JPH04242135A - トロイダル面の測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、トロイダル面ま
たはシリンドリカル面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おける面形状及び面精度の測定
に関するものである。

【０００２】

【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。

【０００３】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
波長以下の高精度で測定する必要が生じている。

【０００４】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
ような、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。

【０００５】そのため、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。

【０００６】しかし、「接触針方式」は、硬い針を被測
定面に当接されるので、被測定面を傷付けたり、汚した
りする問題があった。また、「光プローブ方式」では、
点で被測定面を走査するために、測定に時間がかかると
いう問題があった。

【０００７】そこで、本発明の出願人は、先願の特願平
２−１２６６５９号において、図６（ａ），（ｂ）に示
すトロイダル面の測定方法を提案している。

【０００８】同図において、１は光源で、可干渉性の高
いガスレーザ又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、ゴースト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、λ／４
板４ｂ及び反射面４ｃを有する。

【０００９】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７
ａ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、以後母線ＣＤ
のことをＧ主径線、これと直交する主径線ＡＢのことを
Ｒ主径線ということにする。

【００１０】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、その曲率中心は、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、この参照面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。

【００１１】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を照射し、反射される。

【００１２】８は被測定物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
紙面に垂直な回転軸８ａ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。

【００１３】参照面６ａ及びトロイダル面７ａで反射さ
れた可干渉光は、来た光路を戻り重畳され、参照面６ａ
の球面と、トロイダル面７ａとがほぼ平行と見なせるＧ
主径線に平行な図７に示すスリット状の測定部分１１′
について干渉を起こし、干渉縞１１が形成される。この
干渉縞１１の像を、光アイソレータ４の反射面４ｃを介
して結像レンズ９によってイメージセンサ１０上に結像
する。

【００１４】回転台８を、Ｒ主径線に沿って回動すると
、トロイダル面７ａ全体について面形状及び面精度の測
定ができることになる。

【００１５】ところで、上記の測定装置を用いて測定す
る場合、回転台８の回転に伴って干渉縞１１を連続的に
形成するためには、トロイダル面７ａのＲ主径線の曲率
中心Ｏ′を、回転台８の回転軸８ａと光軸との交点であ
る回転中心Ｏに正確に合わせる必要がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この調整は非
常に微妙であり、むずかしく、熟練者でも長時間を要す
る作業となっている。そこで、本発明はこの調整が簡単
に行える方法及び装置を提供することを目的としている
。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の方法は、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方法にお
いて、前記反射光を、少なくとも一か所で該反射光が集
束するように集束レンズに入射させ、二分割受光素子上
にトロイダル面の像を結像し、トロイダル面がデフォー
カスしたときの前記集束点のずれを、集束点に設けられ
たナイフエッジが反射光の一部を遮光し、二分割素子の
受光量が不均衡を生じることから検知し、これによって
トロイダル面を正規の位置に設置固定し、トロイダル面
上の直交する主径線の何れか一方の主径線と平行な測定
部分について干渉縞を作り、該測定部分を前記他方の主
径線に沿って走査して面全体の測定をする構成を採用し
ている。なお、上記ナイフエッジは、フーコプリズムに
代えることもできる。

【００１８】又は、前記反射光を集束レンズで受け、ト
ロイダル面が正規の位置にある場合は、反射光をほぼ７
行な光束として臨界角プリズムに入射させ、臨界角プリ
ズムで全反射してから二分割受光素子上に均等に照射さ
せ、トロイダル面のデフォーカスを、前記被検光が平行
光束とならずに一部が臨界角プリズムを透過し二分割受
光素子の出力が不均衡を生じることから検知し、これに
よってトロイダル面を正規の位置に設置固定し、トロイ
ダル面上の直交する主径線の何れか一方の主径線と平行
な測定部分について干渉縞を作り、該測定部分を前記他
方の主径線に沿って走査して面全体の測定をする構成を
採用している。

