JPH04269609A

JPH04269609A - トロイダル面の測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH04269609A
Application number: JP5010491A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sakuma; 佐久間　伸夫
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1992-09-25
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JP2915599B2

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
定面に当接させるので、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４（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
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
。

【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、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、トロイダル
面には、上記のように母線（Ｇ主径線）が短く、これと
直交するＲ主径線の長い、いわゆるドーナツ型若しくは
ノーマル型（以後この型を「ＮＴＳ」という。）の他に
、母線が長くＲ主径線の短い樽型（以後「ＢＴＳ」とい
う）と、鞍型（以後「ＫＴＳ」という）とがある。図６
にＢＴＳを例に図示するが、このトロイダル面７ａは、
母線（Ｇ主径線）をＲ主径線の曲率中心Ｏを通る回転軸
１２の周りに回転して創成されたものである。

【００１６】そして、上記の測定方法を、ＢＴＳ型やＫ
ＴＳ型のトロイダル面に適用すると、参照面６ａの直径
を母線（Ｇ主径線）に合わせて大きくする必要があり、
干渉光学系が非常に高価になってしまう。そこで、トロ
イダル面７ａを９０°回転して横向きに置き、干渉縞を
Ｒ主径線と平行に生じさせ、Ｇ主径線に沿って走査させ
る方法が考えられる。こうすれば、参照面６ａの直径を
大きくしなくてもよくなる。しかし、図６からわかるよ
うに、Ｇ主径線に沿って測定部分を走査すると、測定断
面の曲率半径が、Ｒ主径線からの距離に応じてｒ０　か
らｒｎ　の範囲で変化するので、非常にむずかしくなる
。

【００１７】本発明は、この問題の解決を図ったもので
、ＢＴＳやＫＴＳ等の母線（Ｇ主径線）の長いトロイダ
ル面の面形状や面精度を容易に測定できる方法、及び装
置を提供しようとするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
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方法において、
被測定面に照射する可干渉光をトロイダル面の創成に使
われた回転軸上に集束するように照射し、被測定面とな
るトロイダル面上の直交するＧ主径線とＲ主径線のうち
Ｒ主径線と平行な測定部分について干渉縞を作り、トロ
イダル面を有する被検体を前記回転軸と平行に走査して
面全体を測定する構成としている。

【００１９】また、測定部分の干渉縞の像を光学系によ
りイメージセンサ上に結像し、該イメージセンサからの
干渉縞の光強度信号からフーリエ変換法により前記測定
部分の面形状及び面精度を測定する工程と、測定部分の
走査に応じて得られる各測定部分の測定結果を集積する
工程とによってトロイダル面全体の面形状及び面精度を
測定する構成としてもよい。

【００２０】測定装置としては、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
面からの反射光を干渉させて被測定面の面形状及び面精
度を測定する装置において、被測定面としてのトロイダ
ル面上の直交するＧ主径線とＲ主径線のうちＲ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を有し
、トロイダル面を有する被検体をトロイダル面の創成に
使われた回転軸と平行に移動可能に支持する併進台を設
けた構成を採用している。

【００２１】

【作用】光源からの可干渉光は、参照面と被測定面とで
反射され、重畳されてＲ主径線と平行な測定部分につい
て干渉し、干渉縞を形成する。この測定部分を回転軸と
平行に走査するのであるが、トロイダル面に照射される
可干渉光の集束点は常に回転軸上にあるから、常にピン
トの合った状態で移動がされることになる。

【００２２】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１（ａ）　，（ｂ）　は本発明の測定装置を示し
ている。ほぼ図４の先願例で示したのと同様の構成で、本発明に
おいては、トロイダル面７ａがＮＴＳではなく、ＢＴＳ
若しくはＫＴＳ面である点、及び回転台８の代わりに併
進台１３を設けた点が相違している。

【００２３】なお、本発明ではトロイダル面７ａが図４
に示すものに比べ９０°回転しており、Ｇ主径線とＲ主
径線とが反対になっている点に注目されたい。併進台１
３は、従来例における回転台８と同様に、図示しないＤ
Ｃ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、被測定物７をこの回転軸１２と平行に移動できるも
のである。

