特許 6427982 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6427982

(24)【登録日】2018年11月9日

(45)【発行日】2018年11月28日

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20181119BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 A

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-127016(P2014-127016)

(22)【出願日】2014年6月20日

(65)【公開番号】特開2016-6388(P2016-6388A)

(43)【公開日】2016年1月14日

【審査請求日】2016年12月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001270

【氏名又は名称】コニカミノルタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107272

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 敬二郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109140

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 研一

(72)【発明者】

【氏名】井手 義憲

(72)【発明者】

【氏名】瀧谷 俊哉

【審査官】 佐々木 祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２５６７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３６９４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６５０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１５２３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９６９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１６２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４６３０３７４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平７−２８０５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１７０２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２７９０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

９／００ − ９／１０

２１／００ − ２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学素子の対向する第１面及び第２面の形状を測定する測定装置において、
前記第１面の形状を測定する第１の光学測定手段と、
前記第２面の形状を測定する第２の光学測定手段と、
前記第１の光学測定手段を剛的に固定する第１支持部材と、前記第２の光学測定手段を剛的に固定する第２支持部材と、前記第１支持部材と第２支持部材を連結する一対の連結部材を備えたホルダとを有し、
前記連結部材は、前記第１の光学測定手段の光軸及び前記第２の光学測定手段の光軸に略一致する上下方向である基準軸を挟んで、前記第１支持部材と前記第２支持部材とを複数個所で連結し、前記ホルダは前記基準軸に対して直交する方向から見たときに閉じた形状を有し、
前記ホルダは、矩形枠状であり、
前記ホルダを支持するために２カ所で連結されたフレームを有し、前記ホルダと前記フレームとの連結部を結んだ線上に、前記第１の光学測定手段及び前記第２の光学測定手段を保持したホルダの重心が位置し、
前記ホルダの連結部材の中央で、前記フレームがそれぞれ連結されていることを特徴とする測定装置。

【請求項2】

前記ホルダは、前記基準軸に対して直交する方向から見たときに線対称の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記ホルダは、前記基準軸の方向から見たときに，少なくとも２本の対称軸に対して線対称となる形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記ホルダと前記フレームとの連結部を結んだ線は、前記基準軸に直交することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置。

【請求項5】

前記フレームは可動ステージ上に載置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置。

【請求項6】

前記第１の光学測定手段と前記第２の光学測定手段は白色干渉計であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置。

【請求項7】

前記第１の光学測定手段の光軸と前記第２の光学測定手段の光軸とを位置決めする位置決め手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば光学素子の形状等を測定できる測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

撮像レンズ等の光学素子では、製造誤差などによって表裏の光学面中心に相対的なずれ（偏心）が生じることがあり、それにより光学性能が劣化する恐れがある。そこで、実際に形成された光学素子において偏心度を把握することが重要となっている。偏心度を測定する装置としては、２つの測定機器を光学素子の表裏面に対向して配置し、各々の測定機器の測定結果から偏心度を求めるものが知られている（特許文献１，２）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５３９９３０４号明細書

【特許文献2】特許第３６０４９９６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、近年においては、精度の高い光学素子が要求される傾向があり、例えば偏心度の許容範囲はとしてサブミクロンレベルのものが要求されている。これに対し、サブミクロンレベルで偏心度を測定するためには、測定機器の分解能を高めることは勿論のこと、測定機器の固定を剛的に行う必要がある。加えて、２つの測定機器の取り付け位置のずれは、理想状態に対して数十ｎｍレベル以内に抑えることが要求される。

【0005】

特許文献１には、それぞれステージに載置した２つの干渉計を、レンズの両面に対向して配置して、各々レンズの光学面を測定する装置が開示されている。しかるに、特許文献１の構成では、２つの干渉計の相対位置を決定する部品の点数が多く、また構造長が長いので、温度変化が生じると２つの干渉計の検出軸にずれが生じる恐れがあり、それにより測定結果の誤差が生じる恐れがある。又、２つの干渉計は、それぞれ片持ち状のＺステージに保持されているから剛的な保持が難しく、また構造上固有振動数が比較的低くなることから振動の発生を招きやすく、理想状態に対して数十ｎｍレベル以内に抑えることは困難である。

