JPS58173416A - 面形状の測定方法 - 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】 本発明は、トロイダル面、シリンドリカル面等の回転連
続曲面の面状態を測定する面形状の測定方法に関するも
のである。

従来から、レンズ、ミラー等の光学的研摩面の形状を測
定するには、二、−トン原器や各種干渉計等の干渉現象
を利用した測定手段が用いられている。これらの手段は
、主に平面や球面の形状測定を対象としており、被測定
面が回転曲面のように母線と子線で異なる曲率を有する
場合には測定が不可能か、或いは著しい制約を受けるこ
とになる０例えば、トロイダル面の形状を従来のニュー
トン原器を用いて測定する場合には、通常は球面又はシ
リンドリカル面を有するニュートン原器を用いて、トロ
イダル面の子線方向の断面の複数個所を検査する代用的
な方法が用いられる。この方法は、一時に１個の断面し
か検査できず、測定個所を変えるたびにニュートン原器
を当て直したとすると、ニュートン原器の参照面と被測
定面であるトロイダル面の間の光路長は前回の測定個所
と無関係になる。従って、子線方向断面のニュートンリ
ングを写真等によって順次記録し、これらの写真を継ぎ
合わせたとしても、第１図に示すようにニュートンリン
グの縞ｌの位相は互いに不連続であって、トロイダル面
の二次元的な形状を知ることは困難である。ニュートン
原器の代りにトワイマン、フィゾー等の干渉計を使用し
ても全く同様な問題が生ずることは避けられない。

このような問題を解決する１つの手段として、先ず母線
方向中央部の断面形状を干渉計で測定しておき、それと
直交する断面、即ち子線方向の断面形状を二次元的に継
ぎ合わせる際に、前記母線方向の断面形状を基準にして
干渉縞の位相ずれを補正する方法が考えられる。しかし
、この方法はり、かつ干渉縞の位相ずれの補正も必要で
ある。

更に、被測定範囲の母線方向断面の開口数が大きくて一
時に測定できない場合には、母線方向の断面内における
干渉縞同志の継ぎ合わせが困難となり、結果として二次
元的な形状を正しく測定することができないことになる
。

また他の手段として、トロイダル面をその回転対称軸の
廻りに回転し得るように、例えばターンテーブル上に配
置し、このターンテーブルを回転させながら干渉計でト
ロイダル面の子線断面を連続して測定すれば、二次元的
な形状を知ることができる。しかしながら、この方法で
は各断面の干渉縞の位相を連続的に保つために、測定中
の間は干渉計の参照面と被測定面間の光路長差を、光の
波長よりも十分に小さい範囲内で一定に保持しなければ
ならず、ターンテーブルの軸受や測定装置全体の防震、
空気の揺らぎの防止等のために精密で高価な機構が必要
になる。

更に他の手段として、トロイダル面を有するニュートン
原器を使用するか、或いはト渉計中にトロイダル参照波
面を発生させるアナモフィック光学系を使用するか、或
いはホログラムによってトロイダル参照波面を発生させ
る等の方法により、トロイダル面全体を二次元的に測定
することが考えられる。しかしこの方法もニュートン原
器、アナモフィック光学系、ホログラム等め゛製作が困
難であり、特に被測定面の開口数が大きくなると困難さ
が倍増し、ニュートン原器等に汎用性が無くなるという
欠点がある。

本発明の目的は、上述の従来例の欠点を解決し、コモン
パス型の干渉計を用いてトロイダル面、シリンドリカル
面等の回転連続曲面の二次元的形状を測定ｎ（能とする
面形状の測定方法を提供することにあり、その要旨は、
被測定面である回転連続曲面の曲率中心に光学系の焦点
を合わせ、被測定面からの反射光束を受け、干渉計内部
において２つの光束に分離し、これら２つの光束を光路
を共通させながら干渉させるコモンパス型のト渉計によ
り、被測定面の測定位置を変えながらその断面形状を測
定することを繰り返し、得られた各断面形状の干渉縞を
継ぎ合わせることにより、前記被測定面の二次元的な形
状の情報を得ることを特徴とする方法である。

次に本発明を第２図以下に図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。

第２図は本発明に係る・方法を実現するための装置であ
り、トロイダル面Ｓｔを有する試料Ｓを測定する場合の
平面構成図、第３図はその側面構成図である。試料Ｓは
レンズ又はミラーとし、ｘ−Ｙステージとあおり機構を
有する載物台１０上に載置する。更に、この載物台１０
をターンテーブル２０上に固定し、載物台ｌＯがターン
テーブル２０の中心軸重の廻りに回転し得るようにする
。試料Ｓに対画してコモンパス型のラジアルシャー干渉
計３０を設置し、その側面の観測窓には干渉縞を検知す
るための撮像素子４０を取付ける。この撮像素子４０の
出力線を、干渉縞の強度分布を記憶するためのメモリ回
路５０に接続し、更にメモリ回路５０の出力を装置全体
の制御及び演算を行う制御演算回路６０に入力する。そ
して、制御演算回路６０の一つの出力をステッピングモ
ータ７０に送信し、ステッピングモータ７０により１１
記ターンテーブル２０を任意の位置に回転するようにす
る。

