JPH04244903A - 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を測定する際の、被測定面の位置
決め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
主径線に平行なスリット状の測定部分について干渉を起
こし、図７に示す干渉縞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。 この干渉縞１１は、測定部分１１′の中心線に沿う断面
の面形状、面精度を表している。

【００１４】したがって、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】以上のようにして得られた被測定面として
のトロイダル面７ａの面データは、面の形状、面精度だ
けでなく、トロイダル面７ａのセッティング誤差（トロ
イダル面のＲ主径線の曲率中心と、回転台８の回転軸Ｏ
とのずれ）、参照面６ａのセッティング誤差（参照面６
ａの曲率中心とトロイダル面のＲ主径線の曲率中心との
ずれ）、さらに回転台８のラジアル方向やスラスト方向
の振れ等の誤差を含んだものである。

【００１６】この内、セッティング誤差は、得られた面
データを処理する際に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸回りに回転したり
、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向にシフトして、理想トロイダル面（
面粗さ、面うねりのないトロイダル面）にフィットする
位置を算出することによって除去することができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転台８のラ
ジアル方向の振れは、面精度と区別することができない
。従って、高精度に測定するためには、回転ステージの
ラジアル振れやスラスト振れを極力小さく抑えたい。 ところが、高精度の回転台８は空気軸受等を用いた構成
で高価となり、しかもラジアル振れやスラスト振れもせ
いぜい０．０３μｍ程度が限界で、面精度の測定分解能
を制限してしまう。

【００１８】本発明は、上記の問題の解決を図ったもの
で、被測定面としてのトロイダル面を回転する際のラジ
アル振れを、簡単に修正できる方法及び装置を提供する
ことを目的としている。

【００１９】

【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検体
の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、被検体を、被測定面としてのトロイダル
面上の直交する主径線の何れか一方に沿って回転する回
転台のＸＹステージ上に支持し、回転台に設けられた基
準円を変位センサで測定することにより、各回転角度に
対するトロイダル面のラジアル方向の変動を測定する工
程と、前記ＸＹステージで被検体を移動して該変動分を
補正する工程と、トロイダル面上の直交する他方の主径
線と平行な測定部分について干渉縞を作る工程と、該測
定部分を前記一方の主径線に沿って走査して面全体の形
状及び精度の測定をする工程とからなる構成を特徴とし
ている。

【００２０】又、本発明の装置は、同一光源からの可干
渉光を被検体の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、何れか他方の主径線の曲率に
対して予め決められた曲率を有する参照面と、該被検体
を交叉する二方向について移動自在に支持するＸＹステ
ージと、回転中心と同心に設けられた基準円と、回転台
とは独立して固定され、基準円との間のラジアル方向の
変位を検知する変位センサとを有する構成としている。

【００２１】

【作用】変位センサは、トロイダル面の一つの測定部分
のラジアル方向の変位量を測定し、ＸＹステージを駆動
して変位量が０になるように補正する。次に回転台を回
転し、次の測定部分が光軸上に来るようにして、これに
ついて同様にラジアル方向の変位量を測定し、同様に変
位量を補正する。以下これを繰り返し、トロイダル面全
体についてラジアル方向の変位量を補正し、補正後に干
渉縞を形成してトロイダル面全体の面形状及び面精度を
測定することができる。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。図
１（ａ），（ｂ）は、本発明の方法に使用される装置の
構成を示す図である。概略は、前述した図６に示す装置
と同じであるから、相違点を中心に説明する。

【００２３】回転台８には、球状の基準円１２が設けら
れ、また、回転台８とは別個の固定点に変位センサ１３
が光軸の延長上に置かれている。基準円１２は球形に限
定されず円柱でもよい。ただし、基準球または基準円柱
の中心軸は、回転台８の回転軸８ａと一致している必要
がある。

【００２４】変位センサ１３は基準円１２との間の距離
を測定して、トロイダル面７ａのスリット状の測定部分
１１′における回転半径即ち、ラジアル方向の振れを算
出するためのものである。この目的から、変位センサ１
３にはレーザ変位計等の高精度変位測定装置が用いられ
、基準円１２からの反射によりラジアル方向の変位をＸ
方向成分及びＹ軸方向成分に分けて検知できるものであ
る。

【００２５】被検体７は、回転台８上に設けられたＸＹ
ステージ１４に固定され、Ｘ，Ｙ軸方向に移動自在にな
っている。そして、このＸＹステージ１４は、変位セン
サ１３の出力に応じて駆動され、ラジアル方向の変位が
補正される。

【００２６】図２は、本発明における測定手順を示す図
である。まず、変位センサ１３は、トロイダル面７ａの
一つの測定部分１１′（又はＧ主径線に沿った１断面）
における基準円１２のラジアル方向の変位量を測定し、
ＸＹステージ１４を駆動して変位量が０になるように補
正する。

【００２７】次に回転台８を回転し、次の測定部分が光
軸上に来るようにして、これについて同様にラジアル方
向の変位量を測定し、同様に変位量を補正する。以下こ
れを繰り返し、トロイダル面７ａ全体についてラジアル
方向の変位量を補正し、補正後に干渉縞１１を形成して
トロイダル面全体の面形状及び面精度を測定することが
できる。

【００２８】図３は、図１とは別の実施例を示す。この
装置には、回転台８に回転位置を検知するための、ロー
タリエンコーダからなる角度センサ１５が設けられてい
る。又、図示しないが、各測定部分１１′についての変
位センサ１３及びこの角度センサ１５の出力を記憶する
マイクロコンピュータ等の公知の記憶手段が設けられて
いる。

