JPH0469510A - 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】 （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
面のような面内の直交する主径線の曲率中心が異なる曲
面における面形状および面精度の測定に関するものであ
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、感光体上の形成ドツトの高密度化や
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
採用されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、被測定面
を傷付けることなく、高速でしかも高精度にトロイダル
面の面形状および面精度（面粗さ、面うねり）を測定す
る測定方法及び測定装置を提供することを目的とし才い
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
れら両面が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と平行な細長い測定部
分について干渉縞を作り、該測定部分について形成した
干渉縞を、直交したシリンドリカルレンズを含む集束光
学系で測定部分の幅方向及び／又は長さ方向に変倍して
イメージセンサ上に結像し、被測定面を他方の主径線と
平行に走査して面全体を走査する構成を採用している。

又、測定装置としては、同一光源が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δ
こおいて、 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測定物を主径線の何れ
か他方の曲率に合わせて回動自在に支持する回転台と、
直交するシリンドリカルレンズからなり、干渉縞の像を
結像する集束光学系と、該光学系の結像位置に設けられ
たイメージセンサとを有する構成を採用している。

又は、集束光学系が干渉縞の幅方向及び／又は長さ方向
に変倍可能である構成とすることが望ましい。

［作　　用〕 同一光源からの可干渉光を、被測定面としてのトロイダ
ル面と、基準になる参照面とに照射すると、参照面と被
測定面とが平行とみなせる一方の主径線に沿って細長い
干渉縞が形成される。この干渉縞の像を、直交するシリ
ンドリカルレンズからなる集束光学系で幅方向及び／又
は長さ方向に適当に変倍すると、細長いイメージセンサ
上にうまく重ねて結像でき、トロイダル面の測定が容易
にできる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面によって説明する。

本発明で用いる干渉光学系としては、通常の球面や平面
の測定等に用いられるフィゾー型干渉計、マイケルソン
干渉計等と同し構成のものが使用でき、第１図（ａ）、
ω）に示す実施例では、フィゾー型干渉計を使用してい
る。

同図において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がらの狭い光束を
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、被測定物７の被測定面としてのトロイダル面７
ａに達スル。

上記トロイダル面７ａは、頂点で直交する束径ｖＡＡＢ
、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、ＡＢＯ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７
ａ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またはトロイダル面７ａは、Ｘ−Ｚ断
面内で若干チルト及びシフ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。

参照面６ａおよびトロイダル面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、集束光学系９を経てイメージセン
サ１０に達する。

したがって、対物レンズ６および集束光学系９を光軸方
向に移動させることによって、第２図（ａ）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、干渉縞が形成されるのは
、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１１’だけになる。もっとも、このよう
な干渉縞１１は、参照面６ａがシリンドリカル面や球面
であっても同様に形成できる。また、本実施例では参照
面は対物レンズ最終面に設けられているが、光路中の何
れの場所においても構わない。たとえば、ビームエクス
パンダで拡げられた平行光束中に設ける場合、参照面は
平面とする。

以上によって、イメージセンサ１０上に干渉縞１１が形
成されると、この干渉縞はトロイダル面７ａの可干渉光
が照射されたＣ主径線に沿ったほぼ中央部にある細長い
測定部分１１’に相当する面精度を表すことになる。

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。さらに、イ
メージセンサ１０の出力データを図示しないマイクロコ
ンピュータ等で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理をする
ことによって、面精度及び面形状を測定することができ
るが、この詳細については、本願の出願人による先願（
特願平２−１２６６５９号）に記載されているのでここ
では省略する。

ところで、上記のＦＦＴ処理においては、イメージセン
サ１０から読み取るデータの数は２Ｎ個（Ｎは整数）に
限定される。一方、イメージセンサ上にできる干渉縞１
１の長さ、すなわち測定部分１１′のＧ主径線方向の長
さは、結像光学系としての集束光学系９の特性によって
決まってしまう。また、同一の光学系を使用しても被測
定物７が変わることによって測定部分１１′の長さも変
化する。したがって、イメージセンサ上の一画素を−デ
ータとして取り込むと、−の測定部分１１′から一般に
第３図（ａ）のように（２Ｎ＋α）個のデータがとれる
ことになる。このデータに対し、２８でＦＦＴすると、
α部分のデータは削られてしまう。といって２　Ｎ＋＋
でＦＦＴするとデータの無い部分が不連続となり正しい
フーリエ解析ができない。したがって、干渉縞１１から
得られるデータの数を２″個（ｎは整数でｎ＝Ｎとは限
らない）に一致させる必要がある。

さらに別の問題として、干渉縞１１とイメージセンサ１
０との重ね合わせ上の問題がある。

即ち、集束光学系９によって干渉縞１１が結像されてい
ても、イメージセンサ１０とＧ主径線カ重なり合ってで
いない（例えば第２図（ａ）のように干渉縞１１に対し
てイメージセンサ１０が斜メになっている）と正確に測
定できない。というのは、被測定面７ａはトロイダル面
であるから、干渉縞１１は中心部ａの範囲では平行で等
間隔と見なせるが、中心部ａを外れると干渉縞は楕円に
なり、等間隔ではなくなってしまうためである。そして
、この干渉縞１１の幅は、集束レンズ９によっても相違
するが概して非常に狭く、その内解析に有効な幅ａは通
常では０．０２〜０．２＃程度である。他方のイメージ
センサ１０は、１画素７〜１０μｍのラインセンサから
なり、やはり非常に細い。したがって、この細い干渉縞
１１とイメージセンサ１０とをずれることなくセツティ
ングさせるのは非常に難しく、長時間を要する。

