変位測定装置、変位測定方法、光学用部材成形用金型の製造方法及び光学用部材
【課題】レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することのできる変位測定装置及び変位測定方法を提供する。
【解決手段】ビームスプリッタ３により、レーザ光源１から出射されたレーザ光を被測定物４に向かう第１分割レーザ光２ａ及び第２分割レーザ光２ｂに分割すると共に、第２受光素子６ｂにより第２分割レーザ光２ｂを受光する。そして、第２受光素子６ｂを、第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光２ｂの光量の割合と第１受光素子６ａに入射する第１分割レーザ光２ａの光量の割合とが一致する位置に配置し、位置演算器８は、第１受光素子６ａの出力及び第２受光素子６ｂの出力の差に基づいてレーザ光源１に対する被測定物４の変位を演算する。
【解決手段】ビームスプリッタ３により、レーザ光源１から出射されたレーザ光を被測定物４に向かう第１分割レーザ光２ａ及び第２分割レーザ光２ｂに分割すると共に、第２受光素子６ｂにより第２分割レーザ光２ｂを受光する。そして、第２受光素子６ｂを、第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光２ｂの光量の割合と第１受光素子６ａに入射する第１分割レーザ光２ａの光量の割合とが一致する位置に配置し、位置演算器８は、第１受光素子６ａの出力及び第２受光素子６ｂの出力の差に基づいてレーザ光源１に対する被測定物４の変位を演算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で被測定物の変位を測定する変位測定装置、変位測定方法、光学用部材成形用金型の製造方法及び光学用部材に関し、特にレーザ光により被測定物の変位を測定するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば工作機械で加工を行う時には、工作機械上における工具の位置、工具の先端形状の情報が必要である。そこで、従来は、工具の位置や先端形状を測定するため、ワークにダミー加工を行った後、ワークを取り外し、工作機械外の測定装置を用いてダミー加工の加工痕を測定することにより工作機械上における工具の位置や先端形状を測定している。
【０００３】
しかし、このような方法はダミー加工を行った後、工作機械外でダミー加工の加工痕の測定を行なうので、スループットを損なってしまうことと、工具が磨耗するという課題がある。そこで、従来は、このような課題に対しては、工具でレーザ光を遮光させ、遮光した光量変化を測定することにより、非接触で、工作機械上で工具のレーザ光源に対する変位を測定するようにしたものがある（特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−８８５５５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような遮光した光量変化を測定する従来の変位測定装置及び変位測定方法においては、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれが測定誤差となってしまう課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することのできる変位測定装置、変位測定方法、光学用部材成形用金型の製造方法及び光学用部材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】
【０００７】
本発明の変位測定装置は、被測定物の変位を測定するための変位測定装置であって、レーザ光源と、被測定物と、前記被測定物と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割するビームスプリッタと、前記第１分割レーザ光を受光する受光素子と、前記第２分割レーザ光を受光する演算用受光素子と、前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した前記受光素子の出力及び前記第２分割レーザ光を受光した前記演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を演算する演算部と、を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また本発明の変位測定方法は、被測定物の変位を測定するための変位測定方法であって、被測定物とレーザ光源との間に配置されたビームスプリッタにより、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割し、前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した受光素子の出力及び第２分割レーザ光を受光した演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を測定することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光学用部材成形用金型の製造方法は、加工プログラムにより切削工具の刃先と金型とを相対移動させて前記金型を切削加工する光学用部材成形用金型の製造方法であって、本発明の変位測定方法により測定した切削工具の刃先の形状から前記加工プログラムを作成し、作成した前記加工プログラムにより前記切削工具と前記金型とを相対移動させて前記金型を切削加工することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の光学用部材は、本発明の光学用部材成形用金型の製造方法により製造された金型を用いて成形されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のように、分割されたレーザ光をそれぞれ受光した受光素子の出力及び演算用受光素子の出力の差に基づいてレーザ光源に対する被測定物の変位を演算することにより、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図５】本発明の変位測定装置の測定対象である切削工具を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。図１において、１はレーザ光２を出射するレーザ光源であり、このレーザ光源１から、ビーム径３ｍｍの太さを有するレーザ光２が出射される。３はビームスプリッタであり、このビームスプリッタ３により、レーザ光２は２つのレーザ光２ａ，２ｂに分割される。５は工具等の被測定物４を固定する駆動ステージであり、この駆動ステージ５は、被測定物４が分割されたレーザ光２の内の一方のレーザ光（以下、第１分割レーザ光という）２ａを遮光する方向に駆動できる構成となっている。
【００１４】
また、６ａは被測定物４のレーザ光出射方向下流側に配置された第１受光素子である。ここで、第１分割レーザ光２ａは、ビームスプリッタ３により分割され、被測定物４により一部が遮光された後、第１受光素子６ａに入射され、第１受光素子６ａでは入射された第１分割レーザ光２ａの光量を測定する。
【００１５】
６ｂは第２受光素子であり、この第２受光素子６ｂはビームスプリッタ３により分割されたレーザ光２のうちの第１分割レーザ光２ａとは別方向に向かうレーザ光（以下、第２分割レーザ光という）２ｂを受光し、第２分割レーザ光２ｂの光量を測定する。ここで、演算用受光素子である第２受光素子６ｂは、被測定物４の場所で第１分割レーザ光２ａが通過する方向と分割前のレーザ光の同じ方向に相当する第２分割レーザ光２ｂのみを入射するように設置されている。なお、これらレーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２第１受光素子６ａ，６ｂは、ベース７に固定されている。
【００１６】
８は第１及び第２受光素子６ａ，６ｂの出力より被測定物４の位置を演算する演算部である位置演算器である。９は駆動ステージ５を矢印Ａで示す第１分割レーザ光２ａを遮光する方向に移動させる不図示の駆動部を制御するステージ制御部であり、このステージ制御部９は、位置演算器８からの出力に基づき、不図示の駆動部の駆動量を制御する。
【００１７】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が任意の量で遮光した位置（第１分割レーザ光２ａと被測定物４の相対位置）の出力変化を測定することにより被測定物４の変位を測定するようにしている。
【００１８】
以下、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合について説明する。なお、このような測定を行うのは、レーザ光２がガウシアン分布であるために、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した時の感度が最も高くなるのが５０％遮光した位置だからである。この場合、第２受光素子６ｂの設置位置も第２分割レーザ光２ｂの光量が５０％となる位置である。
【００１９】
言い換えれば、第２受光素子６ｂの設置位置は、被測定物４により遮光された第１分割レーザ光２ａが第１受光素子６ａに入力される幅Ｗ１と、第２分割レーザ光２ｂが入力される幅Ｗ２とが同じになる位置である。即ち、本実施の形態において、第２受光素子６ｂは、第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光の２ｂ光量の割合と、第１受光素子６ａに入射する第１分割レーザ光２ａの光量の割合とが一致する位置に配置されている。
