JPH04269608A - 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
して集束レンズ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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の測定
機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主径線の曲率中心を、回転台８の回転軸８ａに正確
に合わせ、さらにＲ主径線とその曲率中心とを、参照面
６ａの光軸を含み回転中心軸に垂直な面内に入れるため
の調整が必要である。

【００１６】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、トロイダル面を有する被検体を回転台上に置き、
前記回転台の回転中心に向かう光をトロイダル面上に照
射し、トロイダル面からの反射光が入射光と重なるよう
に被検体の位置を決め、トロイダル面上の他方の主径線
と平行な測定部分について干渉縞を作り、回転台を回転
して該測定部分を前記一方の主径線に沿って走査して面
全体の測定をする構成を採用している。

【００１８】また、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、相互に直交するｘ，ｙ
，ｚ軸について移動及び回動自在に支持する手段と、ト
ロイダル面に照射される可干渉光の光軸を含み前記回転
台の回転軸と直交する面内に置かれ、回転台の回転中心
に向かう光を前記トロイダル面上に照射する位置検出用
光源と、該位置検出光源から回転中心に向かう光路と光
学的に同じ光路内に置かれ、トロイダル面からの反射光
の像を結像する光学系及びスクリーンと、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からなる構成を採用している。

【００１９】上記において、前記スクリーンを二次元Ｃ
ＣＤアレイとし、反射光の像の位置と所定位置とのずれ
の量及び方向を算出する演算手段と、該演算手段からの
ずれ信号により前記支持手段を駆動する手段とを設けた
構成や、前記可干渉光を前記被測定面と参照面とに照射
する光源と、前記位置検出用光源とを、同一の光源とし
た構成とすることが望ましい。

【００２０】

【作用】位置検出用光源から回転中心に向かって射出さ
れた光は、その光路上にあるトロイダル面で反射される
。こうして、反射された光を入射光と一致するように被
検体を移動して位置を調整する。

【００２１】トロイダル面が所定の位置、すなわち、ト
ロイダル面における一方の主径線の曲率中心が、回転台
の回転中心に正確に合い、さらに上記一方の主径線とそ
の曲率中心とが、可干渉光の光軸を含み回転軸に垂直な
面内に入っていると、トロイダル面で反射される光の光
路は、入射光路と重なり、光源に向かって戻ることにな
る。この反射光を光学系によってスクリーン上に結像さ
せれば、スクリーンの所定の位置に結像することになる
。

【００２２】

【実施例】図１は、本発明による装置の構成を示す図で
ある。干渉光学系およ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。

【００２３】被検体７は、回転台８の上に置かれた支持
手段８ｂに固定され、この支持手段８ｂは、被検体７を
図のｘ，ｙ，ｚ軸に対して移動および回動可能に支持し
ている。もっとも、回転台８はｘ−ｙ平面と平行であり
、被検体７をｘ−ｙ平面と平行に置く（つまり、Ｒ主径
線とその曲率中心をｘ−ｙ平面と平行な面内に置く）こ
とは比較的に容易であるから、被検体を単にｘ，ｙ，ｚ
軸方向に移動可能に支持することとしてもよい。

【００２４】光源１とビームエクスパンダ２ａとの間に
は、ハーフミラー１２が置かれ、光源１の一部の光を図
の下方のミラー１３へと反射する。ミラー１３はハーフ
ミラー１２から入射した光を、右方の光アイソレータ１
４に向けて直角に曲げる。光アイソレータ１４は、前述
した符号４で示すものと同じ構成で、ビームスプリッタ
１４ａとλ／４板１４ｂとからなり、反射面１４ｃを有
している。光アイソレータ１４から射出された光はミラ
ー１５で反射される。このミラー１５は、支軸が回転軸
８ａと平行で、かつ矢符号方向にあおり可能になってお
り、光アイソレータ１４からの光を、後述する方法で、
正確に回転台８の回転軸８ａへ射出するように調整され
た後、固定されている。反射面１４ｃは、ミラー１５側
から入射した光を集束レンズ９の方に射出するものであ
る。符号１６はイメージセンサ１０の代わりに設けられ
たスクリーンを示す。以上のミラー１３から１５に至る
光学系の光軸は、光源１の光軸（ｘ軸）を含み回転軸８
ａに直交する平面内にある。

【００２５】光源１から出た可干渉光の一部がハーフミ
ラー１２で反射され、ミラー１３を経てビームスプリッ
タ１４ａ、λ／４板１４ｂを通過し、ミラー１５でトロ
イダル面７ａに反射される。

【００２６】トロイダル面７ａが正しい位置、すなわち
、トロイダル面７ａのＲ主径線の曲率中心が、回転台８
の回転軸８ａと光軸との交点（これを便宜的に「回転中
心」という）Ｏ（ｘ，ｙ，ｚ）に正確に一致すれば、反
射光は入射光と同じ経路を辿り、ミラー１５で反射され
、λ／４板１４ｂを経てビームスプリッタ１４ａの反射
面１４ｃで再び反射され、ビームスプリッタ４ａを通過
して集束レンズ９に達し、イメージセンサ１０の代わり
に設けられたスクリーン１６にトロイダル面７ａの像を
結像する。