そこで、本発明の集束光学系９は、第３図に示すように
、縦−横変倍可能な構成としている。同図においてＬｏ
は、被測定面７ａから集束光学系の手前までの干渉光学
系部分で、対物レンズ６、ビームエクスパンダ２ｂ、ビ
ームスプリッタ４ａ及びλ／４板４ｂをまとめて表した
ものである。

ＬｌからＬ４は、集束光学系９を構成するシリンドリカ
ルレンズで、Ｌｌ及びＬ２は、レンズ曲面の回転軸がｙ
軸方向に平行であり、Ｌ　３及びＬ４は、回転軸がＬｌ
　、Ｌ２とは直交してＺ軸方向に平行である。また、被
測定面７ａとイメージセンサ１０とは共役となるように
配置される。このような集束光学系９により干渉縞１１
を結像するとき、ＬｌとＬ２をそれぞれ独立して光軸方
向に前後すると、Ｚ方向（Ｇ主径線方向）の倍率を変化
でき、Ｌ８とＬ４を同様に前後するとｙ軸方向（Ｒ主径
線方向）の倍率を変化できる。

なお、干渉縞１１の長さ方向（Ｇ主径線方向）について
は、本発明の出願人が先の出願（特願平２−０６２６３
４号）で提案しているように、電気的な変倍方法を使用
することもでき、その場合、Ｇ主径線方向の変倍機構は
不要となり、Ｒ主径線方向の変倍機構として、例えば図
示のＬｌとＬ８の二枚のシリンドリカルレンズだけがあ
ればよい。

イメージセンサ１０の出力波形をモニターしながら、干
渉縞のＲ主径線方向の倍率や、ラインセンサの位置を変
えて第２図（ｂ）に示す干渉縞】１の有効領域ａ′内に
イメージセンサ１０をセントする。適正なセント状態に
なれば、イメージセンサ１０の出力は第４図（ｂ）に示
すように全体に一定の波形となる。しかし、有効領域の
外にあるときは干渉縞が等間隔でなくなり（第２図（ａ
）参照）、第４図（ａ）に示すように、両端で強度及び
コン１〜ラストが極端に低下するため容易に判断できる
。

次に、Ｇ主径線方向の干渉縞の倍率を変えて干渉縞の長
さがイメージセンサ１０上の測定領域とほぼ一致するよ
うに調整する。

一度適正な倍率にセットし、イメージセンサ１０上に干
渉縞１１を結像できるようにしたならば、その後、回転
台８を回転させて各断面を測定している間は、集束光学
系９は固定したままでよい。

〔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及び面精度を波長以下の精度で
、しかも無接触で高速に測定することができる。

Ｒ主径線方向の倍率を上げて、受光面に結像させること
により、測定の有効領域が拡がり、イメージセンサのセ
ツティングが容易となるために測定時間の短縮につなが
る。

又、被測定物の大きさの変化により形成される干渉縞の
長さが変化しても、Ｇ主径線方向の倍率を変えることに
より、イメージセンサから常に２８個のデータを得るこ
とができ、干渉縞の長さが変化しても、その長さに追従
して面形状の測定ができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定装置全体の構成を示す図で、（ａ
）は正面図、（ｂ）は側面図、第２図はイメージセンサ
と干渉縞との関係を示す図で、（ａ）はシリンドリカル
レンズを使用しない場合、（ｂ）はシリンドリカルレン
ズを使用した場合のそれぞれｚ−ｙ面図、第３図は本発
明の集束光学系を示す図で、（ａ）は正面図（ｚ−ｘ面
図）、ら）は側面図（ｙ−Ｘ面図）、 第４図はイメージセンサの出力を示す線図で、（ａ）は
第２図（ａ）の状態にある場合、（ｂ）は第２図（ｂ）
の状態にある場合の図である。 １・・・光源、６ａ・・・参照面、７・・・被測定物、
７ａ・・・被測定面、８・・・回転台、９・・・集束光
学系、Ｌ１〜Ｌ４・・・シリンドリカルレンズ、１ｏ・
・・イメージセンサ、１１・・・干渉縞、１１′・・・
測定部分、ＣＤ・・・トロイダル面の一方の主径線（Ｇ
主径線）、ＡＢ・・・他方の主径線（Ｒ主径線）。 （Ｃ１ｌ （ｂ） （ｂｌ 第１図 〆 （ｂ） 幻 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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
   れか一方と平行な細長い測定部分について干渉縞を作り
   、該測定部分について形成した干渉縞を、直交したシリ
   ンドリカルレンズを含む集束光学系で測定部分の幅方向
   及び／又は長さ方向に変倍してイメージセンサ上に結像
   し、被測定面を他方の主径線と平行に走査して面全体を
   走査することを特徴とするトロイダル面の測定方法。
2. （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、 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測定物を主径線の何れ
   か他方の曲率に合わせて回動自在に支持する回転台と、
   直交するシリンドリカルレンズからなり、干渉縞の像を
   結像する集束光学系と、該光学系の結像位置に設けられ
   たイメージ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。
3. （３）集束光学系が干渉縞の幅方向及び／又は長さ方向
   に変倍可能であることを特徴とする請求項２記載のトロ
   イダル面の測定方法。