【００１９】本発明の装置としては、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、トロイダル面を有する被検体をト
ロイダル面上の直交する主径線の何れか一方に沿って回
転させる回転台と、該被検体を回転台上で直交する二方
向について移動自在に支持するＸＹステージと、入射し
た前記反射光を結像する集束レンズと、結像面に置かれ
た二分割受光素子と、反射光の集束点に置かれたナイフ
エッジと、該二分割受光素子の出力を比較する比較器と
、トロイダル面上の何れか他方の主径線の曲率に対し、
予め決められた曲率を有する参照面とを設けた構成を採
用している。

【００２０】又は、前記比較器のデフォーカス信号から
トロイダル面の位置ずれを算出する演算手段と、該演算
手段の出力によりＸＹステージを駆動するドライブ手段
とを有し、トロイダル面をフィードバックして位置決め
する構成とすることもできる。

【００２１】

【作用】光源から可干渉光を参照面とトロイダル面とに
照射し、参照面とトロイダル面からの重畳された反射光
を、少なくとも一か所で集束するように集束レンズで受
け、二分割素子上に結像する。また、トロイダル面が正
規の位置にあるときの前記集束点に、ナイフエッジ又は
フーコプリズムを置く。トロイダル面が正規の位置から
ずれていると、前記集束点が光軸上の前後にずれ、ナイ
フエッジ又はフーコプリズムによって光束の一部が遮蔽
され、二分割素子上の前記トロイダル面の像は、均衡を
欠きその一方が暗くなる。そこで、これを利用して二分
割素子の均衡がとれるようにトロイダル面を動かせば、
トロイダル面を正規の位置に設置することができる。

【００２２】この後、参照面から反射される参照光とト
ロイダル面から反射される被検光とを重畳し、トロイダ
ル面上の直交する主径線の何れか一方の主径線と平行な
測定部分について干渉縞を作り、該測定部分を前記他方
の主径線に沿って走査して面全体の測定をする。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明による装置の構成を示す図で
ある。干渉光学系及び回転台等の基本構成は、前述した
先願の装置と同様であるから、相違する部分について説
明する。

【００２４】被検体７は、回転台８の上に置かれたＸＹ
ステージ８ｂに固定され、このＸＹステージ８ｂによっ
て被検体７は、図のＸ，Ｙ軸方向に移動可能に支持され
ている。なお、被検体７のＲ主径線の曲率中心Ｏ′は、
回転軸８ａと光軸との交点（回転中心）Ｏに対してΔｘ
，Δｙだけずれて設定されているとする。

【００２５】結像レンズ９とイメージセンサ１０との間
には、ビームスプリッタ１２が設けられ、参照光と被検
光との重畳した反射光をイメージセンサ１０と集束レン
ズ１３の二方向に分割する。集束レンズ１３に向かった
反射光は、屈折されて図１（ａ）に示す集束点１４で一
度集束した後、二分割素子１５上に結像する。図の集束
点１４は、トロイダル面７ａにおけるＲ主径線の曲率中
心Ｏ′が、回転中心Ｏと一致した場合の集束点を示し、
ここには、ナイフエッジ１６が設けられている。

【００２６】図２は集束レンズ１３から二分割素子１５
に至る部分の詳細を示す図である。同図において実線で
示すように、トロイダル面の曲率中心Ｏ′が回転中心Ｏ
に正確に一致した場合、光線は集束点１４で集束し、ナ
イフエッジ１６は光を全く遮蔽せず、二分割素子１５ａ
，１５ｂは共に同じ光量を受け、比較手段としての比較
器１７からの出力は０となる。

【００２７】しかし、図１（ａ）に示すように、曲率中
心Ｏ′と回転中心ＯとがΔｘ，Δｙだけずれて設定され
ているとすると、この状態で回転台８が回転すれば、参
照面６ａとトロイダル面７ａの測定部分との距離が変化
し、図２に示すように集束点が１４ａ，１４ｂのように
光軸上の前後に移動する。

【００２８】トロイダル面７ａの測定部分が参照面６ａ
から遠ざかった場合、光束は点線のように進み、手前の
１４ａで集束する。そして、ナイフエッジ１６で二分割
素子の１５ａに進む光束が遮蔽されるため、二分割素子
１５ａ，１５ｂの受ける光量は同一とならず、比較手段
１７の出力は０にならない。つまり、比較手段１７はト
ロイダル面７ａが正規の位置にない場合に、そのずれを
示すエラー信号を出すことになり、この場合、比較手段
１７は正のエラー信号を出力する。