【００２０】
第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１から第２受光素子６ｂまでの距離をＬｂ１とおけば、次式で表せる。なお、測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ１との乗数で光量出力Ｖｂ（％）に影響する。なお、距離Ｌｂ１は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ１）・・・（１）
【００２１】
このように、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光源１からのレーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００２２】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から第１受光素子６ａまでの距離をＬａ１、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ１は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ１）・・・（２）
【００２３】
ここで、レーザ光源１からのレーザ光の光量安定性、光量分布が良好で、光軸ぶれがない場合には、Ｖｂ＝Ｖａとなるが、レーザ光の光量安定性、光量分布が悪く、光軸ぶれがある場合には、ＶｂとＶａとは異なるようになる。そこで、このようにＶｂとＶａとが異なる場合には、ＶａとＶｂの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査するようにする。
【００２４】
そして、このように駆動ステージ５を走査してＶａとＶｂとの値を等しくすることにより、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光する位置を測定することができる。ここで、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には、正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００２５】
このように、本実施の形態では、レーザ光２を分割し、分割されたレーザ光である第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光するようにしている。そして、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置を測定するようにしている。
【００２６】
これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。そして、このようにレーザ光２の光量強度等の影響を低減して被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定することにより、被測定物４の変位を精度よく測定することができる。
【００２７】
また、被測定物４の変位を精度よく測定し、この測定位置に基づいてステージ制御部９が駆動部の駆動量を制御することにより、被測定物４を所望する位置、例えば、第１分割レーザ光２ａを５０％遮光する位置に移動させることができる。言い換えれば、被測定物４を移動させ、被測定物４の目標位置に対応する第１分割レーザ光２ａの光量と、第２分割レーザ光２ｂの光量とを一致させることにより、被測定物４を所望する位置に移動させることができる。
【００２８】
以上説明したように、分割レーザ光を受光した第１及び第２受光素子６ａ，６ｂの出力の差に基づいてレーザ光源１に対する被測定物４の変位を演算することにより、レーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図２において、既述した図１と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００３０】
図２において、１０はビームスプリッタ３と第２受光素子６ｂの間に設けられ、第２分割レーザ光２ｂを遮蔽する遮蔽物であるナイフエッジである。このナイフエッジ１０は、被測定物４の場所で第１分割レーザ光２ａが透過する方向の光軸に対して同一の方向の第２分割レーザ光２ｂのみが第２受光素子６ｂに入射するように設置されている。なお、レーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２受光素子６ａ，６ｂ、ナイフエッジ１０は、ベース７に固定されている。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。なお、本実施の形態においても、既述した第１の実施の形態と同様に、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が任意の量で遮光した位置（第１分割レーザ光２ａと被測定物４の相対位置）を測定することにより変位を測定するようにしている。
【００３２】
以下、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合について説明する。第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ２とおけば、次式で表せる。測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ２との乗数で光量出力Ｖｂ（％）に影響する。なお、距離Ｌｂ２は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ２）・・・（３）
【００３３】
つまり、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００３４】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（４）
【００３５】
そして、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合は、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）と第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）との値が等しくなるように駆動ステージ５を走査すれば良い。ここで、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態では、ナイフエッジ１０を通過した第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光し、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定するようにしている。これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。さらに、ナイフエッジ１０を用いることにより、簡易な構成で第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光２ｂを、被測定物４で遮光される第１分割レーザ光２ａと、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する方向から遮光することができる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図３において、既述した図２と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００３８】
図３において、１１ａ〜１１ｄは焦点距離が同一の集光レンズであり、第１及び第２分割レーザ光２ａ，２ｂのそれぞれの光路上において集光光学系を構成している。なお、本実施の形態において、駆動ステージ５は、矢印Ａで示す被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光する方向と、矢印Ｂで示す第１分割レーザ光２ａの光軸方向とに駆動できる構成となっている。
【００３９】
ここで、ナイフエッジ１０は第２分割レーザ光２ｂの光軸方向において集光レンズ１１ｃの焦点位置に固定されている。また、レーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２受光素子６ａ，６ｂ、ナイフエッジ１０、集光レンズ１１ａ〜１１ｄは、ベース７に固定されている。
【００４０】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。まず、被測定物４を駆動ステージ５により、第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に移動させる。なお、被測定物４が集光レンズ１１ａの焦点位置に移動したかは第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）により判断する。
【００４１】
例えば、被測定物４による遮光量が５０％より小さい場合は、第１分割レーザ光２ａの光軸方向に被測定物４を走査したときの光量出力Ｖａ（％）は、焦点位置で最大となる。したがって、被測定物４を光量出力Ｖａ（％）が最大となる位置まで移動させることにより、被測定物４を集光レンズ１１ａの焦点位置に移動させることができる。
【００４２】
