JPH051907A

JPH051907A - トロイダル面の測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH051907A
Application number: JP3154623A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suhara; 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】トロイダル面７ａ上の直交する主径線の何れ
か一方（Ｒ主径線）と平行なスリット状の測定部分につ
いて干渉縞を作り、干渉縞の像を集束光学系９により結
像する際、該干渉縞の像をイメージセンサ１０上に簡単
に重ね合わせできる技術の提供が目的である。【構成】干渉縞の像を二次元イメージセンサ１０上に
結像し、干渉縞と平行な複数のラインに沿ってイメージ
センサの各素子の出力を測定する。一ライン内における
出力の格差がほぼ最大となるライン上に干渉縞が結像し
ていることになるので、そのライン出力を干渉縞のデー
タとして取り出す。または、集束光学系９にシリンドリ
カルレンズを含め、干渉縞の像をシリンドリカルレンズ
の焦線位置に結像させ、上記焦線位置にラインセンサを
設けておく。

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
トロイダル面上の一方の主径線に平行なスリット状の干
渉縞を作り、この干渉縞を上記一方の主径線と交差する
方向に走査してトロイダル面全体の面形状や面精度の測
定をする技術に関し、上記干渉縞の像をイメージセンサ
上に確実に結像させる技術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８（ａ），（ｂ）に示
すトロイダル面の測定方法を提案している。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。

【０００８】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。

【０００９】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。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。８は被
測定物７を固定する回転台で、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、被検体
７を矢符号ａの方向に回動できるものである。

【００１０】光源１から出た可干渉光は、参照面６ａ及
びトロイダル面７ａで反射され、参照光及び被検光とな
って元来た光路を戻り重畳される。そして、重畳された
参照光と被検光とは、共に、光アイソレータ４の反射面
４ｃで反射されて集束レンズ９によってラインセンサ１
０上に図９に示すような、干渉縞１１の像を結像する。
この干渉縞１１は、参照面６ａの球面とトロイダル面７
ａとがほぼ平行と見なせるスリット状の測定部分１１′
について生じるものである。

【００１１】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の粗さ
や面のうねりといった面精度の測定ができることにな
る。なお、上記の例は、フィゾー型干渉計であるが、そ
の他の干渉計、例えば、マイケルソン干渉計であっても
同様に適用できるものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記によりイ
メージセンサ上に結像する干渉縞１１の幅は、集束光学
系９によっても相違するが、概して非常に狭く、その内
の解析に有効な幅は、通常では0.02〜0.2 ｍｍ程度であ
り、他方、イメージセンサ１０には、７〜１０μｍ平方
の素子を１列に並べたラインセンサが使用されている。
したがって、この細い干渉縞１１とラインセンサとをず
れることなく一致させるのは、非常にむずかしく、位置
合わせに長時間を要する。

【００１３】本発明は、この問題の解決を図ったもの
で、干渉縞の像をイメージセンサ上に簡単に重ねること
ができ、トロイダル面の測定が容易にできる方法、及び
装置を提供しようとするものである。

【００１４】

【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
れか一方と平行なスリット状の測定部分について干渉縞
を作る工程と、該干渉縞の像を、集束光学系によって二
次元イメージセンサ上に結像する工程と、該二次元イメ
ージセンサの干渉縞と平行な複数のラインについて各ラ
インを構成する素子の出力を測定し、一ライン内におけ
る出力の格差がほぼ最大となるラインの出力を前記測定
部分の干渉縞のデータとして取り出す工程と、トロイダ
ル面を前記一方の主径線と交差する方向に走査し、前記
の手順で各干渉縞のデータを取り出して面全体を測定す
る工程とからなる構成としている。

【００１５】また、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スリット状の測定
部分について干渉縞を作る工程と、該干渉縞の像を、シ
リンドリカルレンズを含む集束光学系の集束線上に結像
する工程と、該結像位置に置かれたイメージセンサの出
力から該干渉縞のデータを取り出す工程と、トロイダル
面を前記一方の主径線と交差方向に走査し、前記の手順
で各干渉縞のデータを取り出して面全体を測定する構成
としてもよい。

【００１６】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
交する主径線の内、いずれか一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、トロイダル
面を該一方の主径線と交差する方向に走査する支持台
と、干渉縞の像を焦線上に結像するシリンドリカルレン
ズを含む集束光学系と、該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。

