and enters the corner cube. The corner cube reflects the incident light beam in the same direction as the incident light to form a light beam (d) and enters the polarization beam splitter. Since the light beam (d) is S-polarized light, the light beam (d) is reflected by the polarization beam splitter and reflected from the quarter-wave plate at the point B different from the point A by the reflecting surface, which is the object to be measured, to become the light beam (e). The light beam (e) again passes through the quarter-wave plate and becomes linearly polarized light in the P direction, passes through the polarizing beam splitter, and becomes a light beam (f). The subsequent optical paths are the same as in FIG.
[0040]
Further, the operation of another configuration of the present invention will be described with reference to FIG. This figure shows the case where the surface to be measured is an ideal plane.
[0041]
This arrangement is different from FIG. 13 in the arrangement of the optical system after the polarization beam splitter, and the whole apparatus can be made compact.
[0042]
When a light beam (a) emitted from a laser light source (not shown) enters a polarization beam splitter (PBS), an S wave is reflected (not shown) and a P wave is transmitted to become a light beam (b). After being reflected by the mirror, when passing through the quarter-wave plate, the linearly polarized beam (b) in the P direction becomes circularly polarized light, and is reflected at the point A on the reflecting surface, which is the object to be measured, to be the light beam (c). Become. The light beam (c) is again reflected from the quarter-wave plate by the mirror and converted into linearly polarized light whose vibration direction is the S direction. The converted light is reflected by the polarization beam splitter and enters the corner cube. The corner cube reflects the incident light beam in the same direction as the incident light to form a light beam (d) and enters the polarization beam splitter. Since the light beam (d) is S-polarized light, it is reflected by the polarization beam splitter, reflected by the mirror, and reflected from the quarter-wave plate at a point B different from the point A on the reflecting surface of the object to be measured. ). The light beam (e) again becomes linearly polarized light in the P direction from the quarter-wave plate through the mirror, passes through the polarizing beam splitter, and becomes the light beam (f). The subsequent optical paths are the same as in FIG.
[0043]
In still another configuration of the present invention, the movable member is rotatable, the mirror used in the previous configuration is a half mirror, and a second position sensor is provided thereafter to detect the light beam from the object to be measured. Adding a mechanism for rotating the moving member so that the output value from the second position sensor is constant, and controlling the light beam so that it always points in a certain direction, for example, the normal direction with respect to the object to be measured. Is a feature. By adopting such a configuration, it is possible to follow the change in tilt even for an object to be measured having a large error such that the light beam goes out of the measurable region, so that the light beam to be detected falls within the measurable region. And the range of shape measurement of the object to be measured can be expanded. In addition, since this configuration does not change the posture of the object to be measured, the direction of the gravity vector does not change, and the deformation state of the object to be measured due to the gravity is kept constant. Therefore, the shape of the object to be measured does not change during measurement, and the measurement accuracy can be improved.
[0044]
In this apparatus, since the change in the direction of the light beam of the light source affects the measurement result, the stability of the light traveling direction from the light source, that is, pointing stability is important. However, a light source such as a laser oscillator has a pointing stability error due to factors such as thermal stability. For this reason, if the light from the light source is not used directly but is emitted after passing through the single mode optical fiber, the pointing stability can be stabilized. The reason is that the exit end of the optical fiber has an exit region size of only a few microns, and can be treated as a point light source. Furthermore, the light emitted from the semiconductor laser has unevenness in light intensity depending on the emission direction due to the influence of diffraction or the like. This is also a phenomenon caused by the fact that the emission area is not sufficiently small. Therefore, it is improved by using a single mode optical fiber, and the measurement accuracy is improved.
[0045]
Instead of using a single mode optical fiber, the light traveling direction can be stabilized even if the light from the light source is once condensed on a pinhole mask having a small opening and then emitted. The reason is that at the exit end of the pinhole mask, the size of the exit area is small, so that it can be handled almost as a point light source. Furthermore, the light intensity unevenness due to the direction of the emitted light from the semiconductor laser can be improved by using a pinhole mask having a sufficiently small emission area, and the measurement accuracy can be improved.
[0046]
In the present invention, a position sensor is used as an optical sensor for detecting the incident position of the light beam as the detecting means for the direction of travel of the light beam. In simple position detection, the angle at which the light beam travels cannot be distinguished from the parallel movement of the light beam. However, if the shape error of the object to be measured is small, the translational component of the light beam is small and can be ignored. The traveling direction of the light beam can be detected with a simple configuration.