次に、このように被測定物４を第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に設置した後、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定することにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定する。ここで、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ２とおけば、次式で表せる。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ２）・・・（５）
【００４３】
つまり、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００４４】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（６）
【００４５】
ここで、本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定したいので、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂとの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査する。
【００４６】
なお、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態では、第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光し、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置を測定するようにしている。これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。さらに、第１分割レーザ光２ａを被測定物４の位置で、第２分割レーザ光２ｂをナイフエッジ１０の位置で集光させているので、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、より高精度に測定することができる。
【００４８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図４において、既述した図３と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００４９】
図４において、３ａは第１ビームスプリッタであり、本実施の形態において、第１ビームスプリッタ３ａとして、第１分割レーザ光２ａの光量を３３％、第２分割レーザ光２ｂの光量を６６％に分割する素子を使用している。また、３ｂは第１ビームスプリッタ３ａにより光量を６６％に分割された第２分割レーザ光２ｂを、２つのレーザ光２ｃ，２ｄに分割する第２ビームスプリッタである。なお、本実施の形態において、この他のビームスプリッタである第２ビームスプリッタ３ｂとしてハーフミラーを使用する。
【００５０】
第１分割レーザ光２ａは、被測定物４で一部が遮光され、遮光された後の第１分割レーザ光２ａは、第１受光素子６ａにより光量を測定する。また、第２ビームスプリッタ３ｂにより分割された第２分割レーザ光２ｂの一方のレーザ光（以下、第３分割レーザ光という）２ｃは、第２受光素子６ｂで光量を測定する。
【００５１】
そして、被測定物４の場所で透過する第１分割レーザ光２ａと、分割される前のレーザ光の同じ方向に相当する方向の第３分割レーザ光２ｃのみが第２受光素子６ｂに入射するようにナイフエッジ１０が設置されている。なお、本実施の形態において、ナイフエッジ１０は、第３分割レーザ光２ｃの光軸方向において集光レンズ１１ｃの焦点位置、すなわち第３分割レーザ光２ｃの光量が５０％透過する位置に固定されている。
【００５２】
また、第２ビームスプリッタ３ｂにより分割された第２分割レーザ光２ｂの他方のレーザ光（以下、第４分割レーザ光という）２ｄは、第３受光素子６ｃで光量を測定する。なお、レーザ光源１、第１及び第２ビームスプリッタ３ａ，３ｂ、第１〜第３受光素子６ａ〜６ｃ、ナイフエッジ１０、集光レンズ１１ａ〜１１ｄは、ベース７に固定されている。
【００５３】
そして、本実施の形態においては、第１〜第３受光素子６ａ〜６ｃの出力より被測定物４の位置を演算している。次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。
【００５４】
まず、被測定物４を、矢印Ｂに示すように、第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に駆動ステージ５により移動させる。集光レンズ１１ａの焦点位置は、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａにより判断する。例えば、被測定物４による遮光量が５０％より小さい場合は、第１分割レーザ光２ａの光軸方向に被測定物４を走査したときの光量出力Ｖａは、焦点位置で最大となる。
【００５５】
そして、このようにして被測定物４を第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に設置した後に、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光する位置を測定する。
【００５６】
ここで、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ３とおけば、次式で表せる。測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ３との乗数で光量出力Ｖｂに影響する。なお、距離Ｌｂ３は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ３）・・・（７）
【００５７】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（８）
【００５８】
そして、受光素子６ｃの光量出力Ｖｃ（％）は、レーザ光源１の光量出力の３３％であるので、次式で表せる。
Ｖｃ（％）＝Ｃ×３３・・・（９）
【００５９】
ここで、本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する。このため、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂとの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査する。
【００６０】
この場合、まず、式（９）より光量安定性による測定誤差係数Ｃを測定できるので、光量出力Ｖａ、ＶｂをＶｃで正規化することにより光量変動を補正する。次に、光量出力Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査する。
【００６１】
このように、本実施の形態においては、第３受光素子６ｃにより光量強度の安定性を示す測定誤差係数Ｃを測定すると共に、測定した測定誤差係数Ｃにより第２受光素子６ｂの出力Ｖｂを補正するようにしている。これにより、レーザ光源１の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを補正することができる。また、この補正された第２受光素子６ｂの出力Ｖｂに基づいて第１受光素子６ａの光量出力Ｖａを補正することにより、分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置をより高精度に測定することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態で、第３受光素子６ｃにより光量強度の安定性を示す測定誤差係数Ｃを測定し、測定した測定誤差係数Ｃにより第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂを補正するようにしている。これにより、第１分割レーザ光２ａの光量安定性と光軸ぶれを切り分けて補正することができる。さらに、被測定物４とナイフエッジ１０の位置で集光させているので、被測定物４の変位と、レーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれの測定分解能を上げ、より高精度に位置を測定することができる。
【００６３】
ところで、これまで説明した第１〜第４の実施の形態における変位測定装置の具体的な用途としては、被測定物４の形状を測定する形状測定装置として用いることが可能である。そして、測定対象である被測定物４としては、例えば図５に示す切削工具２３がある。
【００６４】
この切削工具２３は、シャンク２４にダイヤモンドバイト２５が固定されており、ダイヤモンドバイト２５の刃先２６で被加工物を切削する構成となっている。ここで、シングルポイント加工以外の加工方法においては、刃先２６の稜線の形状が加工結果に影響するので、刃先２６の形状精度が低いと被加工物の形状精度も低下してしまう。しかし、ダイヤモンドバイト２５は難加工材料であり、刃先２６を高精度に加工することは困難である。そこで、刃先２６の形状を本発明の各実施の形態に係るいずれかの測定方法（形状測定装置）で計測し、加工プログラムにより刃先２６の稜線の形状誤差を補正することで高精度な加工を行うことができる。
【００６５】