【0006】

特許文献２には、被測定物の上面側及び下面側に、被測定物の形状に沿って走査する上面光プローブ及び下面光プローブを配置した装置が開示されている。上面光プローブ及び下面光プローブは、それぞれステージ構造に搭載されているが、特許文献１と同様に２つのプローブの相対位置を決定する部品の点数が多く、また構造長が長いので、温度変化が生じると２つの光プローブにずれが生じる恐れがあり、それにより測定結果の誤差が生じる恐れがある。又、特許文献２の構成は、光プローブの検出光線を基準ミラーを介して反射するようにしているが、この基準ミラーの位置決めが難しく、構成をより複雑化させている。

【0007】

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構造を持ちながら、光学素子の高精度な測定を行える測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の測定装置は、
光学素子の対向する第１面及び第２面の形状を測定する測定装置において、
前記第１面の形状を測定する第１の光学測定手段と、
前記第２面の形状を測定する第２の光学測定手段と、
前記第１の光学測定手段を剛的に固定する第１支持部材と、前記第２の光学測定手段を剛的に固定する第２支持部材と、前記第１支持部材と第２支持部材を連結する一対の連結部材を備えたホルダとを有し、
前記連結部材は、前記第１の光学測定手段の光軸及び前記第２の光学測定手段の光軸に略一致する上下方向である基準軸を挟んで、前記第１支持部材と前記第２支持部材とを複数個所で連結し、前記ホルダは前記基準軸に対して直交する方向から見たときに閉じた形状を有し、
前記ホルダは、矩形枠状であり、
前記ホルダを支持するために２カ所で連結されたフレームを有し、前記ホルダと前記フレームとの連結部を結んだ線上に、前記第１の光学測定手段及び前記第２の光学測定手段を保持したホルダの重心が位置し、
前記ホルダの連結部材の中央で、前記フレームがそれぞれ連結されていることを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、前記連結部材が、前記第１の光学測定手段の光軸及び前記第２の光学測定手段の光軸に略一致する基準軸を挟んで、前記第１支持部材と前記第２支持部材とを複数個所で連結し、前記ホルダが、前記基準軸に対して直交する方向から見たときに閉じた形状を有するので、片持ち形状に比べ剛性が高く固有振動数が比較的高いため振動等が生じにくいものとなっている。これにより、簡素な構造を有しながらも、２つの光学測定手段を精度良く保持できるので、光学素子の高精度な形状測定を行うことが出来、これにより偏心度を精度良く把握できる。尚、前記第１支持部材と前記第２支持部材と前記連結部材とを一体物として前記ホルダを形成しても良く、これにより更に剛性が高まるが、個々の部材を接合して形成することで、閉じた形状であっても低コストで容易に形成できる。

【0010】

請求項２に記載の測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記ホルダは、前記基準軸に対して直交する方向から見たときに線対称の形状を有することを特徴とする。

【0011】

更に、前記ホルダは前記基準軸に対して直交する方向から見たときに線対称となる構造を有するから、前記基準軸に対して、前記第１の光学測定手段の光軸及び前記第２の光学測定手段の光軸とを略一致するように取り付けたとき、基準軸の両側で温度変動により生ずる膨張又は収縮が均一となり、これにより環境温度変化時においても、前記第１の光学測定手段の光軸と、前記第２の光学測定手段の光軸とのずれを抑制できる。

【0012】

請求項３に記載の測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ホルダは、前記基準軸の方向から見たときに，少なくとも２本の対称軸に対して線対称となる形状を有することを特徴とする。

【0013】

これにより、環境温度変化時においても、前記第１の光学測定手段の光軸と、前記第２の光学測定手段の光軸とのずれを更に抑制できる。

【0015】

前記ホルダと前記フレームとの連結部（面であればその中心）を結んだ線上に前記重心が位置するようにすることで、前記重心位置を振動の節とすることができ、外部振動源の影響が前記光学測定手段に及ぶことを抑制できる。

