JPS6110164Y2 - - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【考案の詳細な説明】 本考案はレーザ光の集束性を利用した面精度検
査装置に関する。[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a surface accuracy inspection device that utilizes the focusing property of laser light.

従来光学部材の面精度を検査するには第１図に
示されるような干渉縞を観察あるいは測定する方
法が広く用いられていた。この方法は第１図にお
いて面精度を検査すべき被検物２の面に目的とす
る面を有する原器（平面あるいは曲面）１の面を
接触させ、たとえば原器側より単色光を入射して
被検物２の面と原器１の面の間の空気層における
光の多重反射の結果観察されうる干渉縞３を利用
するもので、上記の両面の間の空隙の変化に対応
した縞模様が観察されるので使用する単色光の波
長λに対してλ／２からλ／10の精度で測定が可
能である。 Conventionally, a method of observing or measuring interference fringes as shown in FIG. 1 has been widely used to inspect the surface accuracy of optical members. In this method, as shown in Fig. 1, the surface of a prototype (flat or curved) 1 having the target surface is brought into contact with the surface of the object 2 whose surface accuracy is to be inspected, and, for example, monochromatic light is applied from the prototype side. This method uses interference fringes 3 that can be observed as a result of multiple reflections of light in the air layer between the surface of the test object 2 and the surface of the prototype 1, and the fringes correspond to changes in the air gap between the two surfaces. Since patterns are observed, measurements can be made with an accuracy of λ/2 to λ/10 for the wavelength λ of the monochromatic light used.

この面精度検査方法においては次のような欠点
がある。第１の欠点は被検物と原器との面を接触
させるために、少くとも一方の面にきずがあつた
りごみが付着していると正確な面精度の検査が不
可能である。第２の欠点は両面の間にごみが存在
している状態で接触させると、それらの面にきず
を生じさせることであり特に原器にきずを生じさ
せることは重大な欠点である。第３の欠点は原器
を接触させることのできない面の面精度の検査は
不可能なことである。このことは単に被検物が保
持部材などによつて固定されたような状態では保
持部材などの存在のために原器と接触することが
できないという不便さだけではなく、すでに検査
済の被検物でもその保持の仕方によつてはその面
がわん曲することがあつて、その状態での面精度
を測定できないという重大な欠点があることを意
味する。第４の欠点は原器の作製が困難であり、
任意の大きさの原器を容易に入手することができ
ないことである。なおこのような原器の大きさは
直径25〜200mm程度が普通である。またその他の
面精度検査方法として干渉顕微鏡を用いて面精度
を検査することも可能であるがその場合でも原器
が必要である。 This surface accuracy inspection method has the following drawbacks. The first drawback is that since the surfaces of the test object and the prototype are brought into contact, accurate inspection of surface accuracy is impossible if at least one surface is scratched or has dust attached. The second drawback is that if the two surfaces are brought into contact with dirt present between them, scratches will occur on those surfaces, and in particular, scratches on the prototype are a serious drawback. The third drawback is that it is impossible to inspect the surface accuracy of surfaces that cannot be brought into contact with the prototype. This is not only an inconvenience in that when the test object is fixed with a holding member etc., it cannot come into contact with the prototype due to the presence of the holding member. This means that even objects can have their surfaces curved depending on how they are held, and there is a serious drawback in that it is not possible to measure the surface accuracy in that state. The fourth drawback is that it is difficult to create a prototype;
The problem is that prototypes of any size cannot be easily obtained. The size of such prototypes is usually around 25 to 200 mm in diameter. It is also possible to inspect the surface accuracy using an interference microscope as another surface accuracy inspection method, but even in that case, a prototype is required.

本考案の目的は上述のごとき欠点を除去した面
精度検査装置を提供することである。すなわち本
考案の目的は原器を必要とせず、被検物とは非接
触な面精度検査装置を提供することである。さら
に本考案の目的は内部の光学的な反射面の面精度
を検査できる面精度検査装置を提供することであ
る。 An object of the present invention is to provide a surface accuracy inspection device that eliminates the above-mentioned drawbacks. That is, an object of the present invention is to provide a surface accuracy inspection device that does not require a prototype and does not come into contact with the test object. A further object of the present invention is to provide a surface accuracy inspection device capable of inspecting the surface accuracy of an internal optical reflective surface.

