JP2002340535A

JP2002340535A - 鏡面の倒れ角測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2002340535A
Application number: JP2001142003A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Okabe; 正治岡部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-27

Abstract

(57)【要約】【課題】コリメータによらず、基準となる面の角度を
高精度に測定し、被測定面は、従来どおりに、コリメー
タにより角度測定し、両測定値の差をとることで、倒れ
角を高精度に測定する鏡面倒れ角測定装置及び測定方法
を提供する。【解決手段】オートコリメータと、高さを測定できる
変位センサと、測定対象を回転割出しさせる手段と、変
位センサを測定対象に対して移動させる手段とを備えた
ことを特徴とする。上記構成において、オートコリメー
タは、鏡面となっている被測定面の角度を測定し、変位
センサは、基準面上のある点の高さを測定する。また、
測定対象を回転、割出しさせる手段は、被測定面をオー
トコリメータに対向させるように測定対象を回転方向に
位置出しする機能と、変位センサの測定点を、基準面上
の円周上で任意の位置に位置出しする機能をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポリゴンミラーや
プリズムなどの、鏡面のなす角を、面粗さが良くない面
であっても、高精度に測定することができる、鏡面倒れ
角測定装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鏡面の倒れ角を測定するには、図
１１に示すように、基準となる面と、測定したい面と
を、それぞれ、オートコリメータで同時に測定し、２つ
の測定値の差をとることで、基準面に対する被測定面の
角度を、高精度に測定していた。

【０００３】あるいは、特開平０７−２５３３７９号公
報に所載の発明のように、レーザビームを当てて、その
偏向方向を検出していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、基準面も鏡面である必要があった。例えば、
ポリゴンミラーの場合、製品として鏡面である必要があ
るのは、均等に割出し、分割されている面である。そし
て、基準となる面は、それと直角方向の面であるが、こ
れはモータに取り付けられる面なので、製品としては、
鏡面である必要はなく、面精度のみ、十分であればよ
い。

【０００５】しかしながら、上記従来例で示される測定
方法しかなかったときには、本来、不必要な鏡面加工を
基準面に施さなければならず、製品のコストｕｐになっ
ていた。そのため、基準とする面が鏡面でない場合であ
っても、高精度に倒れ角を測定することができればよい
のである。

【０００６】単に、コリメータを使用して面の角度を測
定しようとした場合、ひきめが残っている面を測定しよ
うとすると、反射光がひきめで散乱される。散乱された
光は面の法線とはずれた方向へ広がるため、コリメータ
の測定誤差要因となってしまう。そのため、高精度な測
定ができなかった。また、レーザを使った場合には、オ
ートコリメータよりも精度が悪く、十分な精度が得られ
なかった。

【０００７】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、その第１の目的とするところは、コリメータによ
らず、基準となる面の角度を高精度に測定し、被測定面
は、従来どおりに、コリメータにより角度測定し、両測
定値の差をとることで、倒れ角を高精度に測定する鏡面
倒れ角測定装置及び測定方法を提供することである。

【０００８】この場合、本発明の第２の目的として、基
準となる面の角度を測定するコリメータの誤差を小さく
することで、高精度に倒れ角を測定することは、実施の
形態の上で有効である。同様に、本発明の第３の目的と
して、基準となる面で、測定対象を機械的に位置決め
し、被測定面を、従来どおりに、コリメータで測定する
ことで、高精度に倒れ角を測定するとともに、測定機の
コストダウンをすることは、実施の形態の上で有効であ
る。

【０００９】更に、本発明の第４の目的として、基準と
なる面で、測定対象を機械的に位置決めするときに、位
置決めの再現性を向上させることは、高精度に倒れ角を
測定するとともに、測定機のコストダウンをする点で有
効である。

