JP2877936B2 - トロイダル面の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光の干渉作用を用いて曲面の状態を測定する
技術に関し、特に、干渉縞を形成する際の迷光や反射光
の影響を排除する測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

レーザビームプリンタやレーザファクシミリ等に用い
られる光走査光学系は、一般にポリゴンミラーの面倒れ
補正を行うために、シリンドリカルレンズやトロイダル
レンズ等を用いたアナモフィックな光学系で構成され
る。なお、シリンドリカル面は、トロイダル面において
一方の曲率半径が無限大の場合と考えることができるの
で、本明細書においてトロイダル面という場合は特に区
別しない限りシリンドリカル面も含むものとする。

これらのレンズは、感光体上の形成ドットの高密度化
や均一化の要求から、0.1μｍ程度の面精度が必要とさ
れる。こうした背景から、トロイダル面を波長λ以下の
高精度で測定する必要が生じている。

一般に、面を高精度で測定するものとしては、レーザ
干渉計が広く知られているが、この干渉計は、平面また
は球面の測定はできるが、トロイダル面等のように、面
内の直交する主径線の曲率中心が異なる曲面については
測定できない。

そのため、従来このようなトロイダル面を高精度に測
定する方法としては、ダイヤモンドやルビー等の接触
針を被測定面に当接して走査させる「接触針方式」や、
光を微小スポットとして被測定面に照射し、このスポ
ットを被測定面全体に走査させる「光プローブ方式」等
があった。

しかし、の「接触針方式」では、硬い針を被測定面
に当接させるので、被測定面を傷付けたり、汚したりす
るという問題があった。また、の「光プローブ方式」
では、被測定面を傷付けたり、汚したりするという問題
はないが、点で被測定面を走査していくために、測定に
長時間かかるという問題があった。

この問題を解決するものとして、出願人は、特願平２
−126659号により第４図（ａ），（ｂ）に示すようなト
ロイダル面測定装置を提案している。

これらの図において、１は光源で、可干渉性の高いガ
スレーザまたは半導体レーザ等が使用される。2a,2bは
ビームエクスパンダで、光源１等からの狭い光束を適当
な大きさに拡げるためのものである。３は空間フィルタ
で、迷光や反射光等の不要な光をカットする。４は光ア
イソレータでビームスプリッタ4aとλ/4板4bとで構成さ
れている。ビームエクスパンダ2a,2bで拡大された光束
は、対物レンズ６を経て、被検体７の被測定面としての
トロイダル面7aに達する。このトロイダル面7aは、頂点
で直交する主径線AB,CDを有するが、このうち一方の主
径線CDを母線とし、これを他方の主径線ABに沿って回転
して形成したもので、以後主径線CDの方をＧ主径線、AB
の方をＲ主径線ということにする。

対物レンズ６の最終面は、半透鏡としての参照面6aと
なっており、予め決められた曲率半径の球面として形成
されている。即ち参照面6aの曲率中心は、トロイダル面
7aのＧ主径線（CD）の仕上がり曲率中心とほぼ一致する
位置に配置される。また、参照面6a又はトロイダル面7a
はＸ−Ｚ断面内で若干シフト及び／又はチルト可能に配
置される。そして、この参照面6aで対物レンズ６に入射
する光の一部が反射され、残りが透過してトロイダル面
7aを照射する。

８は被検体７を固定する回転台で、トロイダル面7aの
Ｒ主径線（AB）の曲率中心と一致した回転軸を有し、図
示しないDCサーボモータやステッピングモータ等によっ
て駆動され、被測定面であるトロイダル面7a上をＲ主径
線に沿って走査可能になっている。

参照面6aで反射された参照光、およびトロイダル面7a
で反射された被検光は、共に来た光路を戻り重畳され
る。そして、光アイソレータ４まで戻ってくると、λ/4
板4bおよびビームスプリッタ4aの作用により、ビームス
プリッタ4aの反射面4cで全て反射され、集束レンズ９を
経てイメージセンサ10に達する。

ところで、参照面6aは通常は球面であり、被測定面は
トロイダル面7aであるから、両面がほぼ平行と見なせる
Ｇ主径線に平行な細長い矩形状の測定部分について干渉
を生じる。