本考案は単色の平行光束をオプテイカル・フラ
ツトな被検物に入射させる光学系と、該被検物か
らの反射光束を集束させる集束光学系と、その光
軸に関して集束位置の前後にわたり該反射光束の
光点を拡大観察しうる光学系とを有する面精度検
査装置である。こゝで単色の平行光束としてはレ
ーザ光束が好ましいが、水銀灯などの輝線を用い
ることも可能である。平行光束を被検物に入射さ
せる光学系としては平行光束の口径あるいは形状
を任意に変化できるものが好ましい。一般には平
行光束の形状は円形が好ましいが、その他にも正
方形などにすれば、それに対応した光点像の歪み
を観察することによつて被検物の面の位置による
面精度を検査することができる。拡大観察しうる
光学系とは上記の光点を拡大して観察しうるもの
ならばなんでもよく、後述するように望遠顕微鏡
が好ましい例であるが、光点の位置にスクリーン
または発光性のスクリーンなどを配してそれを透
過光学系あるいは反射光学系、あるいはフアイバ
ーグラスなどの光像伝達部材によつて拡大観察す
る光学系であつてもよく、さらに上記の光点の像
をスクリーンなどに肉眼で観察できる程度に拡大
投影する光学系であつてもよい。 The present invention consists of an optical system that makes a monochromatic parallel light beam incident on an optically flat test object, a focusing optical system that focuses a reflected light beam from the test object, and a focusing optical system that focuses a reflected light beam from the object. This is a surface accuracy inspection device that has an optical system that can magnify and observe a light spot. Here, a laser beam is preferable as the monochromatic parallel beam, but it is also possible to use a bright line from a mercury lamp or the like. The optical system for making the parallel light beam incident on the object is preferably one that can arbitrarily change the aperture or shape of the parallel light beam. In general, it is preferable that the shape of the parallel light beam is circular, but if it is also square, it is possible to inspect the surface accuracy depending on the position of the surface of the object by observing the corresponding distortion of the light spot image. Can be done. An optical system capable of magnifying observation may be any system as long as it can magnify and observe the above-mentioned light spot.As will be explained later, a telescope is a preferable example, but a screen or luminescent screen may be used at the position of the light spot. It may be an optical system in which the image is magnified and observed using a transmission optical system, a reflection optical system, or a light image transmission member such as fiber glass. It may be an optical system that magnifies and projects the image to the extent that it can be observed.

次に本考案を一実施例によつて説明する。第２
図は本考案の面精度検査装置の一例の光学的配置
図である。第２図において４は各種部材を載置す
る台である。レーザ光束の進路に沿つて説明す
る。レーザ光源５から発したレーザ光束６は反射
鏡７によつて反射された後、ビームエキスパンダ
ー８によつてその光束径が拡大された平行なレー
ザ光束９となる。この拡大された光束径はたとえ
ば30mm程度あれば一般には充分の大きさである。
このレーザ光束９は可変アパーチユア１０によつ
て検査すべき面の大きさに対応した円形の光束径
に絞られる。可変アパーチユア１０はレーザ光束
９を完全に遮断するいわゆるシヤツター機構を兼
用していてもよい。一方被検物２はレーザ光束９
の入射角をθに保つてその面を矢印１１の方向に
微動可能な保持具に固定されている。こうして被
検物２へ入射角θで入射したレーザ光束は反射角
θで反射された後、集光レンズ１２によつて集光
され光点１３を形成する。この光点１３は望遠顕
微鏡１４によつて拡大されて肉眼による観察ある
いは投影や撮影がされる。この望遠顕微鏡１４は
光点は１３に焦点を合わせるために矢印１５の方
向に微動が可能である。また望遠顕微鏡１４の接
眼レンズ部には環状指標１６が刻まれており光点
１３と同時に観察が可能である。また１７はナイ
フエツジであり集光レンズ１２からその焦点距離
ｆだけ離れた位置を中心に矢印１８の方向（以後
Ｚ方向と称する）に微動可能で、その移動量は外
部の目盛などで読みとり可能である。このナイフ
エツジ１７は後述するように、観察される光点１
３の位置を読みとるために光点１３と共に望遠顕
微鏡１４の視野内に入るように配置され、望遠顕
微鏡１４を微動することによつて観察される光点
１３の位置にナイフエツジ１７を移動させてその
ピントを合わせることにより光点のＺ方向の位置
が外部の目盛などにより読みとられる。なおナイ
フエツジ１７は光源１９によつて照明されている
のでそのピント合わせは容易にできる。望遠顕微
鏡１４によつて観察される視野２０の様子の例が
図の下方に示されている。視野２０中の１３′お
よび１７′はそれぞれ光点１３およびナイフエツ
ジ１７の像である。 Next, the present invention will be explained by way of an example. Second
The figure is an optical layout diagram of an example of the surface accuracy inspection device of the present invention. In FIG. 2, 4 is a stand on which various members are placed. The explanation will be given along the course of the laser beam. A laser beam 6 emitted from a laser light source 5 is reflected by a reflecting mirror 7, and then becomes a parallel laser beam 9 whose beam diameter is expanded by a beam expander 8. This enlarged beam diameter is generally sufficient if it is about 30 mm, for example.
This laser beam 9 is focused by a variable aperture 10 to a circular beam diameter corresponding to the size of the surface to be inspected. The variable aperture 10 may also serve as a so-called shutter mechanism that completely blocks the laser beam 9. On the other hand, the object 2 is a laser beam 9
It is fixed to a holder that allows fine movement of its surface in the direction of arrow 11 while maintaining the angle of incidence at θ. In this way, the laser beam incident on the object 2 at an incident angle θ is reflected at a reflection angle θ, and then condensed by the condenser lens 12 to form a light spot 13. This light spot 13 is magnified by a telescopic microscope 14 and is observed with the naked eye or projected or photographed. This telescopic microscope 14 can be moved slightly in the direction of an arrow 15 in order to focus the light spot 13. Further, an annular index 16 is engraved on the eyepiece portion of the telescopic microscope 14, so that it can be observed at the same time as the light spot 13. Reference numeral 17 denotes a knife edge that can be moved slightly in the direction of arrow 18 (hereinafter referred to as the Z direction) around a position separated from the condenser lens 12 by its focal length f, and the amount of movement can be read on an external scale. be. As described later, this knife edge 17 is a light spot 1 to be observed.
In order to read the position of the light spot 13, the knife edge 17 is placed within the field of view of the telescope 14 together with the light spot 13, and the knife edge 17 is moved to the position of the light spot 13 to be observed by slightly moving the telescope 14. By focusing, the position of the light spot in the Z direction can be read using an external scale or the like. Note that since the knife edge 17 is illuminated by the light source 19, it can be easily focused. An example of the appearance of the field of view 20 observed by the telescopic microscope 14 is shown at the bottom of the figure. 13' and 17' in the field of view 20 are images of the light spot 13 and the knife edge 17, respectively.

