JP5491435B2

JP5491435B2 - 計測装置

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Publication number: JP5491435B2
Application number: JP2011040837A
Authority: JP
Inventors: 諭史久保; いたる藤田
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Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2014-05-14
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Also published as: JP2012177620A

Description

本発明は、被検物の被検面の形状を計測する計測装置に関する。

レンズやミラーなどの光学素子や金型などの被検物の形状（表面形状）を計測する際に３次元計測装置（以下、「計測装置」とする）が従来から使用されている。計測装置は、一般に、計測ヘッド（プローブ）と被検物との距離を一定に維持しながら計測ヘッドを駆動（走査）し、計測ヘッドと基準面との位置関係から被検物の形状を計測する（特許文献１及び２参照）。

図７は、従来の計測装置（特許文献１に開示された計測装置）の構成を示す概略図である。かかる計測装置は、互いに直交する３軸（即ち、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）方向に駆動可能なステージ６０１にＺアーム６２３を介して取り付けられた計測ヘッド６０２によって、定盤６３０の上に保持された被検物６０３を計測する。定盤６３０には、基準ミラー６０４、６０５及び６０６が互いに直交するように配置されている。また、ステージ６０１には、レーザ干渉計６１０、６１１及び６１２と、レーザ干渉計からのレーザ光を基準ミラーに反射させる反射ミラー６１３及び６１４が配置されている。

図７に示す計測装置では、レーザ干渉計６１１が基準ミラー６０６までの距離を測定することで計測ヘッド６０２のＺ軸方向の位置を決定する。また、レーザ干渉計６１０が反射ミラー６１３を経由して基準ミラー６０４までの距離を測定し、レーザ干渉計６１２が反射ミラー６１４を経由して基準ミラー６０５までの距離を測定することで計測ヘッド６０２のＸＹ平面における位置を決定する。この際、各レーザ干渉計の測定軸（レーザ光軸）６２０、６２１及び６２２の交点を計測基準点に一致させることで、計測ヘッド６０２の姿勢が変化してもアッベ誤差が生じないようにしている。また、３つの測定軸６２０、６２１及び６２２を互いに直交させ、測定軸６２２と、計測ヘッド６０２の計測軸と、ステージ６０１のＺ軸とを重ねている。

また、特許文献２に開示された技術では、計測ヘッドに追従して駆動される５つのレーザ干渉計を計測ヘッドの周辺に配置して計測ヘッドの姿勢変化を測定している。これにより、計測基準点を含むＸＹ平面内に反射ミラーを配置することなく、アッベ誤差を補正しながら被検物の形状を計測することができる。

特許第３６７８８８７号公報特開平１０−０１９５０４号公報

従来の計測装置では、計測基準点を計測する３つのレーザ干渉計のうち２つのレーザ干渉計の測定軸６２０及び６２１が計測ヘッド６０２の計測軸及びステージ６０１のＺ軸に直交している。そのため、レーザ干渉計からの光を、基準ミラー６０４に向けて反射する反射ミラー６１３と基準ミラー６０５に向けて反射する反射ミラー６１４とが計測基準点を含むＸＹ平面内に配置されることになる。

例えば、被検物６０３の形状を計測する際に計測ヘッド６０２の横方向へのストロークが必要となる場合（例えば、被検物６０３が大口径レンズなどである場合）を考える。この場合、被検物６０３と反射ミラー６１３及び６１４との干渉を防止するために、計測ヘッド６０２（の計測位置）と反射ミラー６１３及び６１４のそれぞれとの間の距離を被検物６０３のＸ軸方向及びＹ軸方向の幅よりも長くしなければならない。具体的には、Ｚアーム６２３をＸ軸方向及びＹ軸方向に長くすることが必要となる。

しかしながら、上述したように、計測ヘッドとレーザ干渉計の間に存在する部材（例えば、Ｚアーム）を長く（大型化）すると、環境温度の変化によって部材が変形（膨張又は収縮）し、計測ヘッドとレーザ干渉計との相対位置が変化しやすくなってしまう。また、計測ヘッドに対するレーザ干渉計の固有振動数が低くなるため、計測ヘッドの駆動時の慣性力、ステージガイドからの振動、床からの振動などによって、計測ヘッドとレーザ干渉計との間の姿勢差が生じやすくなってしまう。従って、従来の計測装置では、計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合に、被検物の形状を高精度に計測することができないという問題がある。

