(57)【要約】【課題】可動物体の動的な面変形を、測定時に参照光を用いることなく測定することができる動的面形状測定装置および動的面形状測定方法を提供する。【解決手段】動的面形状測定装置１は、可動物体７に照射するパルス光を発光するパルス光源２と、波面収差を測定する波面センサ１４とを主に備える。測定時には、略平行光源１６、第一受光素子１９、および第二受光素子２０によって可動物体７の動作を検出する。信号発生器は、検出された動作に応じて、可動物体７が所定の動作を行っているタイミングでパルス光源２を発光させる。発光されたパルス光は、可動物体７の被測定面によって反射され、反射光が波面センサ１４に入射する。反射光の波面収差を波面センサ１４によって測定し、参照波面との差分の波面収差から被測定面の動的面形状を測定する。【選択図】図１
2010286434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動物体に照射するパルス光を発光するパルス光源と、
一定周期で動作している前記可動物体の動作を検出する動作検出手段と、
前記動作検出手段によって検出される動作に応じて、前記可動物体が所定の動作を行っているタイミングで前記パルス光源を発光させる発光制御手段と、
前記可動物体によって反射された前記パルス光の反射光を受光することで、前記可動物体の動的面形状を測定するために用いられる波面収差を測定する波面センサと
を備えたことを特徴とする動的面形状測定装置。
【請求項２】
前記可動物体から前記波面センサへ至る光路に、前記反射光を拡大、等倍、若しくは縮小するアフォーカル光学系を備えたことを特徴とする請求項１に記載の動的面形状測定装置。
【請求項３】
前記反射光の光軸に直交する方向で前記反射光を拡大若しくは縮小するアナモルフィック光学系を、前記可動物体から前記波面センサへ至る光路に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の動的面形状測定装置。
【請求項４】
前記可動物体を一定周期で揺動させる揺動手段と、
前記揺動手段による前記可動物体の揺動軸を中心に回転することで前記可動物体の揺動範囲の中間位置を変更する回転手段と
を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動的面形状測定装置。
【請求項５】
一定周期で動作している可動物体の動作を検出する動作検出ステップと、
前記動作検出ステップによって検出される動作に応じて、前記可動物体が所定の動作を行っているタイミングで、前記可動物体に照射するパルス光を発光させる発光制御ステップと、
前記可動物体によって反射された前記パルス光の反射光の波面収差を測定する波面収差測定ステップと、
前記波面収差測定ステップによって算出された前記反射光の波面収差から、前記可動物体の動的面形状を演算する動的面形状演算ステップと
を備えたことを特徴とする動的面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動物体の動的な面変形を測定する動的面形状測定装置および動的面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高い形状精度が要求される可動物体の動的形状を測定するための形状測定装置が知られている。レーザプリンタやデジタルコピー機等の画像機器に使用する書き込み光学系には、高い形状精度が要求される。特に、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー等は、高速で揺動（振動）、又は回転させて、光源からミラー面に照射された光ビームを高速走査するものである。ミラー面はその形状通りになっていないと走査する光ビームの結像スポット径や結像位置などの光学特性が設計値からずれ、画像機器の出力結果の品質が低下してしまう。しかし、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー等は高速な揺動、又は回転時に熱や遠心力の影響等によりそのミラー面が変形を生じることがある。このため、揺動中又は回転中の面形状を正確に測定して動的な面変形を評価する必要がある。形状測定装置は、このような揺動、又は回転中の測定対象の面形状を測定するために用いられる。
【０００３】
形状測定装置の１つに、干渉計を用いた形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この形状測定装置では、半導体レーザから発光されたパルス光がビームスプリッタによって分割される。ビームスプリッタを透過したパルス光は、測定対象に照射されて反射し、往路を逆行する。逆行した反射光は、ビームスプリッタによって反射され、物体光としてＣＣＤカメラに到達する。また、半導体レーザから発光されたパルス光のうち、ビームスプリッタによって反射されたパルス光は、参照ミラーによって反射されて往路を逆行する。逆行した反射光はビームスプリッタを透過し、参照光としてＣＣＤカメラに到達する。