したがって、対物レンズ６および集束レンズ９を光軸
方向に移動させることによって、第５図に示すようにイ
メージセンサ10上に干渉縞の像11を結像することがで
き、これによって、測定部分11′の面形状や面精度を測
定することができる。

さらに、回転台８を、Ｒ主径線に沿って回動すること
によって、トロイダル面7a全体についての面形状及び面
の粗さや面のうねりといった面精度の観測ができること
になる。

なお、上記の例はフィゾー型干渉計であるが、その他
の干渉計、たとえば、マイケルソン干渉計等であっても
同様に適用できるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、イメージセンサ10上に干渉縞を結像さ
せる場合に、ビームスプリッタ4aやλ/4板4bからの迷光
や反射光があると、これらの光が被検光や参照光と干渉
を起こし、面精度の解析をする際の誤差となるおそれが
ある。

また、被測定面7aはＲ主径線方向に沿って広く照射さ
れるのに対し、干渉縞11が形成される測定部分11′は、
その内の極くわずかなＧ主径線に沿ったスリット状部分
であり、ここ以外の周辺の光がイメージセンサ10に達す
ると、干渉縞のコントラストが低下してしまう。

本発明は上記問題の解決を図ったもので、迷光および
反射光等の影響を受けないトロイダル面の測定装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明は、同一光源から
の可干渉光を被測定面と基準になる参照面とに照射し、
これら両面からの反射光を重畳して干渉縞を作り面精度
を測定する装置において、 被測定面としてのトロイダル面上に直交する主径線の
何れか一方の曲率に対し予め決められた曲率を有する参
照面と、トロイダル面を有する被検体を主径線の何れか
他方の曲率に合わせて回動自在に支持する回転台と、干
渉縞の像を結像する集束レンズと、参照面から反射され
た参照光の集束点近傍に設けられたアパーチャとからな
る構成を採用している。

または、前記アパーチャを参照光のビームウェスト近
傍に設ける構成としてもよい。

さらに、前記アパーチャに駆動手段を設けたり、前記
アパーチャの一部を遮光する遮光板を移動自在に設ける
構成としてもよい。

〔作 用〕

参照面で反射された参照光は、集束部で小円形の像を
結像し、他方の被検面で反射された被検光は、干渉縞と
直交する方向にスリット状の像を形成する。そして参照
光の小円形の像と被検光のスリット状の像とが重なり合
った部分で干渉縞が形成されることになる。

そこで、参照光の集束部またはビームウェスト近傍に
アパーチャを設け、小円形の像部分の光のみを通過でき
るようにすれば、参照光と被検光のうち干渉に必要かつ
十分なものだけがアパーチャを通過し、迷光、反射光等
のノイズ成分を除去できる。

また、参照面は被測定面に対してシフトおよび／また
はチルトしているので、上記参照光の小円形の像は、そ
の全体がスリット状の像と重なることはなく、小円形の
像の一部とスリット状の像とが重なる。したがって、小
円形の像を円形全体についてアパーチャを通過させる
と、不要の部分も通過してノイズとなる。

そこで、移動自在の遮光板で不要部分を塞ぎ、迷光等
の進入を防止する。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は、本発明のトロイダル面測定装置である。前
述の第４図とほぼ同じ構成であるが、参照光の集束点Ｐ
の近傍にアパーチャ基板12を設け、このアパーチャ基板
12に円孔のアパーチャ12aを穿設した点が相違してい
る。なお、集束点近傍の代わりにビームウェストの近傍
に設けてもよい。

第２図は、上記集束点Ｐの近傍における参照光の像と
被検光の像を示す図である。参照光は小円形の像13を結
像する。これに対し、前述したように被測定面7aはＲ主
径線方向に沿って広く照射されるので、被検光は、Ｒ主
径線に長い（干渉縞と直交する方向の）楕円ないしスリ
ット状の像14となる。そして、小円形の像13とスリット
状の像14との重なり合った斜線部分15が干渉縞11（第５
図参照）を形成することとなる。