【００２４】図２（ａ）　から（ｄ）　は、トロイダル
面７ａと参照面６ａ及び回転軸１２との相互関係を示す
図で、（ａ）　は凸のＢＴＳ、（ｂ）　は凹のＢＴＳ、
（ｃ）　は凹のＫＴＳ、（ｄ）　は凸のＫＴＳの各場合
を示す。併進台１３の移動によって、参照面６ａはトロ
イダル面７ａに対して移動するが、その移動する状態を
、上記各図においてそれぞれ三箇所で例示的に示してい
る。また、参照面６ａの曲率中心Ｏ″は常に回転軸１２
上に重なり、さらに、対物レンズ６から射出された可干
渉光は、この回転軸１２上の点Ｏ″に集束するように設
定されている。

【００２５】前記の先願例と同様に、光源１からの可干
渉光は、参照面６ａと、被測定面としてのトロイダル面
７ａとで反射され、重畳され、Ｒ主径線と平行な測定部
分について干渉し、集束レンズ９により干渉縞１１の像
をイメージセンサ１０上に結像する。この測定部分１１
′を回転軸１２と平行に走査するのであるが、図２（ａ
）　から（ｄ）　に示すように、集束点は常に回転軸１
２上にあるから、常にピントの合った状態で移動がされ
ることになる。

【００２６】また、各測定断面の曲率半径が中心線から
離れるに従って変化しても、参照面６ａと各測定断面と
は常に平行な状態が保たれるので、干渉縞を形成できる
。なお、参照面６ａと測定断面までの光路長は、中心線
１４からの距離に応じて変化するが、この変化量も干渉
縞１１の明暗が反転する回数と波長とによって算出でき
、Ｇ主径線に沿った面形状を観測できることとなる。

【００２７】図２に戻り、被測定面７ａで反射された可
干渉光の内、干渉縞の形成に関与する光線、すなわち来
た光路と同じ光路を戻る光線は、各図に矢印を付して示
したように、Ｇ主径線の曲率中心Ｏ′に向かう光線であ
る。この光線は、参照面６ａが中心線１４上にあるとき
は、対物レンズ６の光軸を通るが、参照面６ａが中心線
１４から上又は下にずれた場合は、この光線も対物レン
ズ６の光軸からずれることになる。そこで、次に、この
ようにずれた場合の干渉縞１１のでき方を説明する。

【００２８】なお、ここでは、図２（ａ）　の凸ＢＴＳ
について説明するが、他のトロイダル面の場合も全く同
様に考えることができる。

【００２９】図３は、図２（ａ）　において、参照面６
ａが中心軸１４の上方に移動した状態を詳細に示した図
である。対物レンズ６から射出される光は、トロイダル
面７ａを創成する回転軸１２上のＯ″点に集束するが、
この点は参照面６ａの曲率中心に他ならない。

【００３０】図３に示す集束光線のうち、Ｇ主径線の中
心Ｏ′に向かう太い線で示された光線Ｌは、参照面６ａ
の曲率中心Ｏ″をも通る。すなわち、光線Ｌは、参照面
６ａ及びトロイダル面７ａに垂直に入射するので、光線
Ｌと参照面６ａの交点をＰ、被測定面７ａとの交点をＰ
′とすれば、点ＰとＰ′で反射された光線は、入射時と
同じ光路を戻るが、その他の光線は、図示のように入射
光とは異なる光路を通る。従って、光線Ｌと参照面６ａ
の交点をＰ、被測定面７ａとの交点をＰ′とすると、点
ＰとＰ′とで反射された光のみが重畳して干渉縞１１を
形成し、他の光線は干渉縞とは関係がないことになる。

【００３１】ここで、参照面６ａは球面であり、その曲
率中心Ｏ″は、常に回転軸１２上にあるので、参照面６
ａは、点Ｏ″を中心とする点線で示すような球面Ｓの一
部分である。そして、上記光線Ｌと球面Ｓとの交点Ｐ点
は、図３の断面に限らず、回転軸１２を含む全ての断面
に存在することになる。そして、この点Ｐの軌跡は、二
点鎖線で示すこの球面Ｓ上の円Ｅとなる。一方、上記光
線Ｌとトロイダル面７ａとの交点Ｐ′点の軌跡は、トロ
イダル面７ａ上の円Ｅ′となる。そして、円ＥとＥ′と
は、共に回転軸１２と垂直な同心円である。