【0016】

請求項４に記載の測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ホルダと前記フレームとの連結部を結んだ線は、前記基準軸に直交することを特徴とする。

【0017】

これにより、ホルダの対称性が一層向上するので、高精度な測定が可能になる。

【0018】

請求項５に記載の測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記フレームは可動ステージ上に載置されていることを特徴とする。

【0019】

例えば干渉計などの光学測定手段を用いた場合、移動させることなく一度に測定できる範囲はせいぜい１〜２ｍｍ程度である。よって、より広範囲の測定が必要となる光学素子を測定する場合、光学素子に対して相対移動させる可動ステージに、前記フレームを介して前記ホルダを搭載するのが好ましい。

【0021】

前記ホルダを矩形状とすることで、前記第１支持部材である第１辺に前記第１の光学測定手段を取り付け、それと対向する前記第２支持部材である第３辺に前記第２の光学測定手段を取り付けた上で、前記連結部材である第２辺と第４辺の寸法を等しくすることで、温度変化時の熱膨張が釣り合ったホルダを提供できる。

【0022】

請求項６に記載の測定装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記第１の光学測定手段と前記第２の光学測定手段は白色干渉計であることを特徴とする。

【0023】

白色干渉計を用いることで、測定対象となる光学素子の一部の領域のみの測定でも面中心検出を行うことができ、また測定範囲に対して光学素子が大きい場合でも、２つの白色干渉計を移動させることなく固定したままで、光学素子の形状、ひいては偏心度測定が可能となる。但し、白色干渉計に限らず、測定対象となる光学素子の一部の領域のみの測定でも面中心検出を行うことができるものであれば用いることは可能である。

【0024】

請求項７に記載の測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記第１の光学測定手段の光軸と前記第２の光学測定手段の光軸とを位置決めする位置決め手段を有することを特徴とする。

【0025】

前記位置決め手段を用いることで、前記第１の光学測定手段の光軸と前記第２の光学測定手段の光軸とを精度良く位置決めすることができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、簡素な構造を持ちながら、光学素子の高精度な測定を行える測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本実施形態の測定装置1の正面図である。

【図2】図１の測定装置１を矢印II方向に見た図である。

【図3】測定装置に用いる白色干渉計１０の一例を示す模式図である。

【図4】別な実施の形態にかかるホルダ４’に白色干渉計１０を取り付けた状態で示している図である。

【図5】別な実施の形態にかかるホルダ４”を軸線ＡＸ方向に見た図２と同様な図である。

【図6】変形例にかかる測定装置の正面図であるが、フレーム等は省略して示している。

【図7】図６の測定装置を矢印VII方向に見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。

【0029】

図１は、本実施形態の測定装置1の正面図である。図２は、図１の測定装置１を矢印ＩＩ方向に見た図である。図１において、測定装置１は、Ｘ方向（図１で左右方向）及びＹ方向（図１で紙面垂直方向）に移動可能な可動ステージ２に載置されたフレーム３を有する。金属製のフレーム３は、可動ステージ２に固定される台板３ａと、台板３ａからＺ方向（図１で上下方向）に延在する一対のアーム部３ｂ、３ｂを有している。

【0030】

アーム部３ｂ、３ｂの上端は、互いに向くように鈎状となっており、その端部３ｃ、３ｃにホルダ４が連結されている。端部３ｃ、３ｃとホルダ４との固定は、ボルトなどを用いることが好ましいが溶接でも良い。

【0031】

ホルダ４は、例えば鋳造などにより形成された金属製の矩形枠状であって、上壁（第１支持部材）４ａと下壁（第２支持部材）４ｂの両端を、側壁（連結部材）４ｃ、４ｄにより（後述する基準軸を挟んで複数箇所で）連結したごとき一体形状を有する。上壁４ａの中央及び下壁４ｂの中央には、貫通したねじ孔４ｅ、４ｆが形成されている。アーム部３ｂ、３ｂの端部３ｃ、３ｃは、側壁４ｃ、４ｄの中央にそれぞれ連結されている。