また、特許文献２に開示された技術では、高価なレーザ干渉計が５つも必要となり、計測装置の高コスト化を招いてしまう。

そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、装置の高コスト化を抑えながら、被検面の形状を高精度に計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検物の被検面の形状を計測する計測装置であって、前記被検物を保持する保持面を含む保持部と、前記被検面の形状を計測するための基準となる基準位置を含み、前記被検面と前記基準位置との間の距離を計測する距離計測部と、前記基準位置が前記被検面に沿うように前記距離計測部を駆動する駆動部と、前記駆動部によって駆動される前記距離計測部の前記基準位置を測定する位置測定部と、前記距離計測部によって計測された前記被検面と前記基準位置との間の距離と前記位置測定部によって測定された前記基準位置とに基づいて前記被検面の形状を算出する処理部と、を有し、前記位置測定部は、前記距離計測部に配置されて互いに異なる測定軸を有する第１のレーザ干渉計、第２のレーザ干渉計及び第３のレーザ干渉計と、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計のそれぞれからの光をそれぞれ反射する第１の反射ミラー、第２の反射ミラー及び第３の反射ミラーと、前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーで反射されて前記測定軸に沿って入射するそれぞれの光を反射して、前記測定軸に沿って前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーに導く第１の基準ミラー、第２の基準ミラー及び第３の基準ミラーとを含み、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーで反射されたそれぞれの光は、前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーを介して、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計に戻り、前記第１のレーザ干渉計の原点と前記第１の基準ミラーとの間の距離、前記第２のレーザ干渉計の原点と前記第２の基準ミラーとの間の距離及び前記第３のレーザ干渉計の原点と前記第３の基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準位置を測定し、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーの法線が前記保持面を含む面に交差するように配置されており、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計の測定軸の延長線が前記基準位置で交差することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、装置の高コスト化を抑えながら、被検面の形状を高精度に計測する技術を提供することができる。

本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略斜視図である。図１に示す計測装置の構成を示す概略側面図である。図１に示す計測装置の計測ヘッドの近傍を示す図である。図１に示す計測装置の計測ヘッドの構成の一例を示す概略図である。図１に示す計測装置の各レーザ干渉計の測定原理を説明するための図である。図１に示す計測装置の計測ヘッドの構成の一例を示す概略図である。従来の計測装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての計測装置１の構成を示す概略斜視図である。図２は、計測装置１の構成を示す概略側面図である。図３（ａ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＺ平面図である。図３（ｂ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＹ平面図である。図３（ｃ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＺ平面図である。

計測装置１は、光学素子や金型などの被検物の被検面の形状（表面形状）を計測する３次元計測装置である。基台１００の上には、Ｘ軸方向に沿ってＸ軸ステージガイド１１０が固定されている。Ｘ軸ステージガイド１１０には、Ｘ軸ステージ１１１がＸ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｘ軸ステージ１１１は、Ｘ軸ステージ駆動用モータ１１２及びボールネジ１１３によって駆動される。

Ｘ軸ステージ１１１の上には、Ｙ軸方向に沿ってＹ軸ステージガイド１２０が固定されている。Ｙ軸ステージガイド１２０には、Ｙ軸ステージ１２１がＹ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｙ軸ステージ１２１は、Ｙ軸ステージ駆動用モータ１２２及びボールネジ１２３によって駆動される。

Ｙ軸ステージ１２１の上には、Ｚ軸方向に沿ってＺ軸ステージガイド１３０が固定されている。Ｚ軸ステージガイド１３０には、Ｚ軸ステージ１３１がＺ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｚ軸ステージ１３１は、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２及びボールネジ１３３によって駆動される。

Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２には、かかるモータの回転角を検出するエンコーダ１３４が設けられている。また、Ｚ軸ステージ１３１には、Ｚアーム１４０を介して計測ヘッド１４１が取り付けられている。計測ヘッド１４１は、後述するように、被検物１０３の被検面１０３ａの形状を計測するための基準となる基準点（基準位置）１４２を含み、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を計測する距離計測部として機能する。

Ｘ軸ステージ１１１、Ｙ軸ステージ１２１及びＺ軸ステージ１３１は、各ステージガイド、各駆動用モータ、各ボールネジなどと協同して、計測ヘッド１４１をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に３次元的に駆動することができる。また、Ｘ軸ステージ１１１、Ｙ軸ステージ１２１及びＺ軸ステージ１３１は、本実施形態では、被検面１０３ａを計測する際に、基準点１４２が被検面１０３ａに沿うように計測ヘッド１４１を駆動する駆動部として機能する。