【００１０】また、この場合、コリメータの測定値の系
統誤差を小さくすることも、実施の形態の上で重要であ
る。このため、本発明では、コリメータで測定する面に
あるひきめの影響を小さくし、測定精度を向上させるこ
とが有効である。また、本発明において、安価な方法で
測定対象にかける加重を発生させること、測定対象にか
ける加重を再現性よく発生させることも、実施の形態と
して有効である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、オートコリメータと、高さを測定でき
る変位センサと、測定対象を回転、割出しさせる手段
と、変位センサを測定対象に対して移動させる手段とを
備えたことを特徴とする。

【００１２】上記構成において、オートコリメータは、
鏡面となっている被測定面の角度を測定し、変位センサ
は、基準面上のある点の高さを測定する。また、測定対
象を回転、割出しさせる手段は、被測定面をオートコリ
メータに対向させるように測定対象を回転方向に位置出
しする機能と、変位センサの測定点を、基準面上の円周
上で任意の位置に位置出しする機能をもつ。

【００１３】また、変位センサを測定対象に対して移動
させる手段は、上記変位センサの測定円の半径を任意に
設定する機能をもつ。これにより変位センサは、基準面
上の任意の点での高さを測定可能となる。

【００１４】また、本発明では、オートコリメータと高
さを測定できる変位センサと測定対象を回転割出しさせ
る手段とを備えたことで、オートコリメータは鏡面とな
っている被測定面の角度を測定し、変位センサは、基準
面上のある点の高さを測定する。更に、測定対象を回
転、割出しさせる手段は、被測定面をオートコリメータ
に対向するように、測定対象を回転方向に位置出しする
と同時に、変位センサの測定点を基準面上の円周上で任
意の位置に位置出しする。

【００１５】本発明の実施の形態として、２つのオート
コリメータと、測定対象を回転する手段とコリメータの
光路上に配置した所定の形状の穴をあけたマスクとを備
えることは、オートコリメータのうち、１本が、鏡面と
なっている被測定面の角度を測定し、もう１本の第２の
オートコリメータが、基準面の角度を測定するのに、適
合する。そして、コリメータの光路上に配置した、所定
の形状の穴をあけたマスクは、基準面の一部の領域から
の反射光のみ、コリメータに入射するように作用する。

【００１６】また、測定対象を回転、割出しする手段
は、被測定面を第１のオートコリメータに対向するよう
に、測定対象を回転、割出しすると同時に、基準面は第
２のコリメータに対向したままとなるように回転する。

【００１７】本発明の実施形態として、測定対象を回
転、割出しする手段とオートコリメータとを備えること
で、測定対象を回転、割出しする手段が、被測定面をオ
ートコリメータに対向するように測定対象を回転、割出
しすると同時に、測定対象の基準面を入力的に保持し、
基準面がある平面内で回転を行うように作用し、また、
オートコリメータは、鏡面となっている被測定面の角度
を測定する。

【００１８】更に、オートコリメータと測定対象を回
転、割出しさせる手段と測定対象に加重を加える手段と
を備えることで、オートコリメータが、鏡面となってい
る被測定面の角度を測定し、測定対象を回転、割出しす
る手段が、被測定面をオートコリメータに対向するよう
に測定対象を回転、割出しすると同時に、測定対象の基
準面を機械的に保持し、基準面が常にある平面内にある
ように回転させる。更に、測定対象に加重を加える手段
は、測定中に測定対象がずれたりしないように、また、
基準面が浮かないようにする作用をする。

【００１９】本発明の他の実施形態として、穴が２つあ
るマスクを備えたことは、有効である。即ち、上記構成
において、穴が２つあるマスクは、測定対象の基準面上
の２ヶ所の領域からの反射光をコリメータに入射するよ
うに作用する。

【００２０】特に、基準面を旋盤で加工したような場
合、コリメータでの角度測定に適したひきめ方向をもつ
領域が左右２ヶ所でき、この両者からの反射光のみをコ
リメータ測定に利用できる。また、測定対象表面にある
ひきめのうち、測定する倒れ方向に沿ったひきめがある
領域と同一の形状で、穴をあけたマスクを備えたこと
で、測定対象表面にあるひきめのうち、測定する倒れ方
向に沿ったひきめがある領域と同一形状の穴をあけたマ
スクは、測定する倒れ方向に沿ったひきめがある領域か
らの反射光のみ、コリメータに入射するように作用す
る。この方向のひきめでの反射光の散乱成分は、測定す
る倒れ方向と直交する方向であるため、測定値の誤差要
因とはならず、高精度な測定ができる効果がある。

