JPH05231839A

JPH05231839A - トロイダル面の測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH05231839A
Application number: JP15023791A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tsuyusaki; 晋露崎
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】樽型トロイダル面や、鞍型トロイダル面等の
ように、母線（Ｇ主径線）の長いトロイダル面７ａの測
定の際、走査方向（Ｙ軸）と回転軸１２とを簡単に平行
にする方法及び装置を提供することを目的とする。【構成】まず、位置調整装置１４でトロイダル面７ａ
を移動させると共に、参照面６ａを光軸（Ｘ軸）上で移
動し、光源１からの可干渉光を回転軸１２上の一点に集
束させて干渉縞を形成する。併進台１３を動かして、回
転軸１２の他の点で同様に可干渉光を集束させ、それぞ
れについて同様に干渉縞を形成する。そして、各集束点
の３次元座標を求め、複数の集束点の座標から併進台の
進行方向（Ｙ軸）と回転軸１２とがなす角度を算出し、
この角度の分だけ位置調整装置１４で被検体７を動かし
てＹ軸と回転軸１２との平行度を高精度に合わせる。

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５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】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ｒo から
ｒn の範囲で変化するので、非常にむずかしくなる。

【００１７】そこで、この問題の解決を図るべく、出願
人は、別の先願の特願平３−５０１０４号で図７に示す
測定装置を提案している。同図に示す測定装置は、ほぼ
図４で説明したのと同様の構成で、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。

【００１８】なお、図７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１３
は、従来例における回転台８と同様に、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を回転軸１２と平行に移動できるものであ
る。

【００１９】前述の様に、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、集束点は常に回転軸
１２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。

【００２０】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、Ｘ軸
からの距離に応じて変化するが、この変化量も干渉縞１
１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。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の相違に
よって測定を行うには、被検体７を正しい位置にセッテ
ィングする必要がある。すなわち、併進台１３の進行方
向であるＹ軸と、回転軸１２とが完全に平行でなければ
ならず、平行度の正確さが測定精度に大きく影響を与え
ることになるが、この調整が非常にむつかしい。本発明
は、上記の事実に鑑みてなされたもので、ＢＴＳやＫＴ
Ｓ等の母線（Ｇ主径線）の長いトロイダル面の面精度や
面形状を測定する際に、被測定面のセッティングが正確
にかつ容易にできる方法及び装置を提供することにあ
る。

【００２２】

【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を、該トロイダル面の創
成に使われた回転軸とほぼ平行に移動自在に、かつ空間
位置決めが自在な状態で併進台に担持する工程と、被測
定面に照射する可干渉光を、前記回転軸上の相違する複
数個所に集束させて、各集束点に対応する各干渉縞を形
成する工程と、各集束点の空間位置を求める工程と、該
空間位置のデータから回転軸と併進台の移動方向との平
行度のずれを算出する工程と、該算出したずれに応じて
回転軸と併進台の移動方向との平行度のずれを修正する
工程と、修正後の被測定面を、前記回転軸と平行に走査
しつつ、該被測定面に可干渉光を照射し、参照面との間
で複数の干渉縞を形成して面全体を測定する工程とから
なる構成を採用している。

【００２３】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、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と、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
軸とほぼ平行に走査する併進台と、被検体の空間位置を
調整可能な位置調整手段と、照射された可干渉光が前記
回転軸上に集束する点の座標を測定する空間座標検出手
段と、複数の集束点についての前記座標信号から、該併
進台の走査方向と前記回転軸との平行度のずれを算出
し、ずれ信号を発生するずれ量算出手段とからなり、前
記位置調整手段が、ずれ信号に応じて被検体の位置を修
正して、平行度を合わせる構成を採用している。

【００２４】

【作用】まず、位置調整装置で被測定面を移動すると共
に、参照面を光軸上で移動させ、可干渉光を回転軸上の
一点に集束させて干渉縞を形成する。併進台を動かし
て、回転軸の他の点で同様に可干渉光を集束させ、それ
ぞれについて同様に干渉縞を形成する。そして、各集束
点の３次元座標を求め、複数の集束点の座標から併進台
の進行方向と回転軸との平行度のずれを算出し、このず
れの分だけ位置調整装置で被測定面を動かして平行度を
高精度に合わせる。

【００２５】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面によって説明す
る。図１は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。全体の構成は、図７に示
すものと同様であり、併進台１３に、被検体７の空間位
置を調整できる手段、具体的には、Ｘ軸とＺ軸方向への
移動、及びＸ軸周りの回転（以下「γ回転」という）と
Ｚ軸周りの回転（以下「α回転」という）ができる位置
調整装置１４が設けられている点で相違している。これ
らの微調整は、図示しないステッピングモータ等の電動
式アクチュエータで行われる。

【００２６】トロイダル面７ａの測定を正確に行うに
は、併進台１３の移動方向と、回転軸１２とが、完全に
平行になっている必要があるが、通常、被検体７を併進
台１３に載置した状態では完全な平行は期しがたく、若
干のずれが生じている。このずれは、図２(a) ，(b) に
示すように、Ｘ軸周りのγ回転方向のずれΔγ、および
Ｚ軸周りのα回転のずれΔαの２つに分解することがで
きる。したがって、各ずれを０に近づけるようにする必
要がある。