ベース定盤１５０の上には、被検物１０３を保持する保持面１０２を含む保持部１０１が配置される。保持部１０１は、例えば、保持面１０２において被検物１０３を静電吸着する静電チャックで構成される。保持部１０１は、被検物１０３の被検面１０３ａを計測ヘッド１４１に対向させて被検物１０３を保持する。

ベース定盤１５０の上に固定されたフレーム１５１には、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２が配置されている。第１の基準ミラー１８０は、第１の反射ミラー１７０を介して第１のレーザ干渉計１６０から照射される光を反射する。第２の基準ミラー１８１は、第２の反射ミラー１７１を介して第２のレーザ干渉計１６１から照射される光を反射する。第３の基準ミラー１８２は、第３の反射ミラー１７２を介して第３のレーザ干渉計１６２から照射される光を反射する。第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２は、Ｚアーム１４０を介して計測ヘッド１４１に配置され、互いに異なる測定軸を有する。また、各レーザ干渉計は、第１のレーザ干渉計１６０の測定軸１９０、第２のレーザ干渉計１６１の測定軸１９１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定軸１９２が計測ヘッド１４１の基準点１４２で交差するように配置される。

第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２と、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２とは、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置を測定する位置測定部として機能する。具体的には、各レーザ干渉計の原点と各基準ミラーとの間の距離を測定することで、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置が測定（決定）される。なお、かかる距離は、第１のレーザ干渉計１６０の原点と第１の基準ミラー１８０との間の距離、第２のレーザ干渉計１６１の原点と第２の基準ミラー１８１との間の距離及び第３のレーザ干渉計１６２の原点と第３の基準ミラー１８２との間の距離を含む。

本実施形態では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、それらの全ての法線が保持面１０２を含む面に交差し、且つ、互いに直交するように配置されている。また、各基準ミラーは、各レーザ干渉計からの光が照射される範囲内に反射面が位置するように配置される。例えば、各基準ミラーは、正方形形状の反射面を有し、反射面の対角線のうち１つの対角線がＺ軸方向に沿うように配置される。

ここで、本実施形態における第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の配置について具体的に説明する。Ｘ軸ステージ１１１の駆動方向、Ｙ軸ステージ１２１の駆動方向及びＺ軸ステージ１３１の駆動方向にＸＹＺ座標を定義する。この場合、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２のそれぞれの法線ベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が以下で表されるように配置される。このように、Ｚアーム１４０（計測ヘッド１４１）の駆動範囲に第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２を配置しないことで、計測装置１の大型化を防止することができる。

なお、ベース定盤１５０、フレーム１５１、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、熱膨張係数の低い材料（例えば、熱膨張係数５ｐｐｍ／Ｋのグラナイト材料など）で構成するとよい。これにより、環境温度の変化に起因する計測誤差を低減させることができる。

変位センサ２００は、計測ヘッド１４１の変位を検出する。変位センサ２００によって検出された計測ヘッド１４１の変位は、ならい制御部２０１に変位信号として入力される。ならい制御部２０１は、変位センサ２００からの変位信号が一定となるようにＺ軸ステージ１３１の位置を制御するための制御信号を生成し、かかる制御信号をモータ用アンプ２０２に入力する。モータ用アンプ２０２は、ならい制御部２０１からの制御信号に基づいて、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２を駆動する。

また、エンコーダ１３４によって検出されたＺ軸ステージ駆動用モータ１３２の回転角は、Ｚ軸ステージ１３１のＺ軸方向の位置を制御する位置制御部２０３に回転角信号として入力される。位置制御部２０３は、エンコーダ１３４からの回転角信号（即ち、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２の回転角）に基づいて、Ｚ軸ステージ１３１の位置を制御するための制御信号を生成し、かかる制御信号をモータ用アンプ２０２に入力する。モータ用アンプ２０２は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２を駆動する。

モータ用アンプ２０２に入力される制御信号（即ち、ならい制御部２０１又は位置制御部２０３からの制御信号）は、スイッチ２０４によって切り替えられる。かかるスイッチ２０４のスイッチ動作は、処理部２０９によって制御される。処理部２０９は、ＣＰＵやメモリなどを含み、計測装置１の各部（全体の動作）を制御する。また、処理部２０９は、本実施形態では、計測ヘッド１４１によって計測された被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離と上述した位置測定部によって測定された基準点１４２の位置とに基づいて被検面１０３ａの形状を算出する。