[0047]
A lens and a position sensor disposed at its focal position are used as detection means for detecting a more precise angle of travel of the light beam. As is apparent from geometrical optics, if the focal length of the lens is F and the angle of travel of the light beam is θ, the parallel light beam of the angle θ incident on the lens is Fθ from the optical axis center regardless of the translation component. Focus on distance. This action enables more precise shape measurement.
Further, as the optical element used in the present invention, a roof mirror (b) shown in FIG. 15 can be used instead of the corner cube (a). The roof mirror is composed of two reflecting surfaces orthogonal to each other, and when observed from the direction along the ridgeline, the incident light and the reflected light have the property of being parallel, and therefore can be applied to the present invention. In general, it is difficult to process the vicinity of the ridgeline, and when this portion is exposed to light, performance degradation occurs and shape measurement accuracy is deteriorated. The corner cube has three ridgelines, but the roof mirror has two ridges, and the layout without using the ridgelines is simple, so that the measurement accuracy can be improved.
[0048]
In addition, since the roof mirror can be obtained at a lower cost than the corner cube, it is possible to reduce the cost of the apparatus.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a curved surface shape measuring apparatus according to
[0050]
In the figure,
[0051]
The light from the
[0052]
Furthermore, the light emitted from the semiconductor laser has uneven light intensity depending on the direction of emission due to the influence of diffraction or the like. The influence of the unevenness can also be improved by using a single mode optical fiber because the emission region can be made sufficiently small.
[0053]
The light beam (a) is guided to the surface to be measured and reflected to become the light beam (b). The light beam (b) reflected by the surface to be measured is guided to a
[0054]
FIG. 2 shows a flowchart for measuring the tilt deviation of the object to be measured using the configuration of FIG. First, the
[0055]
This embodiment has the following effects compared with the conventional curved surface measuring apparatus.
1) High margin for parts and assembly accuracy. That is, since the light source and the light detector are configured on the same member, even if the
2) Since there is only one light source and position sensor (light spot position detecting means), the number of components can be reduced and the cost can be reduced.
3) Since a single mode optical fiber is used, light emitted from the end face can be regarded as a point light source, and a homogeneous light beam with improved light intensity unevenness and pointing stability caused by the light source can be obtained. it can.
4) Since the object to be measured is fixed to the base during measurement, the direction of the gravity vector applied to the object to be measured is constant, and the deformed state is maintained, and highly accurate shape measurement is possible.
5) Since the difference in inclination between the two points is optically generated, a conventional arithmetic device is not required, and highly accurate shape measurement is possible.
6) Since it is composed of a small number of optical components, the influence of manufacturing errors of the optical components can be reduced, and highly accurate shape measurement can be performed.
[0056]
In FIG. 1, the
[0057]
FIG. 3 shows a curved surface shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention, in which the configuration of the system is enhanced by using polarized light.
[0058]
In the figure,
[0059]
The light from the
[0060]
In this embodiment, the polarizing beam splitter 11 is fixed to the
[0061]
The light beam (b) passes through a quarter-
[0062]
Since the output of the position sensor reflects the inclination angle of the light beam (f) and represents the difference in inclination angle at two points on the surface to be measured, it corresponds to the second derivative of the shape of the object to be measured. Further, if the distance to the position sensor is increased, the influence of the positional deviation of the light beam (f) is reduced.
[0063]
The signals of the moving
[0064]
In this configuration as well, the tilt deviation of the object to be measured is measured according to the flowchart shown in FIG.
[0065]
First, the
[0066]
This embodiment has the following effects in addition to the effects of the first embodiment. In the first embodiment, since the light beam is incident on the object to be measured with an inclination, when the distance to the object to be measured changes, the position of the light beam changes, and when the distance to the object to be measured changes greatly, There is a problem that the light beam deviates from the measurable region. In this embodiment, since the light beam is incident on the surface of the object to be measured substantially perpendicularly, the position of the light beam does not move even if the distance to the object to be measured changes, and the distance to the object to be measured. There are no restrictions on
[0067]
In FIG. 3, it has been described that the light beam (a) is made into a parallel light beam by the
[0068]
FIG. 4 shows a third embodiment of the curved surface shape measuring apparatus according to the present invention, in which the detection of the light beam is further improved in addition to the second embodiment.
[0069]
3 is similar to FIG. 3, the
[0070]
The light from the
[0071]
The light beam (a) is incident on the polarization beam splitter 11 fixed to the
[0072]
A
[0073]
The output signal of the
[0074]
Also in this configuration, as in the first and second embodiments, the apparatus scans the moving
[0075]
In addition to the effects described in the second embodiment, the present embodiment can measure the inclination angle of the light beam (f) separately from the positional deviation, so that the measurement surface has a large shape error or the movement accuracy of the moving member is high. Even if the positional deviation of the light beam (f) becomes large, the measurement is not affected by the deviation and high-precision measurement is possible.