物体光と参照光とを干渉させることにより発生する干渉縞をＣＣＤカメラによって撮像することで、可動物体の動的面形状が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７４３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、パルス光を光源として干渉計を構成した従来の形状測定装置では、物体光と参照光とが干渉を起こして干渉縞が発生するように、物体光と参照光の光路差をパルス光のコヒーレンス長内に調整しなければならない。よって、光路差の調整が困難であり、測定の工程が煩雑であるという問題点があった。また、干渉計測において測定基準となる参照光を得るために、形状精度が高い参照ミラー等を用いる必要があり、装置の構造が複雑になるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、可動物体の動的な面変形を、測定時に参照光を用いることなく測定することができる動的面形状測定装置および動的面形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の動的面形状測定装置は、可動物体に照射するパルス光を発光するパルス光源と、一定周期で動作している前記可動物体の動作を検出する動作検出手段と、前記動作検出手段によって検出される動作に応じて、前記可動物体が所定の動作を行っているタイミングで前記パルス光源を発光させる発光制御手段と、前記可動物体によって反射された前記パルス光の反射光を受光することで、前記可動物体の動的面形状を測定するために用いられる波面収差を測定する波面センサとを備えている。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の動的面形状測定装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記可動物体から前記波面センサへ至る光路に、前記反射光を拡大、等倍、若しくは縮小するアフォーカル光学系を備えている。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の動的面形状測定装置は、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記反射光の光軸に直交する方向で前記反射光を拡大若しくは縮小するアナモルフィック光学系を、前記可動物体から前記波面センサへ至る光路に備えている。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の動的面形状測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記可動物体を一定周期で揺動させる揺動手段と、前記揺動手段による前記可動物体の揺動軸を中心に回転することで前記可動物体の揺動範囲の中間位置を変更する回転手段とを備えている。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の動的面形状測定方法は、一定周期で動作している可動物体の動作を検出する動作検出ステップと、前記動作検出ステップによって検出される動作に応じて、前記可動物体が所定の動作を行っているタイミングで、前記可動物体に照射するパルス光を発光させる発光制御ステップと、前記可動物体によって反射された前記パルス光の反射光の波面収差を測定する波面収差測定ステップと、前記波面収差測定ステップによって算出された前記反射光の波面収差から、前記可動物体の動的面形状を演算する動的面形状演算ステップとを備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の動的面形状測定装置は、波面収差を測定する波面センサを備える。一定周期で動作している可動物体の動作を動作検出手段によって検出し、可動物体が所定の動作を行っているタイミングでパルス光源を発光させる。パルス光源から発光されて可動物体で反射された反射光を波面センサに入射させて、反射光の波面収差を測定する。従って、本発明に係る動的面形状測定装置によると、測定時に干渉計を構成するための参照光を用いることなく、所定の動作を行っている瞬間の可動物体の動的面形状を測定することができる。よって、測定系において、可動物体からの反射光の光路と、参照光の光路との光路差を、パルス光のコヒーレンス長内に調整する工程が必要ない。干渉計において測定基準となる参照光を得る必要がないため、形状精度が高い参照ミラー等を用いる必要もない。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の動的面形状測定装置は、請求項１に記載の発明の効果に加え、可動物体の被測定面を波面センサ瞳へ結像することができるため、被測定面から波面センサ瞳までの光路中における回折による波面変化を補償することができる。