図４を参照して、計測ヘッド１４１の構成について説明する。図４に示す計測ヘッド１４１は、被検面１０３ａと基準点１４２とが非接触の状態で被検面１０３ａと１４２との間の距離を計測する非接触式の計測ヘッド（光プローブ）である。照明光学系は、ビームエキスパンダ４０１、ビームスプリッタ４０２及び対物レンズ４１０によって構成されている。受光光学系は、対物レンズ４１０、ビームスプリッタ４０２、結像レンズ４０５及びアパーチャ４０７によって構成されている。

ビームエキスパンダ４０１からの光は、ビームスプリッタ４０２によって透過光と反射光とに分割される。透過光は、参照面４０４側に進み、反射光は、被検面１０３ａ側に進む。参照面４０４側に進んだ透過光は、参照面４０４で反射されて参照光となる。参照光は、ビームスプリッタ４０２で反射され、結像レンズ４０５側に進む。

一方、被検面１０３ａ側に進んだ反射光は、対物レンズ４１０に入射する。対物レンズ４１０に入射した光は、対物レンズ４１０の集光点４１１を曲率中心とする球面波に変換され、被検面１０３ａで反射される。なお、本実施形態では、対物レンズ４１０の集光点４１１を計測ヘッド１４１の基準点１４２と定義している。被検面１０３ａで反射された光のうち被検面１０３ａの法線方向に反射された光は、被検光として、対物レンズ４１０及びビームスプリッタ４０２を透過して結像レンズ４０５側に進む。

参照光と被検光は干渉パターンを形成し、結像レンズ４０５を介して光検出部４０８に入射する。なお、対物レンズ４１０の集光点４１１と共役な位置に配置されたアパーチャ４０７（の開口部）によって、被検面１０３ａで反射された光のうち被検面１０３ａの法線方向に反射された光のみが光検出部４０８に入射し、その他の光は遮光される。

光検出部４０８は、アバランシェフォトダイオードやピンフォトダイオードなどのフォトダイオードで構成され、参照光と被検光との干渉パターンを光電変換して干渉信号として検出する。光検出部４０８で検出された干渉信号は、ケーブル（不図示）を介して、演算部４２０に入力される。演算部４２０は、光検出部４０８からの干渉信号を解析して参照光と被検光との間の光路長差を算出し、被検面１０３ａと集光点４１１（基準点１４２）との間の距離を求める。

図５を参照して、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定原理について説明する。なお、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定原理は全て同じであるため、ここでは、第１のレーザ干渉計１６０を例に説明する。

発振周波数が安定化され、垂直偏光成分と水平偏光成分とで周波数の異なるレーザ光５０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５１によって、垂直偏光成分と水平偏光成分とに分離される。ＰＢＳ５１で分離された一方の成分の光は、ＰＢＳ５１を透過してコーナーキューブ５２ａで反射され、ＰＢＳ５１を再び透過して光ファイバ５３に入射する。

ＰＢＳ５１で分離された他方の成分の光は、ＰＢＳ５１で反射され、λ／４板５５によって直線偏光が円偏光に変換され、光ビーム５４ａを形成する。光ビーム５４ａは、第１の基準ミラー１８０で反射され、λ／４板５５によって円偏光が直線偏光に変換される。かかる光は、λ／４板５５を２回通過することによって直線偏光の偏光方向が９０°回転しているため、ＰＢＳ５１を透過してコーナーキューブ５２ｂで反射される。

コーナーキューブ５２ｂで反射された光は、ＰＰＢ５１を再び透過し、λ／４板５５によって直線偏光が円偏光に変換され、光ビーム５４ｂを形成する。光ビーム５４ｂは、第１の基準ミラー１８０で反射され、λ／４板５５によって円偏光が直線偏光に変換される。かかる光は、λ／４板５５を２回通過することによって直線偏光の偏光方向が９０°回転しているため、ＰＢＳ５１で反射されて光ファイバ５３に入射する。

光ファイバ５３では、第１の基準ミラー１８０で反射された光とコーナーキューブ５２ａで反射された光とが合成されて干渉パターンが形成される。かかる干渉パターンをフォトダイオードなどで構成された光検出部で干渉信号として検出し、かかる干渉信号を解析して両者の光路長差を算出することで、第１のレーザ干渉計１６０の原点と第１の基準ミラー１８０との間の距離が得られる。