【００１７】

【作用】干渉縞の像は、集束光学系により二次元イメー
ジセンサ上に結像し、干渉縞と平行な複数のラインに沿
ってイメージセンサの各素子の出力を測定する。一ライ
ン内における出力の格差がほぼ最大となるライン上に干
渉縞が結像していることになるので、そのライン出力を
干渉縞のデータとして取り出す。トロイダル面を走査
し、走査により生じる各干渉縞からも、上記と同様にし
てデータを得れば、トロイダル面全体を測定することが
できる。

【００１８】または、集束光学系にシリンドリカルレン
ズを含め、干渉縞の像をシリンドリカルレンズの焦線位
置に結像させると、干渉縞の像は、常に一定の位置に結
像することになるので、上記焦線位置にラインセンサを
設けておけばよい。

【００１９】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。本発明の第１実施例の測定装置は、図８の先願例で
示したのとほぼ同様の構成であるが、本発明において
は、トロイダル面７ａがドーナツ型（以下「ＮＴＳ」と
いう）ではなく、樽型（以下「ＢＴＳ」という）または
鞍型（以下「ＫＴＳ」という）で、Ｇ主径線を回転軸１
２の周りに回転してできるトロイダル面を測定対象とし
ている点で従来例と相違している。また、回転台８の代
わりに併進台１３を設け、ＤＣサーボモータや、ステッ
ピングモータ等により、トロイダル面７ａを回転軸１２
と平行に走査できるようにしている点でも異なってい
る。なお、図１のトロイダル面は図８のトロイダル面と
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。ＢＴＳのトロイダル
面を測定する装置が、このような構成となったのは、以
下の理由による。

【００２０】すなわち、図８に示す従来の測定装置で
は、Ｇ主径線の長いＢＴＳのトロイダル面を測定するに
は、参照面６ａの口径をＧ主径線方向の口径をカバーで
きるだけの大きさにする必要があり、干渉光学系が高価
になってしまうという問題があった。

【００２１】そこで、図１に示すように、トロイダル面
７ａを９０°回転させ、可干渉光をトロイダル面の創成
に使用された回転軸１２上に集束するように照射する構
成とし、トロイダル面を回転軸１２と平行に走査する構
成とした。このようにすることによって、参照面６ａの
口径は、Ｒ主径線方向の径をカバーできればよくなり、
大きくしないで済む。この構成としても、以下に説明す
るように、トロイダル面７ａと参照面６ａとは、常に両
面がほぼ平行となる測定部分を有し、図９と同様な干渉
縞を生じることができる。

【００２２】図２は、図１の装置で、参照面６ａとトロ
イダル面７ａとを回転軸１２と平行に走査した場合の、
干渉縞の形成状況を説明する図である。併進台１３の移
動によって走査する状態を、参照面６ａをトロイダル面
７ａの上方、中心部及び下部の３箇所に記載することで
代表的に示している。

【００２３】可干渉光は、回転軸１２上に集束するよう
に照射され、参照面６ａとトロイダル面７ａの双方で反
射され、参照光及び被検光となる。そして、これら参照
光と被検光が重畳できれば、干渉が起こり、干渉縞を作
ることができる。ところで、両面で反射される可干渉光
のうち、図２に矢印を付した参照面６ａとトロイダル面
７ａの双方に直交する光線は、ともに、参照面６ａ又は
トロイダル面７ａに反射された後、入射光線と全く同じ
光路を戻るので、重畳して干渉することになる。したが
って、図９と同様の干渉縞を得ることができる。

【００２４】併進台１３を回転軸１２に沿って矢符号ｂ
方向に移動させると、トロイダル面７ａを回転軸１２に
対して直角に輪切りにした測定断面について、次々と干
渉縞を得ることができ、集束レンズ９により各干渉縞１
１の像をイメージセンサ１０上に結像する。このとき、
図２(a) に示すように、可干渉光の集束点が、必ず回転
軸１２上に来るように併進台１３は動くので、常にピン
トの合った状態で走査することになる。