この測定方法としては、ステージ制御部９の制御の下で駆動ステージ５により、被測定物４である刃先２６による第１分割レーザ光２ａの遮光量が第２分割レーザ光２ｂの遮光量と等しくなるように被測定物４である切削工具２３の刃先２６を走査する。即ち、ステージ制御部９は、第１受光素子６ａの光量出力（通過光量）と、第２受光素子６ｂの光量出力の値が等しくなるように切削工具２３を移動させることで、刃先２６における遮光量を一定に維持して第１分割レーザ光２ａを刃先２６に沿って走査させる。
【００６６】
この時の刃先２６の移動履歴が刃先２６の形状となる。これにより、刃先２６の形状が測定される。また他の測定方法としては、ステージを被測定物４である切削工具２３の刃先２６の設計形状になるように走査して、遮光量（通過光量）の変化量より設計形状との差分形状を測定する方法もある。以上のように、刃先２６を移動させた結果に基づき刃先２６の形状を測定する。
【００６７】
このように求めた刃先の形状は、高い形状精度を求められる切削加工等に好適に用いることができる。このように高精度に測定された切削工具は、例えば、プラスチックレンズまたはガラスレンズ等の光学用部材を成形するための光学用部材成形用金型の製造に用いることができる。
【００６８】
光学用部材を成形する金型の加工は、加工プログラムによって切削工具の刃先と金型とを相対移動させて切削加工するという、公知の製造方法によって作製される。従来、切削工具の刃先と被加工物である金型とを相対移動させて、所望の形状を加工するための加工プログラムは、切削工具の刃先の位置と被加工物の位置をそれぞれ規定することにより作成される。切削工具の刃先の位置は、例えば切削工具の刃先の設計形状から規定される。しかし、実際、加工する時の切削工具の刃先の形状が、設計されている形状と異なる形状であった場合は、その刃先の形状誤差が加工誤差となって被加工物の加工精度に影響を与えてしまうことになる。
【００６９】
そこで、本発明の第１〜第４の実施の形態の何れかの変位測定装置又は変位測定方法で求めた刃先の形状のデータを、加工プログラムの作成に用いることによって、金型の加工に及ぼす刃先の形状誤差の影響を非常に小さくすることが可能になる。これにより、金型の加工精度を向上させることができ、ひいてはこの金型を用いて成形される光学用部材の形状精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…レーザ光源、２…レーザ光、２ａ…第１分割レーザ光、２ｂ…第２分割レーザ光、２ｃ…第３分割レーザ光、２ｄ…第４分割レーザ光、３…ビームスプリッタ、３ａ…第１ビームスプリッタ、３ｂ…第２ビームスプリッタ、４…被測定物、５…駆動ステージ、６ａ…第１受光素子、６ｂ…第２受光素子、６ｃ…第３受光素子、８…位置演算器、９…ステージ制御部、１０…ナイフエッジ、１１ａ〜１１ｄ…集光レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で被測定物の変位を測定する変位測定装置、変位測定方法、光学用部材成形用金型の製造方法及び光学用部材に関し、特にレーザ光により被測定物の変位を測定するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば工作機械で加工を行う時には、工作機械上における工具の位置、工具の先端形状の情報が必要である。そこで、従来は、工具の位置や先端形状を測定するため、ワークにダミー加工を行った後、ワークを取り外し、工作機械外の測定装置を用いてダミー加工の加工痕を測定することにより工作機械上における工具の位置や先端形状を測定している。
【０００３】
しかし、このような方法はダミー加工を行った後、工作機械外でダミー加工の加工痕の測定を行なうので、スループットを損なってしまうことと、工具が磨耗するという課題がある。そこで、従来は、このような課題に対しては、工具でレーザ光を遮光させ、遮光した光量変化を測定することにより、非接触で、工作機械上で工具のレーザ光源に対する変位を測定するようにしたものがある（特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−８８５５５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような遮光した光量変化を測定する従来の変位測定装置及び変位測定方法においては、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれが測定誤差となってしまう課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することのできる変位測定装置、変位測定方法、光学用部材成形用金型の製造方法及び光学用部材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】
【０００７】
本発明の変位測定装置は、被測定物の変位を測定するための変位測定装置であって、レーザ光源と、被測定物と、前記被測定物と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割するビームスプリッタと、前記第１分割レーザ光を受光する受光素子と、前記第２分割レーザ光を受光する演算用受光素子と、前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した前記受光素子の出力及び前記第２分割レーザ光を受光した前記演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を演算する演算部と、を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また本発明の変位測定方法は、被測定物の変位を測定するための変位測定方法であって、被測定物とレーザ光源との間に配置されたビームスプリッタにより、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割し、前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した受光素子の出力及び第２分割レーザ光を受光した演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を測定することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光学用部材成形用金型の製造方法は、加工プログラムにより切削工具の刃先と金型とを相対移動させて前記金型を切削加工する光学用部材成形用金型の製造方法であって、本発明の変位測定方法により測定した切削工具の刃先の形状から前記加工プログラムを作成し、作成した前記加工プログラムにより前記切削工具と前記金型とを相対移動させて前記金型を切削加工することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の光学用部材は、本発明の光学用部材成形用金型の製造方法により製造された金型を用いて成形されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のように、分割されたレーザ光をそれぞれ受光した受光素子の出力及び演算用受光素子の出力の差に基づいてレーザ光源に対する被測定物の変位を演算することにより、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る変位測定装置の構成図。
【図５】本発明の変位測定装置の測定対象である切削工具を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。図１において、１はレーザ光２を出射するレーザ光源であり、このレーザ光源１から、ビーム径３ｍｍの太さを有するレーザ光２が出射される。３はビームスプリッタであり、このビームスプリッタ３により、レーザ光２は２つのレーザ光２ａ，２ｂに分割される。５は工具等の被測定物４を固定する駆動ステージであり、この駆動ステージ５は、被測定物４が分割されたレーザ光２の内の一方のレーザ光（以下、第１分割レーザ光という）２ａを遮光する方向に駆動できる構成となっている。
【００１４】
また、６ａは被測定物４のレーザ光出射方向下流側に配置された第１受光素子である。ここで、第１分割レーザ光２ａは、ビームスプリッタ３により分割され、被測定物４により一部が遮光された後、第１受光素子６ａに入射され、第１受光素子６ａでは入射された第１分割レーザ光２ａの光量を測定する。
【００１５】
６ｂは第２受光素子であり、この第２受光素子６ｂはビームスプリッタ３により分割されたレーザ光２のうちの第１分割レーザ光２ａとは別方向に向かうレーザ光（以下、第２分割レーザ光という）２ｂを受光し、第２分割レーザ光２ｂの光量を測定する。ここで、演算用受光素子である第２受光素子６ｂは、被測定物４の場所で第１分割レーザ光２ａが通過する方向と分割前のレーザ光の同じ方向に相当する第２分割レーザ光２ｂのみを入射するように設置されている。なお、これらレーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２第１受光素子６ａ，６ｂは、ベース７に固定されている。
【００１６】
８は第１及び第２受光素子６ａ，６ｂの出力より被測定物４の位置を演算する演算部である位置演算器である。９は駆動ステージ５を矢印Ａで示す第１分割レーザ光２ａを遮光する方向に移動させる不図示の駆動部を制御するステージ制御部であり、このステージ制御部９は、位置演算器８からの出力に基づき、不図示の駆動部の駆動量を制御する。
【００１７】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が任意の量で遮光した位置（第１分割レーザ光２ａと被測定物４の相対位置）の出力変化を測定することにより被測定物４の変位を測定するようにしている。