【００２７】トロイダル面７ａの位置が、上述の位置か
らずれていると、トロイダル面７ａの反射光は入射光と
ずれ、スクリーン１６上の前述とは相違した位置に結像
する。いま、スクリーン１６を図３に示すような二次元
ＣＣＤアレイ１６′とし、トロイダル面７ａが正しい位
置にあるときの結像位置を斜線Ｅ部分とする。もし、ト
ロイダル面７ａにｘ，ｙ，ｚ方向のセッティングずれが
あり、図２に示すようにＲ主径線の曲率中心がＯ′（ｘ
′，ｙ′，ｚ′）に来たとすれば、Δｘ（ｘ−ｘ′），
Δｙ（ｙ−ｙ′），Δｚ（ｚ−ｚ′）のずれの量や方向
に応じて結像位置はＥからずれ、たとえば、図３の斜線
部Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ等に結像するようになる。

【００２８】そこで、回転台８上の支持手段８ｂを駆動
手段によって、ｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動させ、結像位置
がＥに来るように被検体７の位置決めをすることができ
る。この操作は、手動によっても良いが、二次元ＣＣＤ
アレイ１６′の出力を図４に示す演算手段１７に入力す
れば、Δｘ，Δｙ，Δｚを算出することができ、これを
駆動手段１８に入力して自動的に位置決めすることも可
能となる。図５に、その場合のフローチャートを示す。

【００２９】ところで、ミラー１５の位置決め方法が問
題となるが、これについては以下のように二つの方法が
ある。

【００３０】第１は、１つの被検体７について、前述の
干渉縞を走査しながら試行錯誤的方法で正しい位置に設
置した後、ミラー１５からトロイダル面７ａに照射され
る光がミラー１５に正確に戻るような位置に決める方法
である。

【００３１】第２は、回転台８から被検体７を取り外し
た状態で、回転軸Ｏに光を反射する細い棒等を立て、ミ
ラー１５から実際にこの棒に光を照射し、スクリーン１
６上でモニターする等の手段によって、反射光が入射光
と重なるようにミラー１５の位置決めをする方法である
。

【００３２】第１の方法の方が正確であるが、時間がか
かり、第２の方法は時間は速いが、正確さに欠ける。そ
こで、実際上は、両方法を適宜に併用し、能率が上がる
ように行った。

【００３３】スクリーン１６を二次元ＣＣＤアレイ１６
′とすれば、イメージセンサ１０との共用が可能になる
。また、光源１についてであるが、上記の実施例ではト
ロイダル面７ａの位置検出用光源として光源１を共用し
ている。これに対し、位置検出用光源を光源１とは別個
に設ける構成とすることもできる。ただし、単一の光源
とした方が、光源相互間のＺ軸方向の位置合わせが不要
となることから、位置決めの操作が容易になる。

【００３４】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。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定面としてのトロイダル面を有する被検体を、回転
台上の正しい位置に精度良く、しかも短時間で設置する
ことができ、設置のための調整時間を大幅に短縮するこ
とができる。また、トロイダル面の面形状や面精度の測
定を正確かつ迅速に行うことができる。

【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構成を示す正
面図である。

【図２】被検体がずれた状態を示す図１の要部拡大図で
ある。

【図３】トロイダル面の像が、トロイダル面の正規の位
置からのずれにより、スクリーンとしての二次元ＣＣＤ
アレイに結像する位置がずれる状態を示す図である。

【図４】被検体を正規の位置に移動する装置のブロック
図である。

【図５】被検体を正規の位置に移動するフローチャート
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された干渉縞の図であ
る。

【符号の説明】

１　　　　　　光源（位置検知用光源）６ａ　　　　参
照面 ７　　　　　　被検体 ７ａ　　　　トロイダル面 ８　　　　　　回転台 ８ａ　　　　回転軸 ８ｂ　　　　支持手段 ９　　　　　　集束レンズ １０　　　　イメージセンサ １１　　　　干渉縞 １１′　　測定部分 １６　　　　スクリーン １６′　　二次元ＣＣＤアレイ Ｏ　　　　　　回転中心

Claims (4)

【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
   、トロイダル面を有する被検体を回転台上に置き、前記
   回転台の回転中心に向かう光をトロイダル面上に照射し
   、トロイダル面からの反射光が入射光と重なるように被
   検体の位置を決め、トロイダル面上の他方の主径線と平
   行な測定部分について干渉縞を作り、回転台を回転して
   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】　　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、相互に直交するｘ，ｙ，ｚ軸について移
   動及び回動自在に支持する手段と、トロイダル面に照射
   される可干渉光の光軸を含み前記回転台の回転軸と直交
   する面内に置かれ、回転台の回転中心に向かう光を前記
   トロイダル面上に照射する位置検出用光源と、該位置検
   出光源から回転中心に向かう光路と光学的に同じ光路内
   に置かれ、トロイダル面からの反射光の像を結像する光
   学系及びスクリーンと、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
   面とからなることを特徴とするトロイダル面の測定装置
   。
3. 【請求項３】　　前記スクリーンを二次元ＣＣＤアレイ
   とし、反射光の像の位置と所定位置とのずれの量及び方
   向を算出する演算手段と、該演算手段からのずれ信号に
   より前記支持手段を駆動する手段とを設けたことを特徴
   とする請求項２記載のトロイダル面の測定装置。
4. 【請求項４】　　前記可干渉光を前記被測定面と参照面
   とに照射する光源と、前記位置検出用光源とを、同一の
   光源としたことを特徴とする請求項２又は３記載のトロ
   イダル面の測定装置。