【００２５】上記の矢印を付した光線は、参照面６ａが
トロイダル面７ａの中心にあるときは、光軸と一致する
が、中心から上下に外れると、矢印の光線も参照面６ａ
の中心から外れ周辺部へと移動する。図３は、測定開始
時には、参照面６ａの中心にあった干渉縞１１が、走査
によって矢印の方向にｈだけずれた状態を示す。このと
き、参照面６ａとトロイダル面７ａとの間の距離も変化
するので、干渉縞の明暗の線も同時に移動する。

【００２６】イメージセンサ１０として従来はラインセ
ンサが使用されていたが、干渉縞１１とラインセンサと
を重ねることは図８の場合でも困難であったのに、トロ
イダル面がＢＴＳになると、完全に干渉縞１１がイメー
ジセンサから離れてしまい、測定できなくなってしま
う。そこで、本発明では、イメージセンサ１０に、ライ
ンセンサではなく、二次元ＣＣＤ等を用いた二次元イメ
ージセンサを使用している。

【００２７】図４は、円形の二次元イメージセンサ１０
に干渉縞の像が結像した状態を示す。イメージセンサ１
０の出力は、干渉縞１１と平行な複数のラインｂ１，ｂ
２……ｂｎに沿って各ラインを構成する個々の素子の出
力として読み取りがされ、コンピュータにより高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）等の演算処理がされる。ＦＦＴ処理
については、本出願人の先願（特願平１−１２６６５９
号）に詳述しているので詳しい説明は省略する。

【００２８】図５(a) ，(b) は、このＦＦＴ処理がされ
た場合の各ラインにおける入力データのスペクトル像を
示す図である。同図によれば、干渉縞と一致したｂ２ラ
インのみが、ライン内の各素子の出力に差が生じ、干渉
縞のデータとしてｆ０のスペクトル抽出が可能である。
しかし、他のラインは、ライン内の各素子間に出力差が
無く、図５(b) に示すようにスペクトルの抽出ができな
い。

【００２９】図６のフローチャートによって、上記の作
用を説明する。まず、二次元イメージセンサのｂ１，ｂ
２……ｂｎラインの出力データを取り込む（＃１）。次
に、各ラインについてＧ主径線方向のＦＦＴ処理を行う
（＃２）。この結果から、フィルタリングによってスペ
クトルｆ０の抽出をする（＃３）。各ラインにおいて抽
出されたスペクトルのＧ（ｆ）の内、最大値を求める
（＃４）。最大値になったライン（ここではｂ２）のデ
ータを測定部分１１′の干渉縞１１のデータとして取り
込む（＃５）。上記を支持台の走査に伴って作られる各
干渉縞について行い、つなぎ合わせることによって、面
全体の測定をすることができる。

【００３０】図７(a) ，(b) は、本発明の他の実施例と
して、図１に示す集束光学系９の変形例を示す図であ
る。同図においてＬ０は、干渉光学系の対物レンズ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等をまとめて示している。Ｌ１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、Ｌ１
及びＬ２のレンズ曲面の回転軸は、Ｙ軸に平行であり、
Ｌ３，Ｌ４のレンズ曲面の回転軸は、Ｌ１及びＬ２の回
転軸と直交し、Ｚ軸に平行である。また、被測定面７ａ
とイメージセンサ１０とは共役になるように配置されて
いる。

【００３１】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、Ｌ１とＬ２をそれぞれ独立して光軸方
向に前後すると、Ｚ軸方向（Ｒ主径線方向）の倍率を変
化でき、Ｌ３とＬ４を同様に前後すると、Ｙ軸方向（Ｇ
主径線方向）の倍率を変化できる。

【００３２】なお、干渉縞１１の長さ方向（Ｒ主径線方
向）については、本出願人による先願（特願平２−６２
６３４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Ｒ主径線方向の変倍機構
は不要となり、Ｇ主径線方向の変倍機構として、Ｌ１，
Ｌ２を球面レンズとし、Ｌ３，Ｌ４をシリンドリカルレ
ンズとしてもよい。