【0032】

上壁４ａのねじ孔４ｅに白色干渉計（第１の光学測定手段）１０の端部に形成された雄ねじ１０ａを螺合させつつ、白色干渉計１０が上壁４ａに取り付けられており、その検出部はホルダ４の内側において下方を向いている。一方、下壁４ｂのねじ孔４ｆに白色干渉計（第２の光学測定手段）１０の端部に形成された雄ねじ１０ａを螺合させつつ、白色干渉計１０が下壁４ｂに取り付けられており、その検出部はホルダ４の内側において上方を向いている。２つの白色干渉計１０の光軸は略一致している。尚、アーム部３ｂ、３ｂの端部３ｃ、３ｃと、側壁４ｃ、４ｄの連結部を結んだ直線Ｌ（軸線ＡＸと直交する）上に、２つの白色干渉計１０とホルダ４の総合重心Ｇが位置している。これにより、総合重心Ｇの位置を振動の節とすることができ、外部振動源の影響が白色干渉計１０に及ぶことを抑制できる。

【0033】

ホルダ４の内側において、２つの白色干渉計１０に挟まれた位置に、測定対象となるレンズ（光学素子）ＬＳが、支持部５により保持された状態で配置されている。

【0034】

ホルダ４は、２つの白色干渉計１０の光軸と略一致する軸線（基準軸とする）ＡＸを有し、軸線ＡＸに対して直交する方向（図１の方向）から見たときに線対称となる閉じた矩形形状を有している。但し、これに限らずホルダ４の形状は線対称で閉じていれば、例えば多角形状もしくは環状であっても良い。本実施の形態は、ホルダ４の軸線ＡＸが基準軸と一致する例である。

【0035】

更にホルダ４は、図２に示すように軸線ＡＸの方向から見たときに矩形状であって，少なくとも２本の対称軸ＢＸ，ＣＸに対しても線対称となる形状を有している。

【0036】

図３は、白色干渉計１０の一例を示す模式図である。この白色干渉計１０は、マイケルソン型干渉計であるが、このタイプに限られることはない。光源１１から出射された光束は、フィルター１２を通過し、ビームスプリッタ１３で反射されて、被測定物（ここでは球）ＯＢＪ側に向かい、対物レンズ１４を通過し，ビームスプリッタ１５に入射して分岐される。ビームスプリッタ１５を通過した一部の光束は、被測定物ＯＢＪに入射し、残りの光束はビームスプリッタ１５で反射して，光路長が既知であるミラー１６に入射する。

【0037】

被測定物ＯＢＪからの反射光束と、ミラー１６からの反射光束は、再びビームスプリッタ１５で結合され、対物レンズ１４、ビームスプリッタ１３を通過し、ＣＣＤカメラ１７で干渉画像が検出される。尚、対物レンズ１４，ビームスプリッタ１５，ミラー１６は、アクチュエータ１８により一体的に移動可能となっている。対物レンズ１４及びビームスプリッタ１５の光軸が、白色干渉計１０の光軸となる。

【0038】

レンズの形状測定前において、２つの白色干渉計１０の光軸を一致させ、且つ光軸のチルトが生じないように校正する必要がある。本実施の形態においては、位置決め手段としてのねじ孔４ｅ、４ｆが高精度に形成されているので、ねじ孔４ｅ、４ｆに白色干渉計１０を取り付けることで、互いの光軸を一致させ且つチルトが生じないようにできる。尚、ホルダ４に対して白色干渉計１０の光軸のシフト又はチルトの有無を確認する場合、例えば特願２０１３−１９２５７５号に記載の方法を用いることができる。