さらに、大きさが異なる様々な可動物体の動的面形状を測定することができる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の動的面形状測定装置は、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、可動物体の被測定面の縦横比が大きく異なる場合であっても、光軸に直交する方向で反射光を拡大若しくは縮小し、縦横比を調整して波面センサに入射させることができる。よって、縦横比が大きく異なる被測定面についても、動的面形状を測定することができる。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の動的面形状測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の効果に加え、揺動する可動物体の揺動範囲の中間位置を変更することができる。つまり、動的面形状を測定することができる位置と、揺動範囲の中間位置とがなす角度を調整することができる。従って、任意の振り角における可動物体の動的面形状を測定することができる。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の動的面形状測定方法では、一定周期で動作している可動物体の動作を検出し、可動物体が所定の動作を行っているタイミングで、可動物体に照射するパルス光を発光させる。パルス光源から発光されて可動物体で反射された反射光の波面収差を測定し、波面収差から可動物体の動的面形状を演算する。従って、測定時に干渉計を構成するための参照光を用いることなく、所定の動作を行っている瞬間の可動物体の動的面形状を測定することができる。よって、測定系において、可動物体からの反射光の光路と、参照光の光路との光路差を、パルス光のコヒーレンス長内に調整する工程が必要ない。干渉計において測定基準となる参照光を測定時に得る必要がないため、形状精度が高い参照ミラー等を用いる必要もない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】動的面形状測定装置１の平面視における概略構成図である。
【図２】可動物体７の動作を検出するためのシステム構成を示す模式図である。
【図３】動的面形状の測定中の各機器の動作タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図４】動的面形状測定装置１の概略構成を図１の矢印Ｉ方向から見た側面図である。
【図５】可動物体７、回転ステージ８、および揺動装置９の平面視における模式図である。
【図６】相対測定の手順を示すフローチャートである。
【図７】第一絶対測定の手順を示すフローチャートである。
【図８】第二絶対測定の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具現化した一実施の形態である動的面形状測定装置１について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成、フローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００１９】
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る動的面形状測定装置１の概略構成について説明する。図１は、動的面形状測定装置１の平面視における概略構成図である。動的面形状測定装置１は、揺動（振動）中または回転中の可動物体の面変形を測定するものである。例えば、揺動中のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーの面変形、回転中のポリゴンミラー（回転多面鏡）の面変形を測定できる。以下の実施形態では、揺動中のＭＥＭＳミラーの面変形を測定する構成を例に挙げて説明を行う。
【００２０】
動的面形状測定装置１は、可動物体７に光を照射して面変形を測定するための測定ユニットとして、主にパルス光源２と波面センサ１４とを備える。図１では、パルス光源２が発光するパルス光の光路を実線で表す。パルス光源２と可動物体７との間には、コリメートレンズ３、第一ビームスプリッタ４、円形絞り５、および第二ビームスプリッタ６が配設されている。可動物体７によって反射された反射光の光路には、アフォーカル光学系１０およびアナモルフィックプリズム１３が配設されており、反射光はこれらの光学系を経て波面センサ１４に入射する。
【００２１】
また、動的面形状測定装置１は、パルス光の光軸に対する上記各種光学系の傾きを調整するために、オートコリメータ１５を備える。図１では、オートコリメータ１５が発光する平行光の光路を一点鎖線で示す。オートコリメータ１５の平行光は、第一ビームスプリッタ４に図中下方から入射される。オートコリメータ１５から発光されて第一ビームスプリッタ４で反射される平行光の光軸と、パルス光源２から発光されて第一ビームスプリッタ４を透過するパルス光の光軸とが一致するように、オートコリメータ１５の位置および向きが設定されている。従って、オートコリメータ１５が発光する平行光の光路は、第一ビームスプリッタ４以降はパルス光の光路と一致する。
【００２２】
