光学的手法を利用した鏡面の形状計測法の開発

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福岡県工業技術センター研究報告 No. 19 (2009)

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光学的手法を利用した鏡面の形状計測法の開発

―レーザ干渉計測法の検討と装置開発―

内野正和

^*1

谷川義博

^*1

Development of Measurement Method of Mirror Surface Figure Using Optical Method

- Investigation of Laser Interferometry Method and Equipment Development - Masakazu Uchino and Yoshihiro Tanigawa

近年，レンズ金型などの鏡面を持つものの形状を短時間で高精度に計測する技術が求められている。レンズ金型は成形品の性質上，滑らかな表面特性を持ち，高精度な寸法精度で加工・仕上げが行われている。そのためレンズ金型表面でレーザ光を反射させた場合，光学設計通りの反射特性を有しており光学的計測法を利用した形状評価に適した測定対象物である。本研究開発ではレンズ金型表面形状を簡便に計測することを目的として，レーザ干渉により得られる干渉縞を用いて形状評価技術開発の研究を行った。計測用の光学系を検討し，検証実験を行い，金型製作用加工機上での計測を可能とするために小型の試作機を製作した。

1 はじめに

レンズ用金型は光学的配光特性を考慮した設計による公差の極めて小さい加工が求められる製品である。

また，金型表面の粗さはレンズの透過特性に影響が大きいため表面が鏡面状に仕上げられている。この様なレンズ金型の形状評価はレーザプローブ方式の非接触式の計測機や接触式の三次元計測機などが利用されている。しかしながらこれらの装置は非常に高額であり，

測定は基本的に点計測で，点計測の結果から数式補完等を利用して表面のプロファイルを求める手法である。

更に計測するためには工作機械テーブルから金型を取り外す必要があるため高精度に形状の計測を行っても，

形状のズレ修正を行うことは基本的に困難で，最終評価にしか使うことができないのが現状である。そこで簡便な計測法で形状の分布状態が把握でき，工作機械上での計測が可能な評価装置の開発を目標としてレーザ干渉を利用した評価法の検討を行い，試作機を製作する。

2 計測手法の原理

^１）

計測法には鏡面の形状が干渉縞分布として簡便に得られ，その縞分布から形状の定性的な評価が可能なレーザ干渉法を用いた。図1に基本となるレーザ干渉法の光学系の概略図を示す。また，図2に測定物として平面ミラーを少し傾けて計測した時の干渉縞分布を示

す。図1は平行なレーザ光をハーフミラーで2分割し，

一方を測定物（平面ミラー）に，もう一方を参照体

（平面ミラー）にそれぞれ照射させ，両者で反射したレーザ光をカメラの素子上で干渉させ，干渉縞を得る光学系となっている。図2の干渉縞は測定物と参照体

*1 機械電子研究所

レーザ

レンズ

参照面（表面鏡）

ハーフミラー

カメラ

試料（表面鏡）

レーザ

レンズ

参照面（表面鏡）

ハーフミラー

カメラ

試料（表面鏡）

図 1 基本となるレーザ干渉計測の光学系の概略図

図 2 傾斜した平面ミラーによる干渉縞分布

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の平面ミラーの向きが一致した状態（干渉縞がほとんど見られない状態）から測定物の平面ミラーを傾斜

（垂直軸周りの回転）させた時に得られたもので，傾きに応じて干渉縞が発生している。図3は測定物である平面ミラーの代わりに凹面ミラーを用いた時の計測例で凹面ミラーの曲率に応じて干渉縞が得られ，中心から外側に向かって縞間隔が狭くなっている同心円状の干渉縞分布が観察できる。凹面ミラーの形状精度が高いため非常に綺麗な同心円状の干渉縞が得られている。しかしながら曲率が大きなレンズ金型を計測する場合は干渉縞が密になり過ぎ，このままでは干渉縞分布の評価は不可能となる。そこで，レンズを利用した曲率の大きな測定物の計測法について説明する。

ベアリングのような凸形状の鏡面を計測するための計測系の概略図を図4に示す。図4に示すように対物レンズを利用して平行光がベアリングの中心に集光するように測定物を配置する。この時，レーザ光はベアリングの表面に対して垂直に入射するため，反射光は入

射光の光路を反対に戻り，レンズで再び平行光となり，

カメラに照射される。その結果，参照対から反射した平行光とベアリングで反射した平行光による干渉となり，図5に示すように干渉縞はほとんど得られない。

しかしながら図6に示すようにレーザの集光する位置をベアリングの中心から少しずらすと同心円状の干渉縞が多数現れる。これはベアリングからの反射光が微妙に平行光ではなくなるためである。測定物の形状が軸対象であれば，干渉縞は綺麗な同心円状になり，縞間隔は内側から外側に向かって疎から密になっていく。