【0039】

本実施形態の動作について説明する。図１に示すように、ホルダ４により対向配置した状態で保持された一方の白色干渉計１０により、レンズＬＳの上側面（第１の面）の形状測定を行い、同時に他方の白色干渉計１０により、レンズＬＳの下側面（第２の面）の形状測定を行う。より広範囲の測定が必要な場合には、可動ステージ２を駆動して、レンズＬＳに対して相対移動させれば良い。以上の測定により上側面と下側面の中心位置（光軸）が分かるので、そのズレであるレンズＬＳの偏心度の測定を行うことができる。

【0040】

本実施の形態によれば、ホルダ４が、軸線ＡＸに対して直交する方向から見たときに閉じた矩形状を有するので、剛性が高く固有振動数が比較的高いため振動等が生じにくくなっている。又、温度変化が生じた場合、ホルダ４は軸線ＡＸに線対称な形状であるので、側壁４ｃ、４ｄの熱膨張が等しくなり、これにより上壁４ａと下壁４ｂとの間隔は変動するが、それぞれに取り付けられた白色干渉計１０の光軸と、ホルダ４の軸線ＡＸとにずれは殆ど生じない。又、ホルダ４は、軸線ＡＸの方向から見たときに，２本の対称軸ＢＸ，ＣＸに対しても線対称となる形状を有しているので、対称軸ＢＸ，ＣＸの方向にも均等にホルダ４の熱膨張が生じるから、温度変化時における白色干渉計１０の光軸と、ホルダ４の軸線ＡＸとのずれを有効に抑制できる。

【0041】

尚、ホルダ４は、基準軸ＡＸに直交する方向又は基準軸ＡＸの方向から見たときに、必ずしも線対称である必要はない。例えば図１，２に一点鎖線で示すように、ホルダ４に付属物（例えば配線を固定するためのボス等）ＳＢを形成した場合や、穴や切欠などを設けた場合など非対称形状であっても、ホルダ４が閉じた形状であって上述の機能を阻害しない限り本発明の効果が得られる。

【0042】

図４は、別な実施の形態にかかるホルダ４’に白色干渉計１０を取り付けた状態で示している。図４において、金属製のホルダ４’は、同一形状、同一素材の上板４ａ’と下板４ｂ’の両端を、同一形状、同一素材の側板４ｃ’、４ｄ’にボルトＢＴを用いて締結することにより、矩形枠状の形状を有する。それ以外は、上述した実施の形態と同様である。本実施の形態によれば、上述した実施の形態より低コストで精度良くホルダ４'を製造できる。

【0043】

図５は、別な実施の形態にかかるホルダ４”を軸線ＡＸ方向に見た図２と同様な図である。本実施の形態のホルダ４”は、図５において、対称軸ＢＸに対してのみ線対称な形状となっている。又、ホルダ４”はねじ孔の代わりに溝４ｅ”を形成しており、背面側（図５で矢印で示す方向）から白色干渉計１０を差し入れて取り付ける構成となっている。

【0044】

以上述べた実施の形態においては、ホルダ４の軸線と基準軸とが一致した例をあげて説明したが、例えば図６，７に示すように、ホルダ４の軸線ＨＸと、白色干渉計１０の軸線と略一致する基準軸ＡＸとがシフトしていている場合でも、基準軸ＡＸに直交する方向に見てホルダ４が閉じた形状である限り本発明の範囲内である。

【産業上の利用可能性】

【0045】

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。

【符号の説明】

【0046】

１ 測定装置
２ 可動ステージ
３ フレーム
３ａ 台板
３ｂ アーム部
３ｃ 端部
４、４’、４” ホルダ
４ａ 上壁
４ｂ 下壁
４ｃ、４ｄ 側壁
４ａ’ 上板
４ｂ’ 下板
４ｃ’、４ｄ’ 側板
４ｅ、４ｆ ねじ孔
４ｅ” 溝
５ 支持部
１０ 干渉計
１１ 光源
１２ フィルター
１３ ビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
１５ ビームスプリッタ
１６ ミラー
１７ カメラ
１８ アクチュエータ
ＡＸ 軸線（基準軸）
ＢＸ，ＣＸ ホルダの対称軸
ＬＳ レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】