また、動的面形状測定装置１は、可動物体７の動作を検出するための動作検出ユニットとして、略平行光源１６、平面ミラー１７、集光レンズ１８，１８、第一受光素子１９、および第二受光素子２０を備えている。略平行光源１６は、略平行の連続発振光を発光するものであればよい。図１では、略平行光源１６が発光した連続発振光の光路を点線で示す。
【００２３】
以下、動的面形状測定装置１の各構成の詳細について説明する。まず、パルス光源２について説明する。揺動中または回転中の可動物体７の被測定面の角度は、時間によって変化する。従って、可動物体７に光を照射するタイミングは所定のタイミングでなければならない。詳細には、可動物体７の被測定面が反射した反射光が、後述する波面センサ１４に垂直入射するタイミングで、可動物体７に光を照射する必要がある。そこで、動的面形状測定装置１には、面変形測定用の光源として、所定のパルス幅のパルス光を発光するパルス光源２を使用する。パルス光源２は、可動物体７の動作速度に対して十分短い時間幅のパルス光を発光することができる。
【００２４】
パルス光源２の発光は、信号発生器２２（図３参照）によって制御するが、この詳細は後述する。本実施の形態では、パルス光源２が発光するパルス光の光軸に対して可動物体７の被測定面が垂直となる場合に、反射光が波面センサ１４に垂直入射する。この場合の可動物体７の被測定面の位置を、以下では測定位置という。
【００２５】
次に、波面センサ１４について説明する。波面センサ１４は、可動物体７の動的面形状を測定するために用いられる波面収差を測定するセンサであり、本実施の形態ではシャックハルトマン方式の波面センサを用いている。本実施の形態における波面収差の測定原理について、概略的に説明する。波面センサ１４は、多数のマイクロレンズを配置したレンズアレイと、マイクロレンズによる光の結像位置を記録するカメラとを備える。まず、動的面形状の変形を演算するための基準となる参照光を、波面センサ１４に受光させる。マイクロレンズによる参照光の結像位置をカメラで記録し、コンピュータ（図示外）に出力する。コンピュータは、出力されたデータを参照ファイルとして記憶する。次いで、動作中の可動物体７によって反射されたパルス光の反射光を波面センサ１４に受光させて、同様に結像位置を記録し、コンピュータに出力する。そして、参照光の結像位置を基準とした反射光の結像位置のずれ量、ずれ方向から、動作前後の面形状変形に起因した波面収差をコンピュータで算出し、動的面形状の変形を演算する。
【００２６】
これにより、あらかじめ用意してある参照ファイルを基準として動的面形状の変形を演算することができる。従って、従来の形状測定装置とは異なり、干渉計を構成するための参照光を測定時に用いることなく、動的面形状を測定することができる。さらに、種々の参照光を用いて参照ファイルを作成することができるため、測定者は、目的に適した参照ファイルを用いて動的面形状を測定することができる。
【００２７】
次に、パルス光源２が発光するパルス光の光路に配設された各種光学系について説明する。まず、パルス光源２が発光したパルス光は、コリメートレンズ３によって平行光とされる。本実施の形態では、パルス光を確実に平行化するために、コリメートレンズ３を透過したパルス光を波面センサ１４に直接入射させて、波面を測定しながらコリメートレンズ３の位置および傾きを調整している。
【００２８】
平行化されたパルス光は、第一ビームスプリッタ４を透過し、円形絞り５によってビーム径を調整された後、第二ビームスプリッタ６を透過する。第二ビームスプリッタ６を透過したパルス光は、可動物体７に入射する。動的面形状の測定中であれば、可動物体７は、回転ステージ８上に配設された揺動装置９によって一定周期・一定範囲で揺動している。適切なタイミングで照射されたパルス光は、可動物体７の被測定面に垂直に入射するため、可動物体７によって反射された反射光は往路を逆行する。逆行した反射光は、第二ビームスプリッタ６によって図１中下方へ反射される。
【００２９】
次いで、反射光は、第一レンズ１１および第二レンズ１２によって構成されたアフォーカル光学系１０を透過する。アフォーカル光学系１０は、焦点距離が無限大の光学系である。反射光の光路にアフォーカル光学系１０を配設することで、被測定面からの反射光に対して収束・発散効果を与えることなく、波面センサ瞳へ被測定面を結像することができる。よって、被測定面から波面センサ瞳までの光路中での回折による波面変化を補償することができる。さらに、大きさが異なる様々な物体の動的面形状を測定することができる。
【００３０】
次いで、アフォーカル光学系１０を透過した反射光は、アナモルフィックプリズム１３を透過して、波面センサ１４に垂直に入射する。波面センサ１４の波面収差測定解析には、一般にゼルニケ多項式が用いられている。ゼルニケ多項式の解析領域は、真円領域で定義されている。矩形を解析領域に設定した場合、ゼルニケ多項式への展開は、矩形設定領域の外接円を正規化半径として定義される。一方、波面情報は矩形設定領域しか考慮されない。また、正規化円内のうち、矩形設定領域外の領域については、矩形領域内の波面情報からの推測によって解析が行われる。
【００３１】