[0076]
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the curved surface shape measuring apparatus according to the present invention, in which the arrangement of the optical elements of the measuring system is devised to make the apparatus more compact.
[0077]
In the figure,
[0078]
A measuring
[0079]
In this embodiment, the polarization beam splitter 11 is fixed to the
[0080]
A
[0081]
In this configuration, as in the first embodiment, the measurement is performed by scanning the moving
[0082]
The present embodiment has the following effects in addition to the effects described in the third embodiment.
1) Since there is no semiconductor laser or lens in the moving member, the moving member can be made small.
2) Since an optical system such as a semiconductor laser is attached to a non-moving member instead of a moving member, high-accuracy measurement can be performed without being affected by vibrations generated when the moving member moves.
[0083]
In particular, since the optical fiber is weak in structure, it is easily deformed by disturbance vibration, and when it is deformed, the optical path passing therethrough is changed, so that the light beam emitted from the emission end is also affected, and the quality deteriorates. In this embodiment, since the main optical element is fixed to a member that does not move,
High-precision shape measurement is possible without worrying about quality deterioration.
[0084]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration in which the apparatus can be made more compact in
[0085]
In this figure, the
[0086]
A measuring
[0087]
In this embodiment, the light beam (a) is guided to the polarization beam splitter 11 fixed to the
[0088]
A
[0089]
Also in this configuration, the measurement is performed by scanning the moving
[0090]
In this example, in addition to the effects described in the fourth embodiment, there is no semiconductor laser or lens, and no polarization beam splitter or corner cube on the moving member side, so that the moving member can be configured more compactly.
[0091]
As a modification of the present embodiment, a configuration in which the position of the quarter-
[0092]
FIG. 7 shows
[0093]
In the figure, the
[0094]
The
[0095]
The light beam (a) is guided to a polarization beam splitter 11 fixed to the
[0096]
The P wave that has passed through the polarization beam splitter 11 is reflected by a half mirror 22 fixed to the
[0097]
On the other hand, the light reflected by the half mirror 22 is reflected by the polarization beam splitter 11 and is bent by the
[0098]
A
[0099]
The present embodiment is characterized in that the measurement is performed by controlling the rotary table 21 so that the signal of the second position sensor becomes constant. By making the signal of the second position sensor constant, the direction of the light beam reflected from the object to be measured can be made constant.
[0100]
The measurement of the object to be measured is performed by scanning the moving
[0101]
In the present embodiment, in addition to the effects described in the fifth embodiment, there is an effect that the direction of the light beam applied to the object to be measured can be always constant. Therefore, even when the shape error of the object to be measured is large, the reflected light is not greatly shifted and the measurable range is not narrowed.
[0102]
In the embodiment described above, a semiconductor laser is guided to a single mode optical fiber to obtain a point light source. The same effect can be obtained using a condensing lens and a pinhole. However, since this is an optical system that requires more time for alignment than a fiber that can be flexibly wired, extra cost and adjustment time are required.
[0103]
Further, as a specific driving means of the moving
[0104]
In the measurement sequence, the object to be measured can be attached / detached. However, when the same object to be measured is always measured, the steps (102) and (104) for attaching / detaching the object to be measured in the flowchart of FIG. 2 are not necessary.
[0105]
In each embodiment, a corner cube is used as an optical element. However, instead of the corner cube, a roof mirror, that is, a triangular prism having two surfaces orthogonal to each other may be used. This is because the roof mirror has the property that the incident light and the reflected light become parallel when observed from the direction along the ridgeline due to the effect of two reflecting surfaces orthogonal to each other. The vicinity of the ridge line is generally difficult to process, which causes the shape measurement accuracy to deteriorate. The corner cube has three ridge lines, but the roof mirror has two ridge lines, and the layout that does not use the ridge lines is simple. Therefore, the effect of improving the measurement accuracy can be obtained.
[0106]
【The invention's effect】
As described above, the curved surface shape measuring apparatus of the present invention includes a base for setting an object to be measured, and a movable member that can move in one direction along the surface to be measured of the object to be measured. A light source that generates a single light beam, a corner cube, and a light detection means that detects the traveling direction of the light beam, and irradiates the light beam from the light source at two different positions on the object to be measured. It has a basic configuration having a calculation control device for calculating the shape of the object to be measured from the obtained signal of the light detection means and the data of the storage device for storing the position of the moving member. The following effects are obtained with respect to the curved surface shape measuring apparatus. ,
1) Since the light source and the photodetector are configured on the same member in the basic configuration, the measurement result is not affected by the posture error of the moving member, and highly accurate shape measurement is possible.