【００２９】図４は、図３の装置による測定手順を示し
ている。まず、変位センサ１３で、１の測定部分１１′
（１断面）について、前述と同様にラジアル方向の変位
量を測定する。同時に角度センサ１５によってそのとき
の回転角を検出し、前記の変位量と共に図示しない記憶
手段に記憶させる。

【００３０】回転台８を回転し（すなわち１断面移動し
）、次の測定部分について、同様にラジアル変位量と回
転角とを検出し、記憶手段に記憶させる。以上を繰り返
し行い、トロイダル面全体についての変位量のデータを
揃える。

【００３１】次に、干渉縞１１を各測定部分について形
成する面精度等の測定を図４（ｂ）に従って以下のよう
に行う。先ず、トロイダル面の測定を開始する回転台の
位置を検出する。この回転角に対応するラジアル方向の
変位量は、記憶手段に記憶されているので、これを読み
出してＸＹステージ１４に出力し、トロイダル面７ａを
移動して変位量を補正し、干渉縞１１を形成してこの断
面について面精度等を測定する。

【００３２】以下、回転台８をステッピングモータ等で
回転し、１測定部分ごとに停止して面精度等の測定を行
う。この方法の場合、測定前にラジアル方向のずれを測
定しておくので、トロイダル面の測定を短時間で行うこ
とができるようになる。

【００３３】トロイダル面７ａのラジアル方向の変位量
は、通常、非常に微小なものであり、したがって、ＸＹ
ステージは補正のために微小な移動ができる必要がある
。そこで、図５に、この目的に合ったＸＹステージ１４
の駆動手段を示す。

【００３４】同図においてＸＹステージ１４は、Ｘ軸又
はＹ軸に沿ったスライド溝１６内に、図の上下方向に摺
動自在に嵌装され、スライド溝１６の底部にある二つの
圧縮ばね１７によって図の上方に付勢されている。ＸＹ
ステージ１４は、レバー１８の左端近くに設けられた突
起１９によって図の上方への移動を抑えられ、このレバ
ー１８は、左端が回動軸２０に、右端が圧電素子２１の
先端にそれぞれ固定されている。圧電素子２１は、下端
部を固定されており、図示しない電源から電圧が印加さ
れると、電圧に応じて矢印のように伸縮してＸＹステー
ジ１４を駆動する。ＸＹステージ１４には、圧電素子２
１の伸縮長さがＥ／Ｆ倍に縮小されて伝達される。した
がって以上の構成から、ＸＹステージを微小に移動する
ことができるようになる。

【００３５】なお、ＸＹステージ１４は、Ｘ，Ｙの２方
向に移動できる必要があるが、図５の構成二つを直交し
て重ねればよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リンドリカル面やトロイダル面等のように、面上の直交
する主径線の曲率中心が異なる面の面形状、面精度を波
長λ以下の高精度で、しかも、無接触で高速に測定する
ことができる。また、測定面を走査させる際のラジアル
誤差、すなわち、走査半径の誤差を修正できるので、さ
らに高精度な測定ができる。

【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）は側面図である。

【図２】図１の装置を用いた場合の本発明の手順を示す
図である。

【図３】本発明のトロイダル面測定装置の他の実施例の
側面図である。

【図４】図３の装置を用いた場合の本発明の手順を示す
図である。

【図５】ＸＹステージを微小距離移動する装置の構成図
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】イメージセンサ上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 １１　　　　干渉縞 １１′　　測定部分 １２　　　　基準円 １３　　　　変位センサ １４　　　　ＸＹステージ １５　　　　回転角センサ

Claims (5)

【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検体の被
   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、被検体を、被測定面としてのトロイダル面上
   の直交する主径線の何れか一方に沿って回転する回転台
   のＸＹステージ上に支持し、回転台に設けられた基準円
   を変位センサで測定することにより、各回転角度に対す
   るトロイダル面のラジアル方向の変動を測定する工程と
   、前記ＸＹステージで被検体を移動して前記変動分を補
   正する工程と、トロイダル面上の直交する他方の主径線
   と平行な測定部分について干渉縞を作る工程と、該測定
   部分を前記一方の主径線に沿って走査して面全体の形状
   及び精度の測定をする工程とからな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】　　各測定部分におけるラジアル方向の変
   動を、トロイダル面の測定以前にトロイダル面全体につ
   いて測定、記憶し、各測定部分を測定する際に、前記記
   憶したデータに基づき被検体を移動し、ラジアル方向の
   変動を補正してから測定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検体の被
   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、何れか他方の主径線の曲率に対して予め決めら
   れた曲率を有する参照面と、該被検体を交叉する二方向
   について移動自在に支持するＸＹステージと、回転中心
   と同心に設けられた基準円と、回転台とは独立して固定
   され、基準円との間のラジアル方向の変位を検知する変
   位センサとを有することを特徴とするトロイダル面の測
   定装置。
4. 【請求項４】　　前記回転台の位置を検知する回転角セ
   ンサと、該回転角センサと前記変位センサとからのデー
   タを記憶し、回転角に応じて補正信号をＸＹステージに
   送る記憶手段とを含むことを特徴とする請求項３記載の
   トロイダル面の測定装置。
5. 【請求項５】　　ＸＹステージを、圧電素子と、該圧電
   素子の変位量を縮小するレバー装置とにより駆動するこ
   とを特徴とする請求項３又は４記載のトロイダル面の測
   定装置。