【００２１】なお、この場合、加重をかけるのに、スプ
リングを備えることは、動力源なしに、測定対象に加重
を加える作用を持つメリットがある。また、加重をかけ
るエアシリンダを備える構成では、エアシリンダが、再
現性よく、測定対象に加重を加える機能を発揮できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の特徴を最もよく表す実施形態を示すものであり、同
図において、符号１は被測定鏡面の傾きを測定する第１
のコリメータ、２は基準面の傾きを測定する第２のコリ
メータ、３は測定対象を回転させる回転ステージ、４は
第２のコリメータの光路上に配置されたマスク、５は測
定対象のポリゴンミラー、６は平面ミラー、７はシステ
ムのコントロールと、測定値の演算を行うコンピュー
タ、８は結果表示やシステムの状態を表示するディスプ
レイモニタ、９は外部への測定結果出力信号である。

【００２３】上記構成において、測定対象のポリゴンミ
ラーでは、測定したい角度が、基準となる面に対して、
各ポリゴン面が直角に作られているかどうかに係わる。
図１において、測定対象のポリゴンミラー６は、横から
見た状態であり、基準面は上部にある。回転ステージ３
には、基準面の反対側の面を接して置かれる。また、被
測定面は、同図中では横を向いており、回転ステージ３
により、第１のコリメータに対向するように割り出し位
置決めがなされている。この割り出しによっても、基準
面は、ほぼ同一平面内で回転することになる。

【００２４】そして、この基準面と対向するように第２
のコリメータを配置するが、コリメータが水平におかれ
ていた方が使い勝手がよいので、平面ミラー６で光軸を
９０゜折り曲げ、第２のコリメータも水平に配置する。
ここでは、この第２のコリメータと測定対象のポリゴン
ミラー５との間に、図２で示すような形状のマスク４を
配置するのである。

【００２５】マスク４の開口部４１は２ヶ所あり、図１
において、紙面に垂直な方向に、手前側と、奥側に開口
部がくるように、マスクの向きを合わせて配置する。コ
リメータ２で測定する測定対象の面は、旋盤で加工され
る面であるため、ほぼ同心円状のひきめがある。なお、
マスク４がない場合、このひきめにより、コリメータよ
り出される測定光は散乱され、面の向いている方向に、
正反射されるだけでなく、それとは、わずかにずれた方
向へ散乱される成分も生じ、マスクなしで、図３のａに
示すような、コリメータのＣＣＤ出力電圧波形となる。

【００２６】ここでは、中央の本来のピークの他に、波
形の肩の部分に散乱による波形のもり上りがみられる。
これがあると、ピークの重心位置を面の角度に換算して
いる原理で動作しているコリメータの角度測定値に誤差
が生じる。そのため、従来は高精度に、基準面の角度を
測定するために、基準面をきれいな鏡面に仕上げなけれ
ばならなかった。

【００２７】基準面が鏡面の場合は、図３のｃでの鏡面
のように、波形のピークがきれいにとれる。しかしなが
ら、鏡面加工するのはコストｕｐになるため、鏡面仕上
げなしでも同様な精度で、コリメータにより、角度測定
する方法が望ましい。その方法がマスク４を用いる方法
である。

【００２８】マスク４の開口部は、同心円状のひきめ
の、ちょうどひきめが角度測定方向と同一になっている
部分と合わせて、開口部を設けている。そのため、この
部分で散乱される光は、角度測定と直角で、測定精度に
影響しない方向にのみ散乱される。