測定に九ｔち、試料Ｓが有するトロイダル面Ｓｔの回転
対称軸ｑは、ターンテーブル２０の回転軸重と合致する
ように、載物台ｌＯのＸ−Ｙステージ及びあおり機構に
よって調整するものとする。

押し、トロイダル面Ｓｔが回転研摩によって加工され、
加工層から外さずにそのまま加工時の回転軸を使って回
転できる場合には、上述の調整は省略できる。干渉計３
０において、レーザー光源３１から射出する平行光束り
は、ビームエクスパンダ３２によって光束幅を広げた後
に、第１のノ＼−フミラー３３を透過し対物レンズ３４
に至る。この対物レンズ３４よる光束りの集光位置が、
トロイダル面Ｓｔの子線の曲率中心群を連ねてできる円
弧ｐ上となるように、干渉計３０とトロイダル面Ｓｔ間
の距離を調整する。但し、トロイダル面Ｓｔと載物台１
０、ターンテーブル２０同志間の相対的位置は、前記の
距離調整の際に不変に保持するものとする。

以上の手順により、トロイダル面Ｓｔで反射された光束
は、第２図の平面内、即ちトロイダル面Ｓｔの母線を含
む平面内においては、主光線のみが元と同じ光路を逆に
進み、第３図の平面内、即ちトロイダル面Ｓｔの子線を
含む平面内においては、トロイダル面Ｓｔで反射された
全ての光束が元と同じ光路を逆に進み、第１のハーフミ
ラ−３３で反射され第２のハーフミラ−３５に達するこ
とになる。第２のハーフミラ−３５、全反射ミラー３６
．３７及びビーム径変換光学系３８で構成される干渉計
３０の三角光路においては、第２のＩ＼−フミラー３５
に向かって入射した光束は、この第２のハーフミラ−３
５で反射される光束と透過する光束とに分けられる。こ
れらの光束は互いに逆方向に三角光路を廻って、再び第
２のノλ−フミラー３５を介して重なり合わされ干渉を
する。この際、２つの光束はビーム径変換光学系３８を
互いに逆方向から通過しているので、一方の光束は光束
径が拡大され、他方の光束は縮小されて歌ね合わされ、
所謂ラジアルシャー干渉による干渉縞を形成する。

周知のようにラジアルシャーの干渉縞は、トワイマンの
干渉縞と同様に波面の等高線を表す干渉縞であるから、
干渉縞の分布から直接トロイダル面Ｓｔの形状の良否を
判断することができる。前述したようにトロイダル面Ｓ
ｔで反射された光束が全て同一光路を逆進するのは、ト
ロイダル面Ｓｔの子線方向の断面内だけであるから１．
第２のハーフミラ−３５、結像レンズ３９を介して撮像
素子４０に達する干渉縞は、第４図に示す干渉縞■のよ
うに子線方向だけに形成される。この状態において、制
御演算回路６０の指令によりステ“ツピングモータ７０
を駆動してターンテーブル２０を回転すればトロイダル
面ＳＥＬを母線方向に走査することになり、トロイダル
面Ｓｔの二次元的な測定がＩｌｉ丁能になる。撮像素子
４０及びメモリ回路５０を介して各断面ごとに得られた
干渉縞を継ぎ合わせると、例えば第５図に示すように従
来の干渉計で球面や平面の二次元的な干渉縞を観察する
場合と同様の連続性を有する干渉縞Ｉを観察をすること
ができる。

なおここで注目すべきことは、前記ラジアルシャー干渉
計が、光路の配置について三角光路のコモンパス型の共
通光路を有する配置になっていることである。従って干
渉縞の位相が外部振動等の外乱に影響されることが殆ど
なく、ターンテーブル２０の軸受に高精度のものを使用
したり、防震に特別の工夫をする必要もなく、或いは干
渉縞の位相ずれを何らかの演算によって補正したりする
ことも不要であり、得られた各断面の縞をそのまま継ぎ
合わせるだけで、第５図に示すようなに滑らかに継かっ
た連続性を有する干渉縞Ｉの模様が得られるのである。

上述の実施例の干渉計３０の変形例として、例えば、第
６図に示すようにレーザー光源３１を半導体レーザーと
し、半球の空気レンズから成るビーム径変換光学系３８
でラジアルシャー干渉縞を発生させるプリズム型の干渉
計のユニット８０を使用すれば、装置全体を簡便でコン
パクトに網めることかできる。なお、ここで第２図、第
３図と同一の符号は同一の部材を示しているものとする
。更に、他の変形例として第７図に示すように凸しン□
ズ８１の互いに共役な一組の物点及び像点が、第２のハ
ーフミラ−３５に関して共役な位置に配置されるような
構成の干渉計を形成することもできる。