【００１８】
以下、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合について説明する。なお、このような測定を行うのは、レーザ光２がガウシアン分布であるために、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した時の感度が最も高くなるのが５０％遮光した位置だからである。この場合、第２受光素子６ｂの設置位置も第２分割レーザ光２ｂの光量が５０％となる位置である。
【００１９】
言い換えれば、第２受光素子６ｂの設置位置は、被測定物４により遮光された第１分割レーザ光２ａが第１受光素子６ａに入力される幅Ｗ１と、第２分割レーザ光２ｂが入力される幅Ｗ２とが同じになる位置である。即ち、本実施の形態において、第２受光素子６ｂは、第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光の２ｂ光量の割合と、第１受光素子６ａに入射する第１分割レーザ光２ａの光量の割合とが一致する位置に配置されている。
【００２０】
第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１から第２受光素子６ｂまでの距離をＬｂ１とおけば、次式で表せる。なお、測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ１との乗数で光量出力Ｖｂ（％）に影響する。なお、距離Ｌｂ１は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ１）・・・（１）
【００２１】
このように、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光源１からのレーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００２２】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から第１受光素子６ａまでの距離をＬａ１、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ１は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ１）・・・（２）
【００２３】
ここで、レーザ光源１からのレーザ光の光量安定性、光量分布が良好で、光軸ぶれがない場合には、Ｖｂ＝Ｖａとなるが、レーザ光の光量安定性、光量分布が悪く、光軸ぶれがある場合には、ＶｂとＶａとは異なるようになる。そこで、このようにＶｂとＶａとが異なる場合には、ＶａとＶｂの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査するようにする。
【００２４】
そして、このように駆動ステージ５を走査してＶａとＶｂとの値を等しくすることにより、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光する位置を測定することができる。ここで、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には、正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００２５】
このように、本実施の形態では、レーザ光２を分割し、分割されたレーザ光である第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光するようにしている。そして、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置を測定するようにしている。
【００２６】
これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。そして、このようにレーザ光２の光量強度等の影響を低減して被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定することにより、被測定物４の変位を精度よく測定することができる。
【００２７】
また、被測定物４の変位を精度よく測定し、この測定位置に基づいてステージ制御部９が駆動部の駆動量を制御することにより、被測定物４を所望する位置、例えば、第１分割レーザ光２ａを５０％遮光する位置に移動させることができる。言い換えれば、被測定物４を移動させ、被測定物４の目標位置に対応する第１分割レーザ光２ａの光量と、第２分割レーザ光２ｂの光量とを一致させることにより、被測定物４を所望する位置に移動させることができる。
【００２８】
以上説明したように、分割レーザ光を受光した第１及び第２受光素子６ａ，６ｂの出力の差に基づいてレーザ光源１に対する被測定物４の変位を演算することにより、レーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれによる測定誤差を低減することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図２において、既述した図１と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００３０】
図２において、１０はビームスプリッタ３と第２受光素子６ｂの間に設けられ、第２分割レーザ光２ｂを遮蔽する遮蔽物であるナイフエッジである。このナイフエッジ１０は、被測定物４の場所で第１分割レーザ光２ａが透過する方向の光軸に対して同一の方向の第２分割レーザ光２ｂのみが第２受光素子６ｂに入射するように設置されている。なお、レーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２受光素子６ａ，６ｂ、ナイフエッジ１０は、ベース７に固定されている。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。なお、本実施の形態においても、既述した第１の実施の形態と同様に、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が任意の量で遮光した位置（第１分割レーザ光２ａと被測定物４の相対位置）を測定することにより変位を測定するようにしている。
【００３２】
以下、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合について説明する。第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ２とおけば、次式で表せる。測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ２との乗数で光量出力Ｖｂ（％）に影響する。なお、距離Ｌｂ２は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ２）・・・（３）
【００３３】
つまり、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００３４】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（４）
【００３５】
そして、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する場合は、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）と第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）との値が等しくなるように駆動ステージ５を走査すれば良い。ここで、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態では、ナイフエッジ１０を通過した第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光し、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定するようにしている。これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。さらに、ナイフエッジ１０を用いることにより、簡易な構成で第２受光素子６ｂに入射する第２分割レーザ光２ｂを、被測定物４で遮光される第１分割レーザ光２ａと、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する方向から遮光することができる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図３において、既述した図２と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００３８】
図３において、１１ａ〜１１ｄは焦点距離が同一の集光レンズであり、第１及び第２分割レーザ光２ａ，２ｂのそれぞれの光路上において集光光学系を構成している。なお、本実施の形態において、駆動ステージ５は、矢印Ａで示す被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光する方向と、矢印Ｂで示す第１分割レーザ光２ａの光軸方向とに駆動できる構成となっている。
【００３９】
ここで、ナイフエッジ１０は第２分割レーザ光２ｂの光軸方向において集光レンズ１１ｃの焦点位置に固定されている。また、レーザ光源１、ビームスプリッタ３、第１及び第２受光素子６ａ，６ｂ、ナイフエッジ１０、集光レンズ１１ａ〜１１ｄは、ベース７に固定されている。