【００３２】従って、参照面６ａ上の円Ｅと重なる部分
と、被測定面７ａの円Ｅ′と重なる部分とが干渉を起こ
し、スリット状の干渉縞１１を形成することとなる。

【００３３】なお、参照面６ａが中心線１４から上下方
向にずれると、点Ｐの軌跡も参照面６ａの中心線からず
れるので、図５におけるイメージセンサ１０上に結像さ
れる干渉縞１１の像も矢印のように移動することとなる
。そこで、イメージセンサ１０に二次元センサを採用し
、干渉縞１１が移動しても、常にイメージセンサ上に結
像できるようにすることが望ましい。

【００３４】ところで、被測定面７ａから反射されて参
照面６ａに達した被検波、及び参照面６ａ上で反射され
た瞬間における参照波は、共に点Ｏ″を中心とする球面
波である。一方、対物レンズ６は、ほぼ正弦条件を満た
していると考えてよいので、上記の参照波及び被検波は
、対物レンズ６を通過すると平面波に変換されることに
なる。

【００３５】即ち、円弧状のトロイダル面７ａは、イメ
ージセンサ１０上には平面の像として結像することにな
る。つまり、回転軸１２上のＯ″点に向けて球面波を照
射すると、Ｒ主径線に平行な円弧についてスリット状の
干渉縞が得られるが、この干渉縞１１はトロイダル面が
理想状態にあれば、イメージセンサ１０上には、直線状
に形成されることになる。この性質は、本発明の測定方
法における非常に優れた特徴といえるものである。

【００３６】こうして得られたトロイダル面７ａの１断
面毎のデータを、フーリエ変換法で処理し、回転軸１２
の方向に走査してトロイダル面７ａの全体について解析
するが、この方法は前記の先願、特願平２−１２６６５
９号に開示されたものと同様に行うことができる。

【００３７】

【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以下の精度で、しかも非接触で測定することができ
る。また、ＮＴＳ以外のＢＴＳやＫＴＳ等の母線（Ｇ主
径線）の長いトロイダル面の面形状や面精度を容易に測
定できるようになった。さらに、参照面を母線の長さに
合わせて大きくする必要もないので、測定装置を安価に
製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定装置の構成を示す図で、（ａ）　
は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図２】トロイダル面と参照面、及び回転軸との相互関
係を示す図で、（ａ）は凸のＢＴＳ、（ｂ）　は凹のＢ
ＴＳ、（ｃ）　は凹のＫＴＳ、（ｄ）　は凸のＫＴＳの
各場合を示す図である。

【図３】図２（ａ）　において、参照面が中心線の上方
にずれた場合の干渉縞のでき方を説明する図である。

【図４】先願に記載のトロイダル面を測定する装置の構
成図で、（ａ）　は正面図、（ｂ）　は側面図である。

【図５】イメージセンサ上に結像された干渉縞の図であ
る。

【図６】樽型トロイダル面（ＢＴＳ）の斜視図である。

【符号の説明】

１　　　　　　光源６ａ　　　　参照面７　　　　　　被検体７ａ　　　　トロイダル面１１　　　　干渉縞１１′　　測定部分１２　　　　回転軸１３　　　　併進台１４　　　　中心軸Ｏ　　　　　　Ｒ主径線の曲率中心Ｏ′　　　　Ｇ主径線の曲率中心Ｏ″　　　　参照面の曲率中心

Claims

【特許請求の範囲】

【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
、被測定面に照射する可干渉光をトロイダル面の創成に
使われた回転軸上に集束するように照射し、被測定面と
なるトロイダル面上の直交するＧ主径線とＲ主径線のう
ちＲ主径線と平行な測定部分について干渉縞を作り、ト
ロイダル面を有する被検体を前記回転軸と平行に走査し
て面全体を測定することを特徴とするトロイダル面の測
定方法。
【請求項２】　　測定部分の干渉縞の像を光学系により
イメージセンサ上に結像し、該イメージセンサからの干
渉縞の光強度信号からフーリエ変換法により前記測定部
分の面形状及び面精度を測定する工程と、測定部分の走
査に応じて得られる各測定部分の測定結果を集積する工
程とによってトロイダル面全体の面形状及び面精度を測
定することを特徴とする請求項１記載のトロイダル面の
測定方法。
【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
を干渉させて被測定面の面形状及び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の直交す
るＧ主径線とＲ主径線のうちＲ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を有し、トロイダル面
を有する被検体をトロイダル面の創成に使われた回転軸
と平行に移動可能に支持する併進台を設けたことを特徴
とするトロイダル面の測定装置。