【００２９】その結果、コリメータのＣＣＤ出力電圧波
形は、図２のｂでの、マスクありのようになり、鏡面を
測定した場合と同様な、きれいなピーク波形が得られ
る。これにより、ひきめが残る面であっても、マスクを
用いることで、コリメータの測定精度を向上させること
ができる。

【００３０】こうして得られる基準面の角度と被測定面
の角度の差が、被測定面の倒れ角である。コンピュータ
７は、この両者の測定値を自動的に順次測定し、各面の
倒れ角を演算し、ディスプレイモニタ８に表示するとと
もに、他の機器へ結果出力信号として出力する。

【００３１】図４は、６面のポリゴンミラーを測定した
例であり、被測定面は６面ある。同図のａは、被測定面
をコリメータ１が測定した値、ｂは、基準面をコリメー
タ２が測定した値である。各面の割り出しは、回転ステ
ージ３により行なわれる。コリメータ１が測定有効にな
ったことをコンピュータ７が判断し、回転ステージを停
止させることで、割り出しができる。このとき、被測定
面はコリメータ１に対向しており、この状態で、被測定
面の角度をコリメータ１から、基準面の角度をコリメー
タ２から、コンピュータが読み取る。

【００３２】これで１面分の測定ができるので、割出
し、測定を６回繰返すことで、６面全ての角度が測定で
きる。それぞれの面ごとに、両者の差を演算し、倒れ角
をコンピュータが演算した結果が、図４のｃでの倒れ角
である。

【００３３】以上のように、マスク４を用いることで、
ひきめの残る面であっても、コリメータにより高精度に
倒れ角を測定することができる。

【００３４】（第２の実施形態）図５は第２の実施形態
を示すものであり、ここで、符号１はコリメータであ
る。また、３は回転ステージ、５は測定対象となるポリ
ゴンミラー、７は制御および演算を行うコンピュータ、
８はディスプレイモニタ、９は結果出力信号、１０は変
位計、１１は直動ステージである。

【００３５】上記構成において、コリメータ１は、測定
対象であるポリゴンミラーの被測定面の角度を計測す
る。ポリゴンミラーの被測定面は鏡面であり、コリメー
タにより、十分な精度で角度測定が行える。一方、ポリ
ゴンミラーの基準面は、変位計により高さ測定される。
測定される位置を図６に示す。半径ｒの円上を一周測定
すると、図７のａでの、変位計データで示すような測定
値が得られる。

【００３６】この基準面の測定にあたって、コンピュー
タ７の指示により、直動ステージが駆動され、測定対象
５の上の、半径ｒの位置を、変位計１０が測定するよう
な位置に、位置決めされる。

【００３７】次に、コリメータにポリゴンミラーの測定
面が対向するように、コンピュータ７が回転ステージ３
を駆動し、対向した位置で停止する。この被測定面が、
測定される１面目となる。この位置より回転ステージ３
を１周３６０゜回転させながら、変位計の測定値をコン
ピュータ７が読みとる。

【００３８】これと並行して、被測定面がコリメータに
対向するごとに、被測定面の角度をコリメータから読み
とる。変位計の測定値は、図７ａのように、測定対象の
表面状態を反映して、細かな凸凹がある。しかしなが
ら、面全体としては、その面の法線ｍの方向がわずかに
傾いていると、正弦波の形により、１周あたり１周期の
波形がふくまれている。

【００３９】そこで、この面の法線方向を求めるため、
まず、変位計のデータをｙ＾＝Ａｃｏｓ（θ＋φ）＋Ｃの近似式にフィッティングさせる。

【００４０】ここで、ｙ＾は高さの近似値、Ａは振幅、
θは周方向角度、φは位相、Ｃはオフセット分である。
ｙ＾、θが測定値より得られる変数で、Ａ、φ、Ｃがフ
ィッティングで決定する定数である。各係数は、誤差ε
について、 ε＝Σ（ｙ−ｙ＾）² が最小となるように決定する。なお、ここでｙは高さの
測定値である。そして、得られたＡが基準面の傾き量を
表し、φが傾きの方向を表している。