次に被検物の面状態と本考案装置によつて観察
される像との関係を示し、それによつて面精度の
検査方法を説明する。第３図は各種の被検物の面
ａ〜ｅとそれらの観察される像のＺ軸方向の形状
の変化を示す図である。前述のように被検物２の
面に入射するレーザ光束は平行光束であるので、
被検物２の面が平面であればその反射光は平行光
束のまゝであり、集光レンズ１２によつてその集
点距離ｆの距離にあるＺ＝０の位置に集束する光
点１３は最小の光点径となる。さてＺ＝０を中心
として光点１３をその前後の位置で観察したとき
の光点像１３′の模式図が第３図に描かれてい
る。ａのごとく被検物２の光点像１３′がＺ＝０
の位置で最小となりその前後で大きくなりかつ環
状指標１６と同形である場合は、被検物２の面の
平面精度が良いと判断される。ｂのごとく光点像
１３′の形状は円形でその最小光点径になる位置
がＺ＜０にあり、Ｚ＞０の向きに進むに従つてそ
の光点径が大きくなる場合には、その被検物２の
面は凹形の球面であると判断される。ｃのごとく
光点像１３′の形状が円形でその最小光点径にな
る位置がＺ＞０にあり、Ｚ＜０の向きに進むに従
つてその光点径が大きくなる場合には、その被検
物２の面は凸形の球面であると判断される。ｄあ
るいはｅのごとく光点像１３′の光点径が最小に
なる位置が二次元方向に一致しない場合は、被検
物２の面が二次元方向に異なる曲率を有する曲面
であると判断される。さらにｄのごとく光点径の
最小になる位置がＺ＜０の方に寄つている場合に
は、その被検物の面は凹形の曲面であり、逆にｅ
のごとくＺ＜０の方に寄つている場合には、その
被検物の面は凸形の曲面であると判断される。実
際の被検物の面はこれらのａ〜ｅ以外に平面、球
面あるいは曲面が入りまじつていて複雑な光点像
の変化を示すことがあるが、経験的にはｂやｃの
光点像の変化の仕方に準じて判断できるものが多
い。 Next, the relationship between the surface condition of the object to be inspected and the image observed by the apparatus of the present invention will be shown, and a method for inspecting surface accuracy will be explained accordingly. FIG. 3 is a diagram showing changes in the shapes of surfaces a to e of various objects to be inspected and their observed images in the Z-axis direction. As mentioned above, since the laser beam incident on the surface of the test object 2 is a parallel beam,
If the surface of the object 2 to be inspected is flat, the reflected light remains a parallel beam of light, and is focused by the condensing lens 12 to a light point 13 at a position of Z=0 at a distance of focal distance f. is the minimum light spot diameter. FIG. 3 shows a schematic diagram of a light spot image 13' when the light spot 13 is observed at positions before and after Z=0. As shown in a, the light spot image 13' of the object 2 is Z=0
If it becomes minimum at the position , increases before and after it, and has the same shape as the annular index 16 , it is determined that the plane accuracy of the surface of the object 2 to be inspected is good. As shown in b, the shape of the light spot image 13' is circular, and the position with the minimum light spot diameter is at Z<0, and if the light spot diameter increases as it advances in the direction of Z>0, then The surface of the test object 2 is determined to be a concave spherical surface. If the shape of the light spot image 13' is circular as shown in c, and the position where the light spot diameter is the minimum is at Z>0, and the light spot diameter increases as it advances in the direction of Z<0, then The surface of the test object 2 is determined to be a convex spherical surface. If the position where the light spot diameter of the light spot image 13' is minimum does not match in the two-dimensional direction as shown in d or e, it is determined that the surface of the object 2 to be inspected is a curved surface having a different curvature in the two-dimensional direction. Ru. Furthermore, if the position where the light spot diameter is minimum is closer to Z<0 as shown in d, the surface of the object to be examined is a concave curved surface, and conversely, e
If Z is closer to Z<0, as shown in FIG. In addition to these a to e, the actual surface of the object to be inspected may include flat, spherical, or curved surfaces, resulting in complex changes in the light spot image, but empirically, light spots b and c Many things can be judged based on the way the image changes.

