JP2877935B2

JP2877935B2 - 面精度の測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP2877935B2
Application number: JP26829290A
Authority: JP
Inventors: 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH04145317A

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
場合、参照面と被測定面の位置決めが容易にできる技術
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
があった。

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。

この問題を解決するものとして、出願人は、特願平２
−126659号において、第８図（ａ），（ｂ）に示すよう
なトロイダル面測定装置を提案している。

これらの図において、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等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、迷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7aは、頂点
に直交する主径線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、以後主径線CDの方をＧ主径線、AB
の方を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6a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
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、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を照射する。

８は被検体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で反射された参照光、およびトロイダル面7a
で反射された被検光は、共に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、集束レンズ９を
経てイメージセンサ10に達する。

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、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について干渉
を生じる。

したがって、対物レンズ６および集束レンズ９を光軸
方向に移動させることによって、第９図に示すようにイ
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、これによって、測定部分11′の面形状や面精度を測
定することができる。

さらに、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、たとえば、マイケルソン干渉計等であっても
同様に適用できるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の測定方法にあっては、イメージセンサ10上に干
渉縞を結像させるために、被測定面7aを所定の位置にセ
ッティングする必要がある。すなわち、Ｒ主径線の曲率
中心を回転台８の回転中心に、またＧ主径線の曲率中心
を参照面6aの曲率中心にそれぞれ一致させなければなら
ない。

しかし、この調整は非常に微妙で難しく、ずれ量が大
きいと、各測定断面で、デフォーカスやコントラストの
低下をまねいたり、干渉縞を生じなくなったりしてしま
う。

本発明は上記問題の解決を図ったもので、参照面と被
測定面との位置決めが容易にできる面精度の測定方法お
よび測定装置を提供することを目的としている。

〔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、
参照面から反射された参照光と被測定面から反射された
被検光とを重畳して干渉縞を作り、該干渉縞の像を集束
レンズでイメーセンサ上に結像して面精度を測定する方
法において、前記参照光の集束点またはビームウェストの近傍にス
リーンを置き、該スクリーン上に参照光の像と被検光の
像を写し、双方の像が重なり合うように被測定面の位置
決めをする構成を採用している。

また、スクリーンにアパーチャを設けた構成や、スク
リーン上に写された被検光の像の位置を像検知手段で検
知する構成とすることもできる。

本発明の装置としては、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、参照面から反射
された参照光と被測定面から反射された被検光とを重畳
して干渉縞を作り、該干渉縞の像を集束レンズでイメー
ジセンサ上に結像して面精度を測定する装置において、前記参照光の集束点またはビームウェストの近傍にス
クリーンを設けた構成を採用している。

または、スクリーンにアパーチャを設けた構成とした
り、スクリーン上における被検光の像の位置を検知する
像検知手段を設けた構成とすることが望ましい。

〔作用〕

参照面で反射された参照光は、集束部で小円形の像を
結像し、他方の被測定面で反射された被検光は、干渉縞
と直交する方向にスリット状の像を形成する。そして参
照光の小円形の像と被検光のスリット状の像とが重なり
合った部分で干渉縞が形成されることになる。

そこで、参照光の集束部またはビームウェスト近傍に
スクリーンを設け、参照光の小円形の像と被検光のスリ
ット上の像を写し出し、スクリーン上で両方の像が重な
るように被測定面を設置する。

スクリーンにアパーチャを形成し、上記の小円形の像
が通過できるようにスクリーンの位置決めをしてから、
スリット状の像を重ね合わせるように被測定面を設置す
ることにより、参照光と被検光のうち干渉に必要かつ十
分なものだけがアパーチャを通過し、迷光、反射光等の
ノイズ成分を除去できる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は、本発明のトロイダル面測定装置である。前
述の第４図とほぼ同じ構成であるが、参照光の集束点Ｐ
の近傍にスクリーン12を設け、このスクリーン12に円孔
のアパーチャ12aを穿設した点が相違している。なお、
スクリーン12は、集束点近傍の代わりにビームウェスト
の近傍に設けてもよい。

第２図（ａ）は、このスクリーン12上に参照光との像
13と被検光の像14が結像される状態を示す。参照面は円
形であるから、参照光は小円形の像13を結像する。これ
に対し、被測定面7aはＲ主径線方向（干渉縞と直交する
方向）に沿って広く照射されるので、被検光は、楕円状
ないしスリット状の像14を結像する。本発明は、この二
つの像をスクリーン上でモニターし、被検体７を動かし
ながら二つの像13,14がスクリーン12上で重なり合うよ
うに被検体７を設置し、干渉縞を形成する光束だけがア
パーチャ12aを通過するようにしようとするものであ
る。

そのため、スクリーン12は、図示しない移動手段に支
持され、X,Y,Z方向に移動自在になっている。また、ス
クリーン12に穿設されるアパーチャ12aの径は、迷光や
反射光を除くことができるように、参照光の小円形の像
13の径とほぼ同じにしている。なお、ビームスプリッタ
4bから射出される光束の径は、ビームエクスパンダ2bの
NAで決まるため、被測定面7aに無関係に一定となる。

小円形の像13とスプリット状の像14との重ね合わせ
は、回転台８を回転してスクリーン12上に写るスリット
状の像14の移動状態から判断して調整する。

第２図（ｂ）において、参照面6aと被測定面7aの中心
軸が実線のように一致していれば、参照光の小円形の像
13と被検光のスリット状の像14とはスクリーン12上で重
なり合う。しかし、被測定面7aが点線のように上方にず
れると、被検光の像14は、反対に点線に示すように下方
にずれることになる。すなわち、像のずれと反対に被検
体７を移動すればよい。