なお、参照面6aは被測定面7aと干渉を起こすために、
被測定面7aに対して若干チルトおよび／またはシフトし
ているので、小円形の像13とスリット状の像14とは、中
心がずれて完全には重なり合わず、斜線部分15は円の一
部が欠けた形状となる点に注意されたい。

第３図（ａ），（ｂ）に示すように、アパーチャ基板
12に穿設されるアパーチャ12aの径は、小円形の像13の
径とほぼ同じである。なお、ビームスプリッタ4bから射
出される光束の径は、ビームエクスパンダ2bのNAで決ま
るため、被測定面7aに無関係に一定となる。また、アパ
ーチャ基板12自身は、図示しない駆動手段によって、X,
YおよびＺ方向に移動自在に支持されている。そして、
このアパーチャ基板12には、遮光板16が矢符号Ｅ方向に
スライド自在に設けられ、アパーチャ12aの孔を開放す
る位置から孔を閉塞する状態まで自由に移動できる。

参照面6aから反射した参照光、および被測定面7aから
反射した被検光は、アパーチャ基板12上に第２図のよう
な像13,14を結像している。そこで、図示しない駆動手
段でアパーチャ基板12を移動し、小円形の像13がアパー
チャ12aに丁度入るようにする。これによって、第１図
中に点線で示される迷光、反射光等はアパーチャ12aで
進入を阻止される。

以上により迷光、反射光の大部分はカットできる。し
かし、参照光のうち干渉に関与しない部分（第２図にお
いて、小円形の像13のうちハッチングの無い部分）を覆
い切れず、この部分からの光がノイズとして混入するこ
とになる。

そこで、遮光板16をスライドさせることにより、上記
した参照光の不要部分をカットできるようにしている。

なお、球面は直交する主径線の曲率半径が等しい特殊
なトロイダル面と考えることもできる。したがって、本
発明は被測定面が球面の場合も適用可能である。ただ
し、その場合、被検光の像14はスリット状にはならず、
参照光の像と同様の小円形となる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、トロイダル
面の面形状や面精度を測定する装置において、干渉縞を
形成する参照光や被検光から迷光、反射光等を効果的に
除去することができ、コントラストの強く、ノイズのな
い干渉縞を得ることができ、正確な測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定装置の構成を示す正面図、 第２図は参照光の集束点近傍において光軸と直交する面
に形成される参照光と被検光の像を示す図、 第３図（ａ）はアパーチャ部のＹ−Ｚ面図、（ｂ）はＸ
−Ｚ面図、 第４図はトロイダル面の測定装置の図で、（ａ）は正面
図、（ｂ）は側面図、 第５図はイメージセンサ上に結像された干渉縞の図であ
る。 １……光源、6a……参照面、７……被検体、7a……トロ
イダル面、８……回転台、10……イメージセンサ、11…
…干渉縞、11′……測定部分、12a……アパーチャ、16
……遮光板、CD……トロイダル面の直交する一方の主径
線（Ｇ主径線）、AB……他方の主径線（Ｒ主径線）。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一光源からの可干渉光を被測定面と基準
   になる参照面とに照射し、これら両面からの反射光を重
   畳して干渉縞を作り面精度を測定する装置において、 被測定面としてのトロイダル面上に直交する主径線の何
   れか一方の曲率に対し予め決められた曲率を有する参照
   面と、トロイダル面を有する被検体を主径線の何れか他
   方の曲率に合わせて回動自在に支持する回転台と、干渉
   縞の像を結像する集束レンズと、参照面から反射された
   参照光の集束点近傍に設けられたアパーチャとからなる
   ことを特徴とするトロイダル面の測定装置。
2. 【請求項２】前記アパーチャを参照光のビームウェスト
   近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載のトロイダ
   ル面の測定装置。
3. 【請求項３】前記アパーチャに駆動手段を設けたことを
   特徴とする請求項１または２記載のトロイダル面の測定
   装置。
4. 【請求項４】前記アパーチャの一部を遮光する遮光板を
   移動自在に設けたことを特徴とする請求項１から３の何
   れかに記載のトロイダル面の測定装置。