【００２９】トロイダル面７ａの測定部分が参照面６ａ
から近づいた場合、光束は一点鎖線のように進み、集束
点１４より二分割素子１５側の点１４ｂで集束する。そ
して、今度はナイフエッジ１６で二分割素子の１５ｂに
進む光束が遮蔽されるため、比較手段１７は負のエラー
信号を出力する。以上に説明したデフォーカス量に対す
るエラー信号を図示すると、図３のようになる。そこで
、この出力を０にするようにＸＹステージ８ｂで被検体
７を移動すればよい。

【００３０】図４は上記のエラー信号から、補正すべき
Δｘ，Δｙをコンピュータにより演算し、ＸＹステージ
８ｂにフィードバックするブロック図を示す。この図に
よって説明すると、まず、二分割素子１５で得られた信
号から、比較手段１７によってエラー信号を得る。次に
、これをＡＤ変換器１８によってデジタル信号に変換し
、トロイダル面７ａを回転したときのエラー量をＲ主径
線に沿ってメモリー１９に蓄積する。次に、演算手段２
０において上記のエラー量からΔｘ，Δｙを算出する。 そしてドライブ手段２１でΔｘ，Δｙに相当する補正量
だけＸＹステージ８ｂを図示しない電動モータ等で駆動
し、曲率中心Ｏ′を回転中心Ｏに一致させる。以上の動
作は、フィードバックすることによって、自動的に行う
ことができる。

【００３１】図５は、図１におけるビームスプリッタ１
２と二分割素子１５との間に、ナイフエッジの代わりに
臨界角プリズムを設けた実施例を示す。

【００３２】Ｇ主径線に平行な測定断面が、正規の位置
にあってデフォーカスが無い場合、反射光束は平行光束
となり、臨界角プリズム２２の傾斜面で反射され、二分
割素子に均等に照射される。このとき比較手段１７から
のエラー信号は０である。

【００３３】トロイダル面の測定断面が近づいた場合は
、反射光束は点線に示す発散光束となり、臨界角プリズ
ムの傾斜面で上方の光は反射され、下方に光は透過して
、二分割素子１５ａ，１５ｂの両出力は不均衡になり、
比較手段１７は負のエラー信号を出力する。

【００３４】トロイダル面が遠のいた場合は、反射光束
は一点鎖線に示す集束光束となり、臨界角プリズムの傾
斜面で、今度は逆に、上方の光は透過し、下方に光は反
射され、比較手段１７は、前とは逆に正のエラー信号を
出力する。

【００３５】上記のようにして得られたエラー信号は、
図４のブロック図に従って処理され、フィードバックす
ることにより自動的にトロイダル面の位置決めがなされ
ることとなる。

【００３６】なお、実際の測定においては、トロイダル
面のＲ主径線の曲率半径と、設計値とが一致することは
まれなため、微量ではあるが、セッティング誤差が残存
している。しかし、微量のセッティング誤差は、測定に
より得た面データをソフト上でＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に関し
てシフト及びチルトすることにより、理想のトロイダル
面（面粗さ、面うねりのないトロイダル面）にフィット
する位置を算出し、除去することができるので、問題は
ない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ト
ロイダル面の一方の主径線に沿った測定部分について干
渉縞を形成し、この測定部分を他方の主径線に沿って走
査して面全体を測定する際の、トロイダル面の位置決め
が、容易にできるようになり、位置決めに要する時間を
大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトロイダル面測定装置の図で、（ａ）
は正面図、（ｂ）は要部の側面図である。

【図２】集束レンズ、ナイフエッジ及び二分割素子の関
係を示す正面図である。

【図３】デフォーカス量と比較手段からのエラー信号と
の関係を示す線図である。

【図４】デフォーカスを無くし、トロイダル面を規定の
位置に設置するための装置のブロック図である。

【図５】臨界角プリズムを使用した場合の要部構成を示
す図である。

【図６】先願に記載したトロイダル面の測定装置の図で
、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図７】イメージセンサに結像した干渉縞を示す正面図
である。