前記実施例における干渉方式はラジアルシャ一方式とし
たが、必ずしも同方式である必要はなく、例えば波面の
横ずらしのよるラテラルシャー干渉方式でも支障はない
、ただ、ラテラルシャ一方式による干渉縞は、被測定波
面の等高線ではなく等傾斜線を表しているので波面の形
状を直感的に把握し難いという欠点があるので、望まし
くは等高線を表わす干渉縞がよい。

本発明の方法で使用する干渉計の条件は、その光路配置
がコモンパス型になっていることであって、前述の三角
光路の干渉計の他に、例えば第８（Ｐｏｉｎｔ　ｄｉｆ
ｆｒａｃｔｉｏｎ）干渉計などを使用することも可能で
ある。この干渉計では、第９図に示すようにピンホール
８２を有する半透過性のフィルタ８３を被測定波面の収
斂位置近傍に設置し、収斂光のフラウンホーファー回折
像のサイドローブの一部をピンホール８２に導く、この
ピンホール８２によって再回折して発生する理想的な球
面波を参照波面ｗＯとし、フィルタ８３−をそのまま透
過してきた被測定波面ｗｉと干渉させるようになってお
り、被測定波面ｗ１と参照波面ＷＯとが同じ光路を通る
コモンパス型の配置とし、かつ形成される干渉縞は被測
定波面Ｗｌの等高線を表している。

また、シリンダ面の形状を測定するには、シリンダ面の
回転対称軸を中心に回転し得るようなターンテーブルに
よってシリンダ面を回転させながら、母線断面の形状を
前述の方法と同様に測定するか、或いはシリンダ面の母
線と平行な方向にシリンダ面を直線的に移動可能な載物
台を使用して、シリンダ面を直線運動させながら子線断
面の形状を測定するかの何れの方法かが可能である。

以上説明したように本発明に係る面形状の測定方法によ
れば１回転連続曲面を測定するに当り、光束の焦点を子
線の曲率中心に合わせ、その子線断面の形状をコモンパ
ス型の干渉計で操作しなカミら測定することなどにより
、特殊な原器等や精密な回転機構、防震機構を必要とせ
ず容易にその二次元的な面形状を測定することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の測定による各断面の位相の不連続性を有
する干渉縞の集合から成る被測定面の正面図、第２図以
下は本発明に係る面形状の測定方法の実施例を示し、第
２図はこの方法を実現するための装置の平面構成図、第
３図はその側面構成図、第４図は測定される干渉縞の説
明図、第５図は実施例により得られた干渉縞の集合力）
ら成る被測定面の正面図、第６図、第７図、第８図１＊
本発明による方法を実現するための他の実施例の構成図
、第９図は第β図の装置による方法の説明図である。 符号１０１ｔＸ−Ｙスｙ−ジ、２０はターンテーブル、
３０は干渉計、３１はレーザー光源、３２はビームエク
スパンダ、３３は第１のノ＼−フミラー、３４は対物レ
ンズ、３５は第２のノ＼−フミラー、３６．３７は全反
射ミラー、３８はビーム径変換光学系、３９は結像レン
ズ、４０は撮像素子、５０はメモリ回路、６０は制御演
算回路、７０はステッピングモータ、Ｓは試料、Ｓｔは
トロイダル面である。 特許出願人　　　キャノン株式会社 １１３ｍ １１４ａｇｔ ■ １１５図 ■ 第６図 １１Ｉ７Ｉ！１ ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定面である回転連続曲面の曲率中心に光学系の
   焦点を合わせ、被測定面からの反射光束を受け、干渉計
   内部において２つの光束に分離し、これら２つの光束を
   光路を共通させながら干渉させるコモンパス型の干渉計
   により、被測定面の測定位置を変えながらその断面形状
   を測定することを繰り返し、得られた各断面形状の干渉
   縞を継ぎ合わせることにより、前記被測定面の二次元的
   な形状の情報を得ることを特徴とする面形状の測定方法
   。 ２、前記被測定面が母線と子線とから形成される曲面で
   ある場合に、干渉計から射出する光栄の主光線を母線の
   曲率中心点に合わせ、光束の焦点位置を子線の曲率中心
   位置に合わせ、被測定面を母線の曲率中心点を軸にして
   回転移動するようにして測定位置を変えるようにした特
   許請求の範囲第１項記載の面形状の測定方法。 ３、前記被測定面が円筒状曲面である場合に、被測定面
   を直線である母線に沿って移動するようにした特許請求
   の範囲第２項記載の面形状の測定方法。