従って、ゼルニケ多項式を用いた波面収差測定解析では、長辺と短辺の長さが大きく異なる矩形を解析領域に設定した場合には、推測領域が解析結果に支配的な影響を与え、実際の波面と大きく異なる結果が出力されてしまうことがある。解析領域として楕円を設定した場合も同様である。しかし、アナモルフィックプリズム１３は、入射した光を、光軸に対して直交する面内における特定の方向で任意に拡大若しくは縮小して出射することができる。従って、アナモルフィックプリズム１３用いることで、可動物体７の被測定面の縦横比が大きく異なる場合であっても、被測定面からの反射光の縦横比を１に近づけて波面センサ１４に入射させることができる。よって、縦横比が異なる被測定面についても、動的面形状を正確に測定することができる。
【００３２】
次に、オートコリメータ１５および第一ビームスプリッタ４について説明する。第一ビームスプリッタ４は、パルス光源２が発光するパルス光の光軸に合わせて、オートコリメータ１５が発光する平行光を伝播させるために設けられている。そして、オートコリメータ１５は、出射光に対する入射光（一般には、被測定面からの出射光の反射光）の傾きを測定することができる。従って、動的面形状の測定を行う前に、オートコリメータ１５の平行光を第一ビームスプリッタ４に入射させることで、第一ビームスプリッタ４以降の光路に設けられた各種光学系（第二ビームスプリッタ６、可動物体７の被測定面、アフォーカル光学系１０、アナモルフィックプリズム１３）の面の、パルス光の光軸に対する傾きを測定することができる。これにより、各種光学系の傾きを調整し、動的面形状の正確な測定を実現することができる。
【００３３】
次に、可動物体７の動作を検出するための動作検出ユニットの構成について説明する。先述したように、動作検出ユニットは、略平行光源１６、平面ミラー１７、集光レンズ１８，１８、第一受光素子１９、および第二受光素子２０を備えている。図１に示すように、略平行光源１６は、パルス光源２の図中下方から可動物体７へ、略平行の連続発振光を発光する。動的面形状の測定中、可動物体７は、図１の紙面手前側から奥側へ垂直に延びる軸を揺動軸として揺動している。よって、略平行光源１６が発光した連続発振光の反射角度は、可動物体７の揺動動作に伴い変動する。
【００３４】
図１は、可動物体７の被測定面が、パルス光源２が発光したパルス光の光軸に対して垂直となった瞬間、つまり、測定位置に達した瞬間を示す。この瞬間では、略平行光源１６が発光した連続発振光は、可動物体７の被測定面で反射し、さらに平面ミラー１７で反射し、２つの集光レンズ１８，１８の間を通過して、第一受光素子１９と第二受光素子２０との間へ至る。図１に示す状態から、可動物体７が時計回りに所定角度揺動すると、連続発振光は図中上側の集光レンズ１８によって集光されて、第一受光素子１９に入射する。一方、図１に示す状態から、可動物体が反時計回りに所定角度揺動すると、連続発振光は図中下側の集光レンズ１８によって集光されて、第二受光素子２０に入射する。
【００３５】
図２は、可動物体７の動作を検出するためのシステム構成を示す模式図である。第一受光素子１９および第二受光素子２０は、共に信号発生器２２およびオシロスコープ２３に接続されており、連続発振光の検出結果を信号発生器２２およびオシロスコープ２３に出力する。信号発生器２２は、入力に対して出力を時間遅延させることが可能な信号発生器であり、パルス光源２およびオシロスコープ２３に接続されている。パルス光源２は、信号発生器２２が出力する信号に応じてパルス光を発光する。オシロスコープ２３は、第一受光素子１９および第二受光素子２０による連続発振光の検出結果と、信号発生器２２が出力する信号とを表示する。
【００３６】
ここで、パルス光の反射光が波面センサ１４に垂直入射する全てのタイミング（被測定面が測定位置に達する全てのタイミング）でパルス光源２を発光させる場合には、図１に示す第一受光素子１９と第二受光素子２０との間に受光素子を配置すればよい。詳細には、被測定面が測定位置に達した瞬間に、被測定面に反射された略平行光源１６からの連続発振光を検出できる位置を、受光素子の設置位置とすればよい。そして、受光素子の受光とパルス光源２の発光とを同期させればよい。
【００３７】
しかしながら、本実施の形態のように、揺動している可動物体７の動的面形状を測定する場合、被測定面が測定位置に達する時点の可動物体７の動作は、時計回りの揺動中、および反時計回りの揺動中の２種類となる。時計回りの揺動中の面変形と、反時計回りの揺動中の面変形とは異なる。よって、被測定面が測定位置に達する全てのタイミングでパルス光を発光させると、時計回りおよび反時計回りのうち、いずれか一方の動作中の面変形のみを測定することはできない。
【００３８】
動的面形状測定装置１では、第一受光素子１９および第二受光素子２０の位置を、被測定面が測定位置に達した瞬間に連続発振光を検出できる位置からずらしている。従って、可動物体７を周期的に揺動させている場合、受光素子１９，２０の一方が連続発振光を検出してから被測定面が測定位置に達するまでの間、一定の遅延時間が生じる。
【００３９】