【００４０】
次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。まず、被測定物４を駆動ステージ５により、第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に移動させる。なお、被測定物４が集光レンズ１１ａの焦点位置に移動したかは第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）により判断する。
【００４１】
例えば、被測定物４による遮光量が５０％より小さい場合は、第１分割レーザ光２ａの光軸方向に被測定物４を走査したときの光量出力Ｖａ（％）は、焦点位置で最大となる。したがって、被測定物４を光量出力Ｖａ（％）が最大となる位置まで移動させることにより、被測定物４を集光レンズ１１ａの焦点位置に移動させることができる。
【００４２】
次に、このように被測定物４を第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に設置した後、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定することにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を測定する。ここで、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ２とおけば、次式で表せる。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ２）・・・（５）
【００４３】
つまり、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）はレーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれに影響したものとなる。このため、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）を測定すれば、レーザ光の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを測定することができる。
【００４４】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（６）
【００４５】
ここで、本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定したいので、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂとの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査する。
【００４６】
なお、光量安定性による測定誤差係数Ｃが大きい場合には正規化を行いＶａ／Ｖｂを１にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。また、光軸ぶれによる測定誤差係数Ｄが大きい場合には差分を行い（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査するのが好ましい。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態では、第２分割レーザ光２ｂを第２受光素子６ｂにより受光し、この第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）に基づいて、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置を測定するようにしている。これにより、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、レーザ光２の光量強度、光量分布、光軸ぶれの影響を低減して測定することができる。さらに、第１分割レーザ光２ａを被測定物４の位置で、第２分割レーザ光２ｂをナイフエッジ１０の位置で集光させているので、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光した位置を、より高精度に測定することができる。
【００４８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４は、本実施の形態に係る変位測定装置の構成図である。なお、図４において、既述した図３と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００４９】
図４において、３ａは第１ビームスプリッタであり、本実施の形態において、第１ビームスプリッタ３ａとして、第１分割レーザ光２ａの光量を３３％、第２分割レーザ光２ｂの光量を６６％に分割する素子を使用している。また、３ｂは第１ビームスプリッタ３ａにより光量を６６％に分割された第２分割レーザ光２ｂを、２つのレーザ光２ｃ，２ｄに分割する第２ビームスプリッタである。なお、本実施の形態において、この他のビームスプリッタである第２ビームスプリッタ３ｂとしてハーフミラーを使用する。
【００５０】
第１分割レーザ光２ａは、被測定物４で一部が遮光され、遮光された後の第１分割レーザ光２ａは、第１受光素子６ａにより光量を測定する。また、第２ビームスプリッタ３ｂにより分割された第２分割レーザ光２ｂの一方のレーザ光（以下、第３分割レーザ光という）２ｃは、第２受光素子６ｂで光量を測定する。
【００５１】
そして、被測定物４の場所で透過する第１分割レーザ光２ａと、分割される前のレーザ光の同じ方向に相当する方向の第３分割レーザ光２ｃのみが第２受光素子６ｂに入射するようにナイフエッジ１０が設置されている。なお、本実施の形態において、ナイフエッジ１０は、第３分割レーザ光２ｃの光軸方向において集光レンズ１１ｃの焦点位置、すなわち第３分割レーザ光２ｃの光量が５０％透過する位置に固定されている。
【００５２】
また、第２ビームスプリッタ３ｂにより分割された第２分割レーザ光２ｂの他方のレーザ光（以下、第４分割レーザ光という）２ｄは、第３受光素子６ｃで光量を測定する。なお、レーザ光源１、第１及び第２ビームスプリッタ３ａ，３ｂ、第１〜第３受光素子６ａ〜６ｃ、ナイフエッジ１０、集光レンズ１１ａ〜１１ｄは、ベース７に固定されている。
【００５３】
そして、本実施の形態においては、第１〜第３受光素子６ａ〜６ｃの出力より被測定物４の位置を演算している。次に、本実施の形態に係る変位測定方法及び駆動ステージ５の駆動方法について説明する。
【００５４】
まず、被測定物４を、矢印Ｂに示すように、第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に駆動ステージ５により移動させる。集光レンズ１１ａの焦点位置は、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａにより判断する。例えば、被測定物４による遮光量が５０％より小さい場合は、第１分割レーザ光２ａの光軸方向に被測定物４を走査したときの光量出力Ｖａは、焦点位置で最大となる。
【００５５】
そして、このようにして被測定物４を第１分割レーザ光２ａの光軸方向において集光レンズ１１ａの焦点位置に設置した後に、被測定物４が第１分割レーザ光２ａを遮光する位置を測定する。
【００５６】
ここで、第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂ（％）は、光量安定性による測定誤差係数をＣ、光軸ぶれによる測定誤差係数をＤ、レーザ光源１からナイフエッジ１０までの距離をＬｂ３とおけば、次式で表せる。測定誤差係数Ｄは、レーザ光源１から射出したレーザ光２の角度ぶれによる誤差であるので、距離Ｌｂ３との乗数で光量出力Ｖｂに影響する。なお、距離Ｌｂ３は設計値であるので既知である。
Ｖｂ（％）＝Ｃ×（５０±Ｄ×Ｌｂ３）・・・（７）
【００５７】
また、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａ（％）は、レーザ光源１から被測定物４までの距離をＬａ２、駆動ステージ５を走査して被測定物４で遮光したことによる光量変動をＸとおけば、次式で表せる。なお、距離Ｌａ２は設計値であるので既知である。
Ｖａ（％）＝Ｃ×（Ｘ±Ｄ×Ｌａ２）・・・（８）
【００５８】
そして、受光素子６ｃの光量出力Ｖｃ（％）は、レーザ光源１の光量出力の３３％であるので、次式で表せる。
Ｖｃ（％）＝Ｃ×３３・・・（９）
【００５９】
ここで、本実施の形態においては、第１分割レーザ光２ａを被測定物４が５０％遮光した位置を測定する。このため、第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂとの値が等しくなるように駆動ステージ５を走査する。
【００６０】
この場合、まず、式（９）より光量安定性による測定誤差係数Ｃを測定できるので、光量出力Ｖａ、ＶｂをＶｃで正規化することにより光量変動を補正する。次に、光量出力Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）を０にするように駆動ステージ５を走査する。
【００６１】