このような位置で現れる干渉縞分布を観察することで測定物表面の形状が評価できる。

次に，レンズ金型のような凹面形状の計測を行う場合の光学系の概略図を図7に示す。この光学系ではレンズを利用して平行光を集光させ，一旦焦点を結んだ後，金型表面に照射させる。焦点を結ぶ位置は金型の設計曲率と一致する円（球）の中心で，この位置に集

図 3 凹面ミラーを計測した時の干渉縞分布

図 5 ベアリングを計測した時の干渉縞分布

図 6 図 5 の状態から少し測定位置をずらして計測したベアリングの干渉縞分布

レーザ

レンズ対物レンズ

表面鏡

ハーフミラー

カメラ

ボールベアリングレーザ

レンズ対物レンズ

表面鏡

ハーフミラー

カメラ

ボールベアリング

図 4 凸面状鏡面の計測光学系の概略図

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光させた場合，金型表面に対して垂直にレーザ光が入射することになり，反射光は入射した光路を逆に進み，

レンズを透過すると再び平行光となる。ベアリングの計測と同様に焦点の位置を若干ずらすことである程度の数の干渉縞分布を得ることができ，軸対象の球形状金型の場合，干渉縞は中心部の間隔が広く，外側に向かって狭くなる分布となり，干渉縞分布の様子を観察することで，形状の評価が可能となる。

3 金型の計測実験

計測に使用した装置の写真を図8に示す。レーザは He-Neレーザを使用し，光ファイバーで装置まで導き，

レンズを利用し，平行光にする。キュービック型ビームスプリッターを用いてレーザ光を分割し，一部は参照用平面ミラー（平坦度λ/10の面精度，λ：633nm）

に，一部は対物レンズを使用して金型に照射する。カメラ（Lumenera製）は解像度が660万画素のCMOSカメラである。USBケーブルでパソコンに接続可能で，画

像表示や取り込みができる仕様となっている。装置は高さが100mm，幅が180x100mmで，加工機上での計測が可能なサイズである。

試作した干渉計測機を用いて転写金型^{２）}の計測実験を行った。図9に2種類の転写金型を計測した時の干渉縞分布図を示す。図9(a)の金型計測では干渉縞分布が中心から少し外側の干渉縞が疎になるように装置と金型の位置を調整している。疎になる部分はレーザ光の金型表面への入射光路と反射光路がほぼ同じであることを意味し，レーザ光をレンズで絞った焦点位置から金型までの距離が，疎になっている部分の金型の曲率に一致する。そのため金型と装置の位置関係を精度良く求めることで金型表面の形状を数値化することも可能である。また，図9(a)では疎になっている部分から中心部までの干渉縞の数が5〜6本，外側に向かっては4〜8本程度観察できる。よって干渉縞１本当たり 300nm程度の光路差となるので，計測範囲（3.2mm）の

図 9 転写金型を計測した時の干渉縞分布 (a)

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図 8 装置の写真

図 7 凹面状金型の計測光学系の概略図レーザ

レンズ対物レンズ

表面鏡

ハーフミラー

カメラ

金型レーザ

レンズ対物レンズ

表面鏡

ハーフミラー

カメラ

金型

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曲率は最大5µm程度の差しかないことが分かる。

一方，図9(b)の金型計測では中心近傍の干渉縞分布が同心円状になっていない様子が観察できる。これは中心部分で形状が滑らかな球面形状ではなく，凸凹となっていることが考えられる。また，外側の干渉縞も円状ではなく，歪んだ形状をしており，設計通りの形状とはなっていない。従来の形状計測では，高価な計測装置で断面のプロファイル計測を行っていたが，本計測装置を使用することで簡便に合否の判断ができ，

形状の評価が可能となることが確認できた。

4 まとめ

金型表面形状を簡便に計測することを目的として，

レーザ干渉法による形状評価装置を試作した。凹面を持つレンズ金型を計測するために対物レンズを使用しレーザ光を集光させ，計測する光学系を試作し，装置開発を行った。干渉縞の発生する位置を調節することで，複数の干渉縞を発生させ，干渉縞分布の様子から金型表面の形状評価が可能である。計測例として転写金型の計測を示し，精度良く転写されたものと転写できていないものの違いが明確に確認でき，本装置を利用して簡便に評価が可能であることが確認できた。

5 参考文献

1)大澤敏彦，小保方富夫：レーザ計測，5章，pp.71- 82，裳華房(1994)等

2)谷川義博他７名：2008年度精密加工学会秋季大会学術講演会，pp.73-74(2008)

光学的手法を利用した鏡面の形状計測法の開発