2) Since the object to be measured is fixed to the base during measurement, the direction of the gravity vector applied to the object to be measured is always constant and the deformed state is maintained, so that highly accurate shape measurement is possible.
3) Since the light source is constituted by one, the influence of the fluctuation of the direction of the light beam generated by the light source and the light amount change error can be minimized.
4) Since the position sensor (light spot position detecting means) is composed of one, the influence of the position detection error of the position sensor can be minimized.
5) Since the difference in inclination between the two points is optically generated, a conventional arithmetic device is not required, and highly accurate shape measurement is possible.
6) Since it is composed of a small number of optical components, the influence of manufacturing errors of the optical components can be reduced, and highly accurate shape measurement can be performed.
7) Since there are only one light source and position sensor and there are few components of the optical system, the apparatus configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0107]
In addition, if the configuration using polarized light is used with respect to the basic configuration, the detection light beam is incident on the object to be measured almost perpendicularly, so even if the distance to the object to be measured changes, the position of the light beam does not move, A restriction on the distance to the object to be measured can be eliminated, and the degree of freedom in arrangement can be increased.
[0108]
There are various configurations in which the optical member of the measurement optical system is distributed to the surface plate side and the moving member side. However, the moving member can be made smaller as the optical system fixed to the moving member is reduced. At this time, it may be necessary to pay attention to the deterioration of the light beam quality due to the vibration caused by the movement of the moving member. However, if the optical fiber is arranged on the fixed member, the light beam quality is improved. And high-precision measurement is possible.
[0109]
Also, when a rotation function is added to the moving member side
1) Since the direction of the light beam applied to the object to be measured can be made constant at all times, even when the shape error of the object to be measured is large, the reflected light is prevented from being greatly shifted and the measurable range is narrowed. The range of application related to is expanded.
2) Since the orientation of the object to be measured does not change, the direction of the gravity vector is constant, so that the deformation state of the object to be measured due to gravity is maintained, the shape does not change during measurement, and the measurement accuracy can be improved.
There is an effect.
[0110]
In addition, using a single-mode optical fiber for each optical element, the light emitted from the end face can be regarded as a point light source, so a uniform light beam with improved light intensity unevenness and pointing stability caused by the light source. Thus, highly accurate shape measurement can be performed.
[0111]
Even with a configuration using a pinhole mask instead of a single mode fiber, light emitted from the pinhole mask can be regarded as almost a point light source, which improves light intensity unevenness and pointing stability caused by the light source. A homogeneous light beam is obtained, and highly accurate shape measurement is possible.
[0112]
As for the detection system, the detection means for the direction of travel of the light beam is configured only by the position sensor, and a certain accuracy can be obtained with a simple configuration. However, if a position sensor is arranged at the focal position of the lens using a lens system, Since the traveling direction of the light beam can be detected separately from the translation component of the beam, the measurement accuracy is improved. This configuration is particularly effective when the movement error of the moving member, the shape error of the object to be measured are large, and the parallel movement component of the light beam is large.
[0113]
For corner cubes, inexpensive roof mirrors can be used as an alternative. Since the roof mirror can reduce the possibility of the light beam hitting a ridge line with deteriorated characteristics, the measurement can be performed with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 2 is a
FIG. 3 is a view showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 4 is a view showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 5 is a view showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 6 is a view showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 7 is a view showing a curved surface shape measuring apparatus according to
FIG. 8 is a first diagram illustrating an optical path in the present invention;
FIG. 9 is a first diagram illustrating the operation in the present invention;
FIG. 10 is a second diagram illustrating an optical path in the present invention;
FIG. 11 is a second diagram illustrating the operation of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining the operation in the present invention.
13 is a diagram for explaining the operation in the present invention, FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation in the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram of the shape of a mirror used in the present invention;
FIG. 16 is an explanatory diagram of a conventional curved surface shape measuring apparatus;
FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of a conventional curved surface shape measuring apparatus;
[Explanation of symbols]
1 DUT,
2 base,
3 Spacer,
4 guides,
5 x-axis moving member,
6 Measuring head housing,
7 Semiconductor laser element,
8 single-mode optical fiber,
9 Optical fiber exit end,
10 lenses,
11 Polarizing beam splitter,
12 quarter wave plate
13 Corner cube,
14 position sensor,
15 lenses,
16 optical axes,
17 Optical surface plate,
18 mirrors,
19 Second position sensor,
20 control unit,
21 rotating table,
22 half mirror,
51 Y slide,
52 X slides,
53 Z slide
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