パルス光源２の発光制御方法の一例、および測定中の各機器の動作のタイミングについて説明する。測定者は、まず、第一受光素子１９および第二受光素子２０の位置と、可動物体７の揺動周期とに基づいて、おおよその遅延時間を算出し、信号発生器２２の入力・出力の遅延時間を設定する。次いで、パルス光源２の出力を連続パルス光とし、波面センサ１４で入射光波面を測定しながら遅延時間の設定を変化させて、波面センサ１４へパルス光が入射するように遅延時間の調整を行う。そして、波面センサ１４の測定出力である入射光の傾き値が０となるように、遅延時間を微小変化させて、パルス光を波面センサ１４に垂直入射させる。
【００４０】
図３は、動的面形状の測定中の各機器の動作タイミングの一例を示すタイミングチャートである。「信号発生器入力」は、信号発生器２２が第一受光素子１９から連続発振光の検出を入力したタイミングを示す。「信号発生器出力」は、信号発生器２２の信号の出力タイミングを示す。「パルス光源出力」は、パルス光源２の発光タイミングを示す。「波面センサ光入射」は、波面センサ１４にパルス光が入射するタイミングを示す。
【００４１】
図３に示す例では、まず、揺動している可動物体７が反時計回りの動作を開始する。次いで、反時計回りの動作中、且つ被測定面が測定位置に達する前に、第一受光素子１９が略平行光源１６の連続発振光を検出し、検出結果が信号発生器２２に入力される。その後、設定されている適切な遅延時間が経過すると、信号発生器２２が信号を出力し、同時にパルス光源２がパルス光を発光する。遅延時間が適切に設定されているため、パルス光は測定位置に達している被測定面に入射して反射し、波面センサ１４に入射する。
【００４２】
次いで、可動物体７は反時計回りの動作を終了し、時計回りの動作を開始する。時計回りの動作中、被測定面が測定位置を通過した後に、第一受光素子１９が再び連続発振光を検出し、検出結果が信号発生器２２に入力される。その後、信号発生器２２は、遅延時間が経過すると信号を出力する。しかし、可動物体７が時計回りの動作をしている場合、第一受光素子１９が連続発振光を検出してから所定の遅延時間が経過した時点では、被測定面は測定位置にない。よって、パルス光は波面センサ１４に入射しない。
【００４３】
このように、図３に示す例では、第一受光素子１９による連続発振光の検出から所定の遅延時間経過後にパルス光を発光させることで、可動物体７の反時計回り動作中の動的面形状を測定することができる。一方、可動物体の時計回りの動作中の動的面形状を測定する場合、第二受光素子２０による連続発振光の検出タイミングを基準にパルス光を発光させればよい。以上のように、本実施の形態に係る動的面形状測定装置１によると、交互に行われる２種類の動作（時計回りおよび反時計回りの動作）のうち、一方の動作中の可動物体７の動的面形状のみを意図的に捉えることができる。
【００４４】
次に、図４を参照して、略平行光源１６からの連続発振光の波面センサ１４への入射を防止するための構成について説明する。図４は、動的面形状測定装置１の概略構成を図１の矢印Ｉ方向から見た側面図である。パルス光源２（図１参照）が発光するパルス光の光路を含む平面をＦ、略平行光源１６が発光する連続発振光の光路を含む平面をＳとして図示している。平面Ｆ上には、パルス光源２（図１参照）、可動物体７、アフォーカル光学系１０、アナモルフィックプリズム１３、および波面センサ１４等が配置されている。平面Ｓには、略平行光源１６、可動物体７、および平面ミラー１７等が配置されている。このように、動的面形状測定装置１では、平面Ｆと平面Ｓとがチルトするように各構成を配置している。従って、可動物体７の動作を検出するための略平行光源１６からの連続発振光が、誤って波面センサ１４に入射することがない。これにより、波面センサ１４への意図しない光の入射によって測定に不具合が生じることを防止することができる。
【００４５】
次に、図５を参照して、測定振り角位置の設定について説明する。本実施の形態の動的面形状測定装置１は、一定周期・一定範囲で揺動する可動物体７の動的面形状を測定する。揺動範囲の中間位置に対する可動物体７の角度を振り角という。揺動する可動物体７の速度は、揺動範囲の中間位置近傍で最大となり、揺動範囲の端部で０となる。よって、揺動する可動物体７の被測定面の面変形の程度は、振り角に応じて異なる。動的面形状測定装置１では、回転ステージ８を回転させることで、所望の振り角における被測定面の動的面形状を測定することができる。
【００４６】
図５に示すように、可動物体７を一定周期・一定範囲で揺動させる揺動装置９は、回転ステージ８上に配設されている。回転ステージ８を所望の角度回転させて固定することで、可動物体７の揺動範囲の中間位置を設定することができる。図５に示す例では、可動物体７の速度の最大時に測定を行う場合の各構成の姿勢を点線で示す。この場合、可動物体７の揺動範囲は図中Ｒ１となる。揺動範囲Ｒ１の中間位置は、揺動中心軸を通ってパルス光の光軸に垂直な平面Ｔに一致する。この状態から、回転ステージ８を時計回りに角度θだけ回転した状態の各構成の姿勢を実線で示す。この場合、可動物体７の揺動範囲は図中Ｒ２となり、揺動範囲Ｒ２の中間位置Ｐは、平面Ｔに対して角度θだけずれる。この状態で測定を行うと、振り角が反時計回りにθとなった時点で被測定面が測定位置に達するため、振り角θにおける被測定面の動的面形状を測定することができる。