【符号の説明】

１　　　　　　光源 ６ａ　　　　参照面 ７　　　　　　被検体 ７ａ　　　　トロイダル面 ８　　　　　　回転台 ８ａ　　　　回転軸 ８ｂ　　　　ＸＹステージ ９　　　　　　結像レンズ １０　　　　イメージセンサ １１　　　　干渉縞 １１′　　測定部分 １３　　　　集束レンズ １５　　　　二分割素子 １６　　　　ナイフエッジ １７　　　　比較手段 ２０　　　　演算手段 ２１　　　　ドライブ手段 Ｏ　　　　　　回転中心 Ｏ′　　　　Ｒ主径線の曲率中心

Claims (8)

【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方法において
   、前記反射光を、少なくとも一か所で該反射光が集束す
   るように集束レンズに入射させ、二分割受光素子上にト
   ロイダル面の像を結像し、トロイダル面がデフォーカス
   したときの前記集束点のずれを、集束点に設けられたナ
   イフエッジが反射光の一部を遮光し、二分割素子の受光
   量が不均衡を生じることから検知し、これによってトロ
   イダル面を正規の位置に設置固定し、トロイダル面上の
   直交する主径線の何れか一方の主径線と平行な測定部分
   について干渉縞を作り、該測定部分を前記他方の主径線
   に沿って走査して面全体の測定をすることを特徴とする
   トロイダル面の測定方法。
2. 【請求項２】　　ナイフエッジの代わりにフーコプリズ
   ムを使用することを特徴とする請求項１記載のトロイダ
   ル面の測定方法。
3. 【請求項３】　　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方法において
   、前記反射光を集束レンズで受け、トロイダル面が正規
   の位置にある場合は、反射光をほぼ平行な光束として臨
   界角プリズムに入射させ、臨界角プリズムで全反射して
   から二分割受光素子上に均等に照射させ、トロイダル面
   のデフォーカスを、前記被検光が平行光束とならずに一
   部が臨界角プリズムを透過し二分割受光素子の出力が不
   均衡を生じることから検知し、これによってトロイダル
   面を正規の位置に設置固定し、トロイダル面上の直交す
   る主径線の何れか一方の主径線と平行な測定部分につい
   て干渉縞を作り、該測定部分を前記他方の主径線に沿っ
   て走査して面全体の測定をすることを特徴とするトロイ
   ダル面の測定方法。
4. 【請求項４】　　二分割受光素子の出力を比較すること
   により、トロイダル面の位置ずれを算出し、その算出結
   果によりトロイダル面をフィードバックして位置決めす
   る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。
5. 【請求項５】　　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
   、トロイダル面を有する被検体をトロイダル面上の直交
   する主径線の何れか一方に沿って回転させる回転台と、
   該被検体を回転台上で直交する二方向について移動自在
   に支持するＸＹステージと、入射した前記反射光を結像
   する集束レンズと、結像面に置かれた二分割受光素子と
   、反射光の集束点に置かれたナイフエッジと、該二分割
   受光素子の出力を比較する比較手段と、トロイダル面上
   の何れか他方の主径線の曲率に対し、予め決められた曲
   率を有する参照面とを設けたことを特徴とするトロイダ
   ル面の測定装置。
6. 【請求項６】　　前記ナイフエッジの代わりにフーコプ
   リズムを設けたことを特徴とする請求項５記載のトロイ
   ダル面の測定装置。
7. 【請求項７】　　前記集束レンズと二分割受光素子との
   間に臨界角プリズムを設けたことを特徴とする請求項５
   記載のトロイダル面の測定装置。
8. 【請求項８】　　前記比較手段のデフォーカス信号から
   トロイダル面の位置ずれを算出する演算手段と、該演算
   手段の出力によりＸＹステージを駆動するドライブ手段
   とを有し、トロイダル面をフィードバックして位置決め
   することを特徴とする請求項５記載のトロイダル面の測
   定装置。