第３図（ａ）から（ｃ）のようにスリット状の像14が
下から上へと移動する場合は、被検体７の参照面6aの光
軸まわりに回転していることを意味する（以下この回転
を「γ回転」という。）。

また、第４図（ａ）から（ｃ）のようにスリット状の
像14が小円形の像13の下から上に行き、再び下に戻る移
動をする場合は、被検体７が第１図のＹ軸まわりに回転
していることを示す（以下この回転を「β回転」とい
う。）。

第５図のようにデフォーカスを生じている場合は、ス
リット状の像14が広がりを持つので、被検体７を光軸方
向に移動してピントを合わせる。

以上、第２図から第５図に示した像の動きと被検体７
の設置状態によって、回転台８および被検体７を設置
し、Ｒ主径線の曲率中心を回転台８の回転中心に、また
Ｇ主径線の曲率中心を参照面6aの曲率中心にそれぞれ一
致させる。

なお、被測定面7aが球面の場合は、被検光のスリット
状の像14はスリット状にはならず、参照光の像と同様に
小円形の像となるが、重ね合わせ方法は同様である。

次に、スクリーン12のモニター方法の別の実施例を説
明する。

第６図は、スクリーン12を撮影できるモニターカメラ
15を用いた場合である。第７図はモニターカメラ15の画
面16を示すが、このカメラの結像面には被検光の像14と
交叉する方向にイメージセンサ等を利用した像検知手段
17を設けている。像検知手段17上をスリット状の像14が
結像するので、像検知手段17の出力を検知すれば、スリ
ット状の像14の位置を知ることができる。また、回転台
８の回転によるスリット状の像14の変化により、γ回転
であるかβ回転であるかも知ることができる。一方、像
検知手段17とアパーチャ12aの位置関係は既知であり、
予めアパーチャ12aと参照光の小円形の像13との位置を
一致させておけば、被検体７をどのように動かせば良い
かがわかる。

上記像検知手段17は、モニターカメラ15に備える以外
に、スクリーン12に直接取り付けることもできることは
自明であろう。

以上により参照光の像13と被検光の像14を重ねると、
第６図の実線で示すように重なって干渉を起こす光束だ
けがアパーチャ12aを通過するようになり、点線で示す
干渉光学系内で発生する迷光、反射光等を効果的にカッ
トでき、ノイズの少ない、しかもコントラストの明確な
干渉縞を得ることができ、正確な面形状や面精度の測定
ができるようになる。

また、本発明において、スクリーン12にアパーチャ12
aを設けない構成としても、被検体７を正規の位置に設
置する目的は達成できる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、面形状や面
精度を測定する装置において、干渉縞を形成するため
に、参照面に対して被測定面を正確に設置することが容
易にできるようになる。

また、スクリーンにアパーチャを形成すれば、迷光や
反射光をを効果的に除去することもでき、コントラスト
の強く、ノイズのない干渉縞を得ることができ、正確な
測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定装置の構成を示す正面図、第２図（ａ）は参照光の集束点近傍においたスクリーン
上の参照光の像と被検光の像を示す図、（ｂ）はスクリ
ーン上の像の動きと被検体の動きの関係を説明する図、第３図（ａ）〜（ｃ）は被検体がγ回転をする場合のス
クリーン上の像の動きを説明する図、第４図（ａ）〜（ｃ）は被検体がβ回転をする場合のス
クリーン上の像の動きを説明する図、第５図はスクリーン上の被検光の像がデフォーカスを生
じている状態を示す図、第６図はスクリーンをモニターするカメラを設けた実施
例を示す図、第７図はモニターカメラの画面を示す図、第８図はトロイダル面の測定装置の図で、（ａ）は正面
図、（ｂ）は側面図、第９図はイメージセンサ上に結像された干渉縞の図であ
る。１……光源、6a……参照面、７……被検体、7a……被測
定面、８……回転台、10……イメージセンサ、11……干
渉縞、11′……測定部分、12……スクリーン、12a……
アパーチャ、13……参照光の像、14……被検光の像、17
……像検知手段、CD……トロイダル面の直交する一方の
主径線（Ｇ主径線）、AB……他方の主径線（Ｒ主径
線）。

Claims

(57)【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、参照面から反射された参照光
と被測定面から反射された被検光とを重畳して干渉縞を
作り、該干渉縞の像を集束レンズでイメージセンサ上に
結像して面精度を測定する方法において、前記参照光の集束点またはビームウェストの近傍にスク
リーンを置き、該スクリーン上に参照光の像と被検光の
像を写し、双方の像が重なり合うように被測定面の位置
決めをすることを特徴とする面精度の測定方法。
【請求項２】スクリーンにアパーチャを設け、参照光の
像が該アパーチャを通過するようにスクリーンの位置決
めをすることを特徴とする請求項１記載の面精度の測定
方法。
【請求項３】スクリーン上に写された被検光の像の位置
を像検出手段で検知することを特徴とする請求項１また
は２記載の面精度の測定方法。
【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、参照面から反射された参照光
と被測定面から反射された被検光とを重畳して干渉縞を
作り、該干渉縞の像を集束レンズでイメージセンサ上に
結像して面精度を測定する装置において、前記参照光の集束点またはビームウェストの近傍にスク
リーンを設けたことを特徴とする面精度の測定装置。
【請求項５】スクリーンにアパーチャを設けたことを特
徴とする請求項１記載の面精度測定装置。
【請求項６】スクリーン上における被検光の像の位置を
検知する像検知手段を設けたことを特徴とする面精度の
測定装置。