【００２７】そこで、まず、参照面６ａが図２(a) ，
(b) の左方に来るように、併進台１３を駆動する。次
に、位置調整装置１４でＸ軸及びＺ軸方向の調整をし
て、回転軸１２上のＰ点に可干渉光を集束させる。可干
渉光がＰ点に集束したことは、トロイダル面の対応する
部分と参照面との間で干渉縞が形成されることにより確
認できる。このときのＰ点の３次元座標Ｐ（Ｘp,Ｙp,Ｚ
p)を求める。

【００２８】次に、参照面６ａを図２(a) ，(b) の右方
に移動し、同様に回転軸上の今度はＱ点に可干渉光を集
束させる。干渉縞の形成を確認して、上記と同様にして
Ｑ点の３次元座標Ｑ（Ｘq,Ｙq,Ｚq)を求める。

【００２９】ここで必要になるのは、干渉縞が形成され
る複数の点Ｐ，Ｑの３次元座標の相対関係である。Ｐ，
Ｑ点における３次元座標Ｐ（Ｘp,Ｙp,Ｚp)及びＱ（Ｘq,
Ｙq,Ｚq)は、それぞれ位置調整装置１４から知ることが
できる。

【００３０】一方、平行度のずれΔα，Δγは、次の式
から求めることができる。 Δα＝ arc tan｛ (Ｘq −Ｘp)／ (Ｙq −Ｙp)｝ Δγ＝ arc tan｛ (Ｚq −Ｚp)／ (Ｙq −Ｙp)｝上式にＰ，Ｑ点の座標を入れてやれば、Δα，Δγの値
を求めることができ、こうして求めたΔαとΔγの分だ
け、調整装置１４で調整することにより、併進台１３の
移動方向と、回転軸１２とを高精度に平行に合わせるこ
とができる。また、以上の調整は、コンピュータやアク
チュエータを使用することにより、簡単に自動化でき
る。

【００３１】図３は、上記の作用を自動的に行う一実施
例を示すブロック図である。先ず、位置調整装置１４に
付随した空間座標検出手段２１からの位置を示す信号
が、ずれ量算出手段２２、たとえばコンピュータに入力
される。コンピュータでは、前述の式からΔα，Δγを
算出し、これに基づいて位置調整装置１４がずれ量を調
整する。なお、基準となる原点（０，０，０）は適当な
点に定めてよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＢＴＳやＫＴＳ等の母線（Ｇ主径線）の長いトロイダル
面の面精度や面形状を測定する際に、併進台の移動方向
とトロイダル面の創成に使用された回転軸とを高精度で
平行に保つことが簡単にできるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による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Ｚ−Ｘ面図であ
る。

【図２】併進台の移動方向と、回転軸との平行度のずれ
Δα，Δγを求める方法を示す図で、(a) はＸ−Ｙ面
図、(b) はＺ−Ｙ面図である。

【図３】平行度のずれを自動的に修正するための一実施
例を示すブロック図である。

【図４】一般的なトロイダル面を測定する装置の構成図
で、(a) はＸ−Ｙ面図、(b) はＺ−Ｘ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】樽形トロイダル面（ＢＴＳ）の斜視図である。

【図７】母線の長いトロイダル面の測定をする装置の図
で、(a) はＸ−Ｙ面図、(b) はＺ−Ｘ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１１干渉縞１１′ 測定部分１２回転軸１３併進台１４位置調整装置２１空間座標検出手段２２ずれ量算出手段Ｐ，Ｑ集束点

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を、該トロイダル面の創
成に使われた回転軸とほぼ平行に移動自在に、かつ空間
位置決めが自在な状態で併進台に担持する工程と、被測定面に照射する可干渉光を、前記回転軸上の相違す
る複数個所に集束させて、各集束点に対応する各干渉縞
を形成する工程と、各集束点の空間位置を求める工程と、該空間位置のデータから回転軸と併進台の移動方向との
平行度のずれを算出する工程と、該算出したずれに応じて回転軸と併進台の移動方向との
平行度のずれを修正する工程と、修正後の被測定面を、前記回転軸と平行に走査しつつ、
該被測定面に可干渉光を照射し、参照面との間で複数の
干渉縞を形成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と、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
われた回転軸とほぼ平行に走査する併進台と、被検体の空間位置を調整可能な位置調整手段と、照射された可干渉光が前記回転軸上に集束する点の座標
を測定する空間座標検出手段と、複数の集束点についての前記座標信号から、該併進台の
走査方向と前記回転軸との平行度のずれを算出し、ずれ
信号を発生するずれ量算出手段とからなり、前記位置調整手段が、ずれ信号に応じて被検体の位置を
修正して、平行度を合わせることを特徴とするトロイダ
ル面の測定装置。
【請求項３】前記位置調整手段が、被検体を併進台上
で直交する２軸方向に移動自在な手段と、被検体を前記
２軸周りに回転させる手段とからな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装置。