【００３３】また、シリンドリカルレンズを１枚とし、
かつその回転軸をＺ軸と平行にし、干渉縞１１の像を、
このシリンドリカルレンズの焦線ないし集束線上に結像
させる。すると、トロイダル面７ａを回転軸１２と平行
に走査しても、干渉縞１１は常にシリンドリカルレンズ
の集束線上に結像し、Ｇ主径線方向には移動しない（す
なわち、集束光学系のＧ主径線方向（Ｙ方向）の倍率は
０になる。）。したがって、この集束線に沿ってライン
センサを配置しておけば、常に干渉縞と重ね合わせるこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、トロイダル面の一測定断面についてのスリット状
の干渉縞の像を二次元イメージセンサ上に結像し、該二
次元イメージセンサの干渉縞と平行な複数のラインにつ
いて素子の出力を測定し、一ライン内における出力の格
差がほぼ最大となるラインの出力を前記測定部分の干渉
縞のデータとして取り出す構成としたので、干渉縞の像
が二次元イメージセンサ上のどこに結像しても、簡単に
干渉縞の測定データを得ることができる。

【００３５】また、請求項２又は４の発明によれば、干
渉縞の像を、シリンドリカルレンズの集束線上に結像す
る構成としたので、トロイダル面を走査しても干渉縞の
像が移動しなくなり、一度正確にイメージセンサの位置
決めをすればよく、走査に応じてイメージセンサの位置
を修正する必要がなくなる。

【００３６】さらに請求項３の発明によれば、干渉縞の
幅方向及び／又は長さ方向を変倍してイメージセンサ上
に結像するので、簡単に干渉縞をイメージセンサ上の重
ねることができる。

【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Ｘ
−Ｙ面図、(b) はＸ−Ｚ面図である。

【図２】ＢＴＳのトロイダル面、参照面、及び回転軸と
の相互関係を示すＸ−Ｙ面図である。

【図３】図２において、トロイダル面の走査によりイメ
ージセンサ上の干渉縞が移動する状態を説明する図であ
る。

【図４】二次元イメージセンサの干渉縞と平行な複数の
ラインについて素子の出力を測定し、干渉縞のデータを
見つけ出す方法を説明する図である。

【図５】(a) ，(b) は、各ラインの素子についての出力
を測定し、ＦＦＴ処理によりスペクトルを抽出する方法
を説明する図である。

【図６】図５の作用を説明するフローチャートである。

【図７】本発明の集束光学系にシリンドリカルレンズを
使用した場合の構成を示す図で、(a) はＸ−Ｚ面図、
(b) はＸ−Ｙ面図である。

【図８】本発明の先願に記載されたトロイダル面の測定
装置の構成を示す図で、(a) はＸ−Ｙ面図、(b) は、Ｘ
−Ｚ面図である。

【図９】図８の先願例において、イメージセンサ上に干
渉縞が結像した状態を示す図である。

【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（測定断面）１２回転軸１３併進台１４中心軸

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
れか一方と平行なスリット状の測定部分について干渉縞
を作る工程と、該干渉縞の像を、集束光学系によって二
次元イメージセンサ上に結像する工程と、該二次元イメ
ージセンサの干渉縞と平行な複数のラインについて各ラ
インを構成する素子の出力を測定し、一ライン内におけ
る出力の格差がほぼ最大となるラインの出力を前記測定
部分の干渉縞のデータとして取り出す工程と、トロイダ
ル面を前記一方の主径線と交差する方向に走査し、前記
の手順で各干渉縞のデータを取り出して面全体を測定す
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。
【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
れか一方と平行なスリット状の測定部分について干渉縞
を作る工程と、該干渉縞の像を、シリンドリカルレンズ
を含む集束光学系の集束線上に結像する工程と、該結像
位置に置かれたイメージセンサの出力から該干渉縞のデ
ータを取り出す工程と、トロイダル面を前記一方の主径
線と交差方向に走査し、前記の手順で各干渉縞のデータ
を取り出して面全体を測定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。
【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、
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、該トロイダル
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
行な部分についてスリット状の干渉縞を作る工程と、該
干渉縞の像を、直交したシリンドリカルレンズを含む光
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、イメージセンサの出力か
ら干渉縞のデータを取り出す工程と、トロイダル面を前
記回転軸と平行に走査し、前記の手順で各干渉縞のデー
タを取り出して面全体を測定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。
【請求項４】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
内、いずれか一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、トロイダル面を該一方の主径
線と交差する方向に走査する支持台と、干渉縞の像を焦
線上に結像するシリンドリカルレンズを含む集束光学系
と、該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。