以上の実施例の場合にはレーザ光束を平行光束
の場合について説明したが、被検物に照射する光
束が集束光束あるいは発散光束であつても平面の
被検物から反射された光束が集束レンズによつて
最小径の光点に集束する位置をＺ＝０と定めれば
前述の場合と同様にして検査することができる。 In the above embodiments, the laser beam is a parallel beam. However, even if the beam irradiating the object is a converging beam or a diverging beam, the beam reflected from the flat object is reflected by the converging lens. If the position where the light spot with the smallest diameter is focused by is determined as Z=0, inspection can be performed in the same manner as in the above case.

さて、被検物がその表面からのみ光を反射する
場合とガラス板のように透明な物質からできて、
裏面または内部の面からも反射をする場合があ
る。表面および内部の面から光が反射する場合に
はこの両面が平行平面であるとき入射光束が平行
光束であるとき両面からの反射光束は集束レンズ
によつて同じ光点として重なる。しかしながらこ
の両面が平行でない場合には両面からの反射光束
は集束レンズによつて異なる位置に光点を生ず
る。また入射光束が集束光束であつたり発散光束
である場合にも両面からの反射光束は異なる位置
に光点を生ずる。このような場合には両面の面精
度を区別して検査することが可能である。その場
合には第２図において被検物２を矢印１１の方向
に移動させることによつて被検物の内部の面から
反射される光点像を望遠顕微鏡の視野に合わせる
ことができる。また第２図においては入射角θと
して45゜に描かれているが、特に45゜に限定する
ことなく適当な角度に変更することが可能であ
る。例えば入射角を０゜として、反射光束を半透
鏡によつて集束レンズに導くこともできる。その
場合には入射光束光学系または反射光束光学系の
少くとも一方の光軸を変化させればよい。またθ
を大きくとれば前述の表面と内部の面とから反射
する光束の集束する位置が分離するので両光点を
区別して検査する場合に便利である。 Now, when the test object reflects light only from its surface, and when it is made of a transparent material like a glass plate,
Reflections may also occur from the back or internal surfaces. When light is reflected from a surface and an internal surface, when both surfaces are parallel planes, and when the incident light beam is a parallel light beam, the reflected light beams from both surfaces overlap as the same light point by a converging lens. However, if the two surfaces are not parallel, the light beams reflected from both surfaces will produce light spots at different positions due to the focusing lens. Further, even when the incident light beam is a converging light beam or a diverging light beam, the light beams reflected from both surfaces produce light spots at different positions. In such a case, it is possible to distinguish and inspect the surface accuracy of both surfaces. In that case, by moving the test object 2 in the direction of the arrow 11 in FIG. 2, the image of the light spot reflected from the internal surface of the test object can be aligned with the field of view of the telescopic microscope. Further, although the incident angle θ is shown as 45° in FIG. 2, it is not limited to 45° and can be changed to any suitable angle. For example, the incident angle can be set to 0°, and the reflected light beam can be guided to a focusing lens by a semi-transparent mirror. In that case, the optical axis of at least one of the incident beam optical system or the reflected beam optical system may be changed. Also θ
By setting a large value, the positions where the light beams reflected from the above-mentioned surface and the internal surface are focused will be separated, which is convenient for distinguishing and inspecting both light points.