【００４７】
以上説明した動的面形状測定装置１に用いることができる各構成の具体例について、以下の表１に示す。
【００４８】
【表１】
2010286434.tif 000003
【００４９】
次に、図６〜図８を参照して、動的面形状測定装置１を用いた被測定面の動的面形状の測定手順について説明する。先述したように、動的面形状測定装置１によると、種々の参照光を用いて参照ファイルを作成することができるため、測定者は、目的に適した参照ファイルを用いて動的面形状を測定することができる。以下では、相対測定、第一絶対測定、および第二絶対測定の３つの測定手順について説明する。
【００５０】
まず、図６を参照して、相対測定の測定手順について説明する。相対測定で用いる参照ファイルは、静止状態の被測定面からの反射光から作成される。従って、相対測定によると、揺動動作によって生じた被測定面の面変形のみを測定することができる。相対測定では、まず、パルス光源２から発光されたパルス光が被測定面に垂直入射するように、被測定面の位置を測定位置に調整して静止させる（Ｓ１）。次いで、静止状態の被測定面の波面を波面センサ１４によって取得し、コンピュータ（図示外）で参照ファイルとして設定する（Ｓ２）。
【００５１】
次いで、測定したい状態の振り角の分だけ回転ステージ８を回転させて固定する（Ｓ３）。揺動装置９を作動させて、略平行光源１６の連続発振光を用いた可動物体７の動作の検出を開始する（Ｓ４）。先述した方法で、パルス光源２の出力を連続パルス光とし、波面センサ１４で入射光波面を測定しながら信号発生器２２の遅延時間の設定を調整し、波面センサ１４にパルス光を垂直入射させる（Ｓ５）。次いで、動作中の被測定面の波面を波面センサ１４によって取得し、コンピュータで、Ｓ２において設定された参照ファイルを用いて波面収差を算出する（Ｓ６）。算出した波面収差から、被測定面の動的面形状変形を演算し（Ｓ７）、１回の測定が終了する。他の振り角でも測定を実行する場合には（Ｓ８：ＹＥＳ）、Ｓ３の手順へ戻り、振り角を再設定してから同様の手順を行う。他の振り角での測定を実行しない場合には（Ｓ８：ＮＯ）、測定を終了する。
【００５２】
次に、図７を参照して、第一絶対計測の手順について説明する。以下の説明では、図６に示す相対計測と同じ処理については同一のステップ番号を付し、説明を省略する。第一絶対計測で用いる参照ファイルは、測定位置で静止させた参照平面からの反射光によって作成される。従って、第一絶対計測によって計測される被測定面の動的面形状は、静止状態の被測定面の歪みと、動的な面変形とを含み、且つ、第二ビームスプリッタ６、アフォーカル光学系１０等の光学系の歪みを含まない。参照平面としては、例えば、シグマ光機株式会社製のアルミ平面ミラー（型番：ＴＦＡ−３０Ｃ０８−２０）を使用できる。第一絶対計測では、まず、パルス光源２から発光されたパルス光が参照平面に垂直入射するように、参照平面の位置を測定位置に調整して静止させる（Ｓ１１）。静止状態の参照平面の波面を波面センサ１４によって取得し、参照ファイルとして設定する（Ｓ１２）。次いで、参照平面を取り外し、測定対象物を設置して位置を調整する（Ｓ１３）。その後、Ｓ３〜Ｓ８の手順に移行し、参照平面からの反射光によって作成された参照ファイルを用いて動的面形状変形を演算する。
【００５３】
次に、図８を参照して、第二絶対計測の手順について説明する。第二絶対計測で用いる参照ファイルは、参照平行光源を波面センサ１４に直接入射させた場合の参照ファイルである。従って、第二絶対計測によって計測される被測定面の動的面形状は、静止状態の被測定面の歪み、動的な面変形、第二ビームスプリッタ６等の光学系の歪みの全てを含む。本実施の形態では、参照平行光源によって取得された参照ファイルがあらかじめコンピュータに記憶されている。第二絶対計測では、まず、あらかじめ参照平行光源から取得されていた波面を参照ファイルとして設定する（Ｓ２１）。その後、測定対象物の動的面形状の測定手順を実行する（Ｓ３〜Ｓ８）。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態の動的面形状測定装置１は、波面収差を測定する波面センサ１４を備える。一定周期で動作している可動物体７の動作を略平行光源１６および受光素子１９，２０によって検出する。そして、可動物体７が所定の動作を行っているタイミング、すなわち、被測定面からの反射光が波面センサ１４に入射するタイミングで、パルス光源２からパルス光を発光させる。これにより、被測定面で反射されたパルス光を波面センサ１４に入射させて、反射光の波面収差を測定する。従って、干渉計を構成するための参照光を測定時に用いることなく、所定の動作を行っている瞬間の可動物体７の動的面形状を測定することができる。よって、測定系において、可動物体７からの反射光の光路と参照光の光路との光路差を、パルス光のコヒーレンス長内に調整する工程が必要ない。干渉計において測定基準となる参照光を得る必要がないため、形状精度が高い参照ミラー等を用いる必要もない。