このように、本実施の形態においては、第３受光素子６ｃにより光量強度の安定性を示す測定誤差係数Ｃを測定すると共に、測定した測定誤差係数Ｃにより第２受光素子６ｂの出力Ｖｂを補正するようにしている。これにより、レーザ光源１の光量安定性、光量分布、光軸ぶれを補正することができる。また、この補正された第２受光素子６ｂの出力Ｖｂに基づいて第１受光素子６ａの光量出力Ｖａを補正することにより、分割レーザ光２ａを被測定物４が遮光した位置をより高精度に測定することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態で、第３受光素子６ｃにより光量強度の安定性を示す測定誤差係数Ｃを測定し、測定した測定誤差係数Ｃにより第１受光素子６ａの光量出力Ｖａと第２受光素子６ｂの光量出力Ｖｂを補正するようにしている。これにより、第１分割レーザ光２ａの光量安定性と光軸ぶれを切り分けて補正することができる。さらに、被測定物４とナイフエッジ１０の位置で集光させているので、被測定物４の変位と、レーザ光２の光量安定性、光量分布、光軸ぶれの測定分解能を上げ、より高精度に位置を測定することができる。
【００６３】
ところで、これまで説明した第１〜第４の実施の形態における変位測定装置の具体的な用途としては、被測定物４の形状を測定する形状測定装置として用いることが可能である。そして、測定対象である被測定物４としては、例えば図５に示す切削工具２３がある。
【００６４】
この切削工具２３は、シャンク２４にダイヤモンドバイト２５が固定されており、ダイヤモンドバイト２５の刃先２６で被加工物を切削する構成となっている。ここで、シングルポイント加工以外の加工方法においては、刃先２６の稜線の形状が加工結果に影響するので、刃先２６の形状精度が低いと被加工物の形状精度も低下してしまう。しかし、ダイヤモンドバイト２５は難加工材料であり、刃先２６を高精度に加工することは困難である。そこで、刃先２６の形状を本発明の各実施の形態に係るいずれかの測定方法（形状測定装置）で計測し、加工プログラムにより刃先２６の稜線の形状誤差を補正することで高精度な加工を行うことができる。
【００６５】
この測定方法としては、ステージ制御部９の制御の下で駆動ステージ５により、被測定物４である刃先２６による第１分割レーザ光２ａの遮光量が第２分割レーザ光２ｂの遮光量と等しくなるように被測定物４である切削工具２３の刃先２６を走査する。即ち、ステージ制御部９は、第１受光素子６ａの光量出力（通過光量）と、第２受光素子６ｂの光量出力の値が等しくなるように切削工具２３を移動させることで、刃先２６における遮光量を一定に維持して第１分割レーザ光２ａを刃先２６に沿って走査させる。
【００６６】
この時の刃先２６の移動履歴が刃先２６の形状となる。これにより、刃先２６の形状が測定される。また他の測定方法としては、ステージを被測定物４である切削工具２３の刃先２６の設計形状になるように走査して、遮光量（通過光量）の変化量より設計形状との差分形状を測定する方法もある。以上のように、刃先２６を移動させた結果に基づき刃先２６の形状を測定する。
【００６７】
このように求めた刃先の形状は、高い形状精度を求められる切削加工等に好適に用いることができる。このように高精度に測定された切削工具は、例えば、プラスチックレンズまたはガラスレンズ等の光学用部材を成形するための光学用部材成形用金型の製造に用いることができる。
【００６８】
光学用部材を成形する金型の加工は、加工プログラムによって切削工具の刃先と金型とを相対移動させて切削加工するという、公知の製造方法によって作製される。従来、切削工具の刃先と被加工物である金型とを相対移動させて、所望の形状を加工するための加工プログラムは、切削工具の刃先の位置と被加工物の位置をそれぞれ規定することにより作成される。切削工具の刃先の位置は、例えば切削工具の刃先の設計形状から規定される。しかし、実際、加工する時の切削工具の刃先の形状が、設計されている形状と異なる形状であった場合は、その刃先の形状誤差が加工誤差となって被加工物の加工精度に影響を与えてしまうことになる。
【００６９】
そこで、本発明の第１〜第４の実施の形態の何れかの変位測定装置又は変位測定方法で求めた刃先の形状のデータを、加工プログラムの作成に用いることによって、金型の加工に及ぼす刃先の形状誤差の影響を非常に小さくすることが可能になる。これにより、金型の加工精度を向上させることができ、ひいてはこの金型を用いて成形される光学用部材の形状精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…レーザ光源、２…レーザ光、２ａ…第１分割レーザ光、２ｂ…第２分割レーザ光、２ｃ…第３分割レーザ光、２ｄ…第４分割レーザ光、３…ビームスプリッタ、３ａ…第１ビームスプリッタ、３ｂ…第２ビームスプリッタ、４…被測定物、５…駆動ステージ、６ａ…第１受光素子、６ｂ…第２受光素子、６ｃ…第３受光素子、８…位置演算器、９…ステージ制御部、１０…ナイフエッジ、１１ａ〜１１ｄ…集光レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
被測定物と、
前記被測定物と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割するビームスプリッタと、
前記第１分割レーザ光を受光する受光素子と、
前記第２分割レーザ光を受光する演算用受光素子と、
前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した前記受光素子の出力及び前記第２分割レーザ光を受光した前記演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を演算する演算部と、
を有することを特徴とする被測定物の変位を測定するための変位測定装置。
【請求項２】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とを一致させるべく、前記被測定物で遮光される前記第１分割レーザ光と、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する前記第２分割レーザ光を遮光するように、前記ビームスプリッタと前記演算用受光素子との間に、前記第２分割レーザ光を遮光する遮蔽物が設けられていることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とを一致させるべく、前記受光素子で受光される前記第１分割レーザ光と、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する前記第２分割レーザ光の一部が受光されるように前記演算用受光素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記第１分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第１分割レーザ光を前記被測定物の位置で集光する集光レンズと、
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記遮蔽物と同じ位置で集光する集光レンズと、を有することを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記演算用受光素子に向かう第３分割レーザ光及び前記第３分割レーザ光とは別方向に向かう第４分割レーザ光に分割する他のビームスプリッタと、
前記他のビームスプリッタにより分割される第４分割レーザ光を受光する他の受光素子と、を備え、
前記演算部は、前記他の受光素子の出力を用いて前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力を補正し、補正した前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力により前記レーザ光に対する前記被測定物の変位を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記被測定物を前記受光素子に向かうレーザ光を遮光する方向に移動させる駆動部を有し、
前記演算された前記被測定物の変位に基づき前記被測定物を前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力が一致する位置に移動させるように前記駆動部を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項７】
被測定物とレーザ光源との間に配置されたビームスプリッタにより、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割し、
前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した受光素子の出力及び第２分割レーザ光を受光した演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を測定することを特徴とする被測定物の変位を測定するための変位測定方法。
【請求項８】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とが一致するように、レーザ光を分割する前記ビームスプリッタと前記演算用受光素子との間に遮蔽物を設けることを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項９】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とが一致するように、前記演算用受光素子を配置することを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項１０】