本考案によれば目的とする面を有する原器がな
くても面精度を測定することができる。特に被検
物の表面が平面である場合には平面原器を必要と
しない。また目的とする原器と面精度を比較する
必要のある場合には、原器によつて観察される光
点像と比較することによつて被検物の面精度を検
査できる。本考案によれば原器あるいは被検物に
きずを生じさせることはない。本考案によれば光
学的な原器を接触させることができない被検物の
面精度を検査できる。本考案によれば保持部材な
どによつて取付けられる被検物の面精度を測定す
ることができる。また本考案によれば単色で平行
性のよいレーザ光束を使用しているので入射光束
の径を大きくしてもふたたび小さい光点に集束さ
せうるので任意の大きさの被検物の面精度の検査
をすることができる。さらに被検物の面を保つ
て、被検物をその面内で移動させればより広い被
検物の面精度の検査ができる。また本考案によれ
ば内部の反射面の面精度の検査ができることであ
り、このことは非常に重要な本考案の効果であ
る。また本考案によればレーザ光束用の反射鏡の
平面性検査を容易にできる。 According to the present invention, surface accuracy can be measured even without a prototype having a target surface. In particular, when the surface of the test object is flat, a flat prototype is not required. Furthermore, when it is necessary to compare the surface accuracy with a target prototype, the surface accuracy of the object to be tested can be inspected by comparing it with a light spot image observed by the prototype. According to the present invention, no damage is caused to the prototype or the test object. According to the present invention, it is possible to inspect the surface accuracy of a test object that cannot be brought into contact with an optical prototype. According to the present invention, it is possible to measure the surface accuracy of an object to be inspected that is attached by a holding member or the like. In addition, according to the present invention, since a monochromatic laser beam with good parallelism is used, even if the diameter of the incident beam is increased, it can be focused again on a small light spot, so it is possible to improve the surface accuracy of a specimen of any size. Can be inspected. Furthermore, by keeping the surface of the object to be inspected and moving the object within that surface, the surface accuracy of a wider object can be inspected. Furthermore, according to the present invention, the surface accuracy of the internal reflecting surface can be inspected, which is a very important effect of the present invention. Further, according to the present invention, it is possible to easily inspect the flatness of a reflecting mirror for a laser beam.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の干渉縞による面精度検査を説明
するための斜視図。第２図は本考案装置の一例の
光学系配置図。第３図は本考案装置によつて観察
される被検物の面に対する光点像の例。 図において、２は被検物、５はレーザ光源、８
はビームエキスパンダ、１０は可変アパーチユ
ア、１２は集束レンズ、１３は光点、１３′は光
点像、１４は望遠顕微鏡、２０は望遠顕微鏡の視
野。 FIG. 1 is a perspective view for explaining surface accuracy inspection using conventional interference fringes. FIG. 2 is an optical system layout diagram of an example of the device of the present invention. FIG. 3 is an example of a light spot image on the surface of the object observed by the device of the present invention. In the figure, 2 is the test object, 5 is the laser light source, and 8
10 is a beam expander, 10 is a variable aperture, 12 is a focusing lens, 13 is a light spot, 13' is a light spot image, 14 is a telescopic microscope, and 20 is the field of view of the telescopic microscope.

Claims (1)

Translated fromJapanese

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 単色の平行光速をオプテイカル・フラツトな被
検物に入射させる光学系と、該被検物からの反射
光束を集束させる集束光学系と、その光軸に関し
て集束位置の前後にわたり該反射光束の光点を拡
大観察しうる光学系とを有することを特徴とする
面精度検査装置。 An optical system that makes a monochromatic parallel light beam enter an optically flat test object, a focusing optical system that focuses a reflected light beam from the test object, and a light spot of the reflected light beam that extends before and after the focusing position with respect to the optical axis. A surface accuracy inspection device characterized by having an optical system capable of magnified observation.