【００４１】これから、基準面の角度は、ｘ＾_i＝（ｔａｎ^-1（Ａ／ｒ））ｃｏｓ（θ_i−φ）として求められる。

【００４２】ここで、ｘ＾_iは第ｉ面めをコリメータに
対向させたときの基準面の角度、θ _iはそのときの測定
対象の回転角度である。なお、ｒは測定対象の基準面上
の測定箇所の円の半径である。

【００４３】図８は、こうして得られた値をグラフにし
た例であり、同図のａは、被測定面の角度をコリメータ
で測定した測定値であり、また、ｂは基準面を変位計で
測定した高さデータから求めた基準面の角度である。ま
た、ｃは、ａとｂの差より求められた被測定面の倒れ角
である。

【００４４】このように、基準面を変位センサで測定
し、面の法線の傾きを正弦波に近似して求めることによ
り、高精度に被測定面の倒れ角が求められる。

【００４５】（第３の実施形態）図９は第３の実施形態
を表すものであり、ここで、符号１はオートコリメータ
であり、鏡面加工されている測定対象５の被測定面の角
度を測定する。また、３は測定対象５を回転させる回転
ステージ、２０は測定対象５を固定するための押え、２
１は押え２０を上下させるエアシリンダ、７は全体の制
御と測定値の演算を行うコンピュータ、８はコンピュー
タの出力結果や状態を表示するディスプレイモニタ、９
は外部への測定結果出力信号である。

【００４６】上記構成において、押え２０とエアシリン
ダ２０は、回転ステージ３の上に取り付けられ、測定対
象５といっしょに回転ステージ３の回転に従って、回転
する。

【００４７】被測定対象のポリゴンミラー５が、回転ス
テージの上に置かれた後、エアシリンダ２１によって、
押え２０が下降し、ポリゴンミラーが測定中にずれた
り、傾いたりなどの姿勢変化が起こらないように押え
る。

【００４８】このときの測定対象ポリゴンミラーの基準
面は、下向きとし、回転ステージ３の表面で、ポリゴン
ミラーの基準面を位置決めする。こうすることで、測定
対象の基準面は安定して、回転ステージの表面に一致し
た平面に固定できる。

【００４９】ここで、測定対象の被測定面をオートコリ
メータ１に対向するように、回転ステージを駆動し、そ
の位置での被測定面の角度をコリメータから読みとる。
また、それと同時に、回転ステージの回転角度もコンピ
ュータで記憶しておく。これを各測定面全てに対して行
う。

【００５０】図１０は６面ポリゴンミラーを測定した例
で、同図のａは被測定面で、これは各面の角度をコリメ
ータから読みとった値である。また、ｂは、原器につい
て、測定対象の代わりに、倒れ角が既知の原器を測定し
たときの、被測定面の倒れ角の値である。

【００５１】更に、ｃは倒れ角で、これは、ａの被測定
面の測定値から、ｂの原器の測定値と、原器の各面で
の、既知の倒れ角から求まる補正量を差し引いた値であ
る。

【００５２】ｗ_i＝ｘ_i−（ｇ_i−ｋ_i）ここで、ｗ_iは倒れ角、ｘ_iは被測定面の角度測定値、
ｇ_iは原器の各面の測定値、ｋ_iは原器の各面での既知
の倒れ角である。

【００５３】以上のような方法により、基準面が鏡面で
なくとも、倒れ角を高精度に測定することができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したようになり、基
準面が鏡面でなくとも、その面の法線方向を高精度に測
定することができる。また、変位センサの位置が動かせ
るので、測定対象のサイズの違いにすぐに対応できる。
更に、基準面の法線方向が高精度に測定できるので、被
測定面の倒れ角も高精度に測定できる。

【００５５】なお、本発明によれば、基準面が鏡面でな
くとも、その面の法線方向を高精度に測定することがで
きる。従って、被測定面の倒れ角も高精度に測定でき
る。

【００５６】また本発明によれば、基準面にひきめが残
るような場合でも、その面の角度をオートコリメータに
よって、高精度に測定することができる。そのため、被
測定面の倒れ角も高精度に測定できる。