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記演算用受光素子に向かう第３分割レーザ光及び前記第３分割レーザ光とは別方向に向かう第４分割レーザ光に分割する他のビームスプリッタと、
前記他のビームスプリッタにより分割される第４分割レーザ光を受光する他の受光素子と、を備え、
前記他の受光素子の出力を用いて前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力を補正し、補正した前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力により前記レーザ光に対する前記被測定物の変位を測定することを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項１１】
前記被測定物を、前記受光素子に向かうレーザ光を遮光する方向であって、かつ、前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力が一致する位置に移動させて、前記被測定物の変位を測定することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の変位測定方法。
【請求項１２】
前記被測定物は切削工具であり、前記切削工具の刃先の形状を測定することを特徴とすることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の変位測定方法。
【請求項１３】
加工プログラムにより切削工具の刃先と金型とを相対移動させて前記金型を切削加工する光学用部材成形用金型の製造方法であって、
請求項１２に記載の変位測定方法により切削工具の刃先の形状を測定し、測定した切削工具の刃先の形状に基づいて前記加工プログラムを作成し、作成した前記加工プログラムにより前記切削工具と前記金型とを相対移動させて前記金型を切削加工することを特徴とする光学用部材成形用金型の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学用部材成形用金型の製造方法により製造された金型を用いて成形されたことを特徴とする光学用部材。
【請求項１】
レーザ光源と、
被測定物と、
前記被測定物と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割するビームスプリッタと、
前記第１分割レーザ光を受光する受光素子と、
前記第２分割レーザ光を受光する演算用受光素子と、
前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した前記受光素子の出力及び前記第２分割レーザ光を受光した前記演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を演算する演算部と、
を有することを特徴とする被測定物の変位を測定するための変位測定装置。
【請求項２】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とを一致させるべく、前記被測定物で遮光される前記第１分割レーザ光と、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する前記第２分割レーザ光を遮光するように、前記ビームスプリッタと前記演算用受光素子との間に、前記第２分割レーザ光を遮光する遮蔽物が設けられていることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とを一致させるべく、前記受光素子で受光される前記第１分割レーザ光と、分割前のレーザ光の同じ方向に相当する前記第２分割レーザ光の一部が受光されるように前記演算用受光素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記第１分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第１分割レーザ光を前記被測定物の位置で集光する集光レンズと、
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記遮蔽物と同じ位置で集光する集光レンズと、を有することを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記演算用受光素子に向かう第３分割レーザ光及び前記第３分割レーザ光とは別方向に向かう第４分割レーザ光に分割する他のビームスプリッタと、
前記他のビームスプリッタにより分割される第４分割レーザ光を受光する他の受光素子と、を備え、
前記演算部は、前記他の受光素子の出力を用いて前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力を補正し、補正した前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力により前記レーザ光に対する前記被測定物の変位を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記被測定物を前記受光素子に向かうレーザ光を遮光する方向に移動させる駆動部を有し、
前記演算された前記被測定物の変位に基づき前記被測定物を前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力が一致する位置に移動させるように前記駆動部を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項７】
被測定物とレーザ光源との間に配置されたビームスプリッタにより、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被測定物に向かう第１分割レーザ光及び前記第１分割レーザ光とは別方向に向かう第２分割レーザ光に分割し、
前記被測定物により遮光された前記第１分割レーザ光を受光した受光素子の出力及び第２分割レーザ光を受光した演算用受光素子の出力により前記被測定物の変位を測定することを特徴とする被測定物の変位を測定するための変位測定方法。
【請求項８】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とが一致するように、レーザ光を分割する前記ビームスプリッタと前記演算用受光素子との間に遮蔽物を設けることを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項９】
前記被測定物の目標位置に対応する前記第１分割レーザ光の光量と、前記第２分割レーザ光の光量とが一致するように、前記演算用受光素子を配置することを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項１０】
前記第２分割レーザ光の光路上に設けられ、前記第２分割レーザ光を前記演算用受光素子に向かう第３分割レーザ光及び前記第３分割レーザ光とは別方向に向かう第４分割レーザ光に分割する他のビームスプリッタと、
前記他のビームスプリッタにより分割される第４分割レーザ光を受光する他の受光素子と、を備え、
前記他の受光素子の出力を用いて前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力を補正し、補正した前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力により前記レーザ光に対する前記被測定物の変位を測定することを特徴とする請求項７記載の変位測定方法。
【請求項１１】
前記被測定物を、前記受光素子に向かうレーザ光を遮光する方向であって、かつ、前記受光素子の出力及び前記演算用受光素子の出力が一致する位置に移動させて、前記被測定物の変位を測定することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の変位測定方法。
【請求項１２】
前記被測定物は切削工具であり、前記切削工具の刃先の形状を測定することを特徴とすることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の変位測定方法。
【請求項１３】
加工プログラムにより切削工具の刃先と金型とを相対移動させて前記金型を切削加工する光学用部材成形用金型の製造方法であって、
請求項１２に記載の変位測定方法により切削工具の刃先の形状を測定し、測定した切削工具の刃先の形状に基づいて前記加工プログラムを作成し、作成した前記加工プログラムにより前記切削工具と前記金型とを相対移動させて前記金型を切削加工することを特徴とする光学用部材成形用金型の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学用部材成形用金型の製造方法により製造された金型を用いて成形されたことを特徴とする光学用部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１５９４９８（Ｐ２０１２−１５９４９８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８８９（Ｐ２０１２−２８８９）
【出願日】平成２４年１月１１日（２０１２．１．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１１日（２０１２．１．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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