【００５５】
動的面形状測定装置１は、可動物体７から波面センサ１４へ至る光路にアフォーカル光学系１０を備えている。アフォーカル光学系１０によって、可動物体７の被測定面を波面センサ瞳へ結像することができる。よって、被測定面から波面センサ瞳までの光路中での回折による波面変化を補償することができる。さらに、大きさが異なる様々な可動物体の動的面形状を測定することができる。
【００５６】
動的面形状測定装置１は、可動物体７から波面センサ１４へ至る光路にアナモルフィックプリズム１３を備えている。これにより、可動物体７の被測定面の縦横比が大きく異なる場合であっても、光軸に直交する特定の方向で反射光を拡大若しくは縮小し、縦横比を調整して波面センサ１４に入射させることができる。よって、縦横比が大きく異なる被測定面についても、動的面形状を測定することができる。
【００５７】
動的面形状測定装置１によると、回転ステージ８を回転させることで、可動物体７の揺動範囲の中間位置を変更することができる。つまり、動的面形状を測定することができる位置と、揺動範囲の中間位置とがなす角度を調整することができる。従って、任意の振り角における可動物体７の動的面形状を測定することができる。また、本実施の形態では、時計回りの動作、および反時計回りの動作のうち、いずれか一方の動作中の可動物体７の動的面形状を的確に捉えることができる。
【００５８】
上記実施の形態において、略平行光源１６、第一受光素子１９、および第二受光素子２０が本発明の「動作検出手段」に相当する。信号発生器２２が本発明の「発光制御手段」に相当する。揺動装置９が「揺動手段」に相当し、回転ステージ８が「回転手段」に相当する。図６〜８のＳ４で可動物体７の動作を検出する工程が、本発明の「動作検出ステップ」に相当する。Ｓ５でパルス光の発光を制御する工程が「発光制御ステップ」に相当する。Ｓ６で被測定面からの反射光の波面収差を測定する工程が「波面収差測定ステップ」に相当する。Ｓ７で被測定面の動的面形状を演算する工程が「動的面形状演算ステップ」に相当する。
【００５９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。上記実施の形態では、揺動中の可動物体７（ＭＥＭＳミラー）の面変形を測定する構成を例に挙げて説明を行った。しかし、本発明に係る動的面形状測定装置は、回転中の可動物体の面変形も測定できる。例えば、回転ステージ８および揺動装置９の代わりに、可動物体を一定周期で回転させる回転装置を設置し、ポリゴンミラー等の可動物体を回転させて測定を行えば、回転中の可動物体の面変形を測定することができる。
【００６０】
上記実施の形態では、波面センサ１４として、シャックハルトマン方式の波面センサを用いた。しかし、他の方式の波面センサを用いることも可能である。例えば、複数方向の波面微分を取得して波面を算出する、Ｍｕｌｔｉｌａｔｅｒａｌ  ｓｈｅａｒｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ方式の波面センサ（具体的には、ファジックス社製のＳＩＤ４）等の波面センサも使用できる。
【００６１】
同様に、その他の構成も変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、略平行光源１６としてレーザーオートコリメータを用いているが、略平行光源１６は略平行な連続発振光を発光することができればよいため、連続発振光の光源およびコリメートレンズで代用してもよい。また、本発明に係る動的面形状の測定は干渉現象を利用した測定ではないため、可干渉性の低いＬＥＤであっても、可動物体の動作速度に対して十分短い時間幅のパルス発振ができれば、パルス光源２として使用することができる。
【００６２】
可動物体７の動作とパルス光源２の発光とを同期させるまでの工程も変更できる。例えば、波面センサ１４への入射光の傾き値が０となるように、信号発生器２２における入力から出力までの遅延時間をコンピュータで自動設定してもよい。これにより、測定者の手間を軽減することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１    動的面形状測定装置
２    パルス光源
６    第二ビームスプリッタ
７    可動物体
８    回転ステージ
９    揺動装置
１０    アフォーカル光学系
１３    アナモルフィックプリズム
１４    波面センサ
１６    略平行光源
１９    第一受光素子
２０    第二受光素子
２２    信号発生器
【図１】
2010286434.tif 000004
【図２】
2010286434.tif 000005
【図３】
2010286434.tif 000006
【図４】
2010286434.tif 000007
【図５】
2010286434.tif 000008
【図６】
2010286434.tif 000009
【図７】
2010286434.tif 000010
【図８】
2010286434.tif 000011