【００５７】本発明によれば、基準面が鏡面でなくと
も、その面を回転割出しさせる手段によって、位置決め
することで、被測定面の倒れ角を高精度に測定できる。

【００５８】なお、本発明で、基準面が鏡面でなくと
も、その面を回転割出しさせる手段によって、位置決め
することで、被測定面の倒れ角を高精度に測定できると
共に、測定対象に加重を加えることで、位置決めを安定
して行うことができるので、より高精度に倒れ角を測定
できる。

【００５９】本発明によれば、上記効果に加えて、同心
円状のひきめが残る基準面に対し、高精度な面の角度の
測定ができる。ここでは、さまざまな、ひきめの方向に
対応して、高精度な基準面の面の角度を測定できる。

【００６０】本発明によれば、上記効果に加えて、加重
を加えるための動力源を必要とせず、安価に測定機を構
成でき、更には、加える加重の大きさを、空気圧によっ
て制御できることから、繰り返し再現性よく測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態をよく表す図である。

【図２】同じく、マスクの形状を表す図である。

【図３】同じく、マスクの効果があらわれている測定波
形を表す図である。

【図４】第１の実施形態の測定データから倒れ角を求め
るときの説明図である。

【図５】本発明の第２の実施形態をよく表す図である。

【図６】同じく、第２の実施形態で変位計の測定部位を
説明する図である。

【図７】同じく、変位計の測定データと、演算を説明す
る図である。

【図８】同じく、第２の実施例の測定データから倒れ角
を求めるときの説明図である。

【図９】本発明の第３の実施形態をよく表す図である。

【図１０】第３の実施形態の測定データから倒れ角を求
めるときの説明図である。

【図１１】従来例の図である。

【符号の説明】

１第１のコリメータ２第２のコリメータ３回転ステージ４マスク５測定対象のポリゴンミラー６平面ミラー７システムのコントロール８結果表示やシステムの状態を表示するディスプレ
イモニタ９外部への測定結果出力信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オートコリメータと、高さを測定できる
変位センサと、測定対象を回転割出しさせる手段と、変
位センサを測定対象に対して移動させる手段とを備えた
ことを特徴とする鏡面の倒れ角測定装置。
【請求項２】オートコリメータと、高さを測定できる
変位センサと、測定対象を回転割出しさせる手段とを備
えたことを特徴とする鏡面の倒れ角測定装置。
【請求項３】２つのオートコリメータと、測定対象を
回転割出しさせる手段と、コリメータの光路上に配置し
た所定の形状の穴をあけたマスクとを備えたことを特徴
とする鏡面の倒れ角測定装置。
【請求項４】測定対象を回転割出しさせる手段と、オ
ートコリメータとを備えたことを特徴とする鏡面の倒れ
角測定装置。
【請求項５】オートコリメータと、測定対象を回転割
出しさせる手段と、測定対象に加重を加える手段を備え
たことを特徴とする鏡面の倒れ角測定装置。
【請求項６】穴が２つあるマスクを備えたことを特徴
とする請求項３に記載の鏡面倒れ角測定装置。
【請求項７】測定対象表面にあるひきめのうち、測定
する倒れ角の方向に沿ったひきめがある領域と同一の形
状で、穴をあけたマスクを備えたことを特徴とする請求
項３の鏡面倒れ角測定装置。
【請求項８】加重をかけるスプリングを備えたことを
特徴とする請求項５に記載の鏡面倒れ角測定装置。
【請求項９】加重をかけるエアシリンダを備えたこと
を特徴とする請求項５に記載の鏡面倒れ角測定装置。
【請求項１０】請求項１ないし９に記載の鏡面倒れ角
測定装置のいずれかを備えることで、鏡面倒れを測定す
ることを特徴とする鏡面倒れ角測定方法。