処理部２０９による被検面１０３ａの形状の算出について説明する。計測ヘッド１４１からの光の集光点（即ち、対物レンズ４１０の集光点４１１）の位置座標（Ｘ_ｏ，Ｙ_ｏ，Ｚ_ｏ）は、以下の式１で表される。

上述したように、式１の右辺は、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置座標と等しい。（ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３）は、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値である。

処理部２０９は、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置座標（Ｘ_ｏ，Ｙ_ｏ，Ｚ_ｏ）から、被検面１０３ａと基準点１４２の位置との間の距離だけ離れ、且つ、設計上の被検面１０３ａの法線方向に被検面１０３ａの表面があるもとして形状を算出する。

以下、計測装置１の動作について説明する。なお、被検物１０３は、保持部１０１（保持面１０２）に保持されているものとする。

まず、Ｚ軸ステージ１３１を駆動して（即ち、計測ヘッド１４１を駆動して）、計測ヘッド１４１のＺ軸方向の位置を被検面１０３ａから所定の距離だけ離れた位置に制御する。次に、Ｘ軸ステージ１１１及びＹ軸ステージ１２１を駆動して、被検面１０３ａの計測ポイントの上に計測ヘッド１４１を駆動する（Ｓ２）。そして、変位センサ２００からの変位信号を観察し、計測ヘッド１４１と被検面１０３ａとの間の距離が所定の距離になるまで計測ヘッド１４１を駆動する（Ｓ３）。なお、これまでの駆動は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて行われる。

次いで、変位センサ２００からの変位信号が一定となるように、各ステージを駆動して計測ヘッド１４１の位置を制御する（Ｓ４）。かかる駆動は、ならい制御部２０１からの制御信号に基づいて行われる。

次に、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値を式１に代入して、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置（座標）を求める（Ｓ５）。そして、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置と、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を処理部２０９のメモリに保存する。

次いで、被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行したかどうか（即ち、計測ヘッド１４１によって被検面１０３ａの全ての領域を走査したかどうか）を判定する（Ｓ６）。被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行していない場合には、Ｓ４に戻る。また、被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行した場合には、各ステージを駆動して、計測ヘッド１４１を被検面１０３ａの上から退避させる（Ｓ７）。なお、かかる駆動は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて行われる。

そして、処理部２０９のメモリに保存された計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置、及び、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離に基づいて、被検面１０３ａの形状を算出する（Ｓ８）。

計測装置１においては、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に交差するように、各基準ミラーが配置されている。換言すれば、計測装置１では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２を計測ヘッド１４１の基準点１４２を含むＸＹ平面内に配置する必要がない。従って、計測装置１では、被検面の形状を計測する際に計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合にも、計測ヘッドとレーザ干渉計やミラーとの間の距離を被検物１０３の幅よりも短くすることができる（Ｚアームを大型化する必要がない）。

その結果、環境温度の変化に起因する部材の変形（膨張又は収縮）が低減され、計測ヘッドとレーザ干渉計との相対位置を維持することが可能となる。また、計測ヘッドに対するレーザ干渉計の固有振動数を高くすることができるため、計測ヘッドの駆動時の慣性力、ステージガイドからの振動、床からの振動などに起因する計測ヘッドとレーザ干渉計との間の姿勢差が生じにくくなる。従って、計測装置１は、計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合であっても、被検物の形状を高精度に計測することができる。

なお、上述したように、本実施形態では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、それらの全ての法線が保持面１０２を含む面に交差し、且つ、互いに直交するように配置されている。但し、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の配置は、これに限定されるものではない。例えば、直径１００ｍｍのガラス平面基板上に、高さ（Ｚ軸方向）１ｍｍ程度の複数の凸レンズを配列させた光学素子が被検物１０３である場合を考える。この場合、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の有効面積（反射面の合計の面積）は、例えば、第１の配置パターン及び第２の配置パターンに応じて、以下のようになる。
（第１の配置パターン）第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に対して４５°となるように配置する場合：６．７×１０^４ｍｍ^２
（第２の配置パターン）第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に対して３０°となるように配置する場合：４．８×１０^４ｍｍ^２
第１の配置パターンに比べて、第２の配置パターンは、基準ミラーの有効面積を約３０％低減することができる。高い精度が要求される基準ミラーは高価であるため、有効面積を低減することによって計測装置１のコストを抑えることができる。このように、被検物１０３（被検面１０３ａ）の計測範囲を限定することができる場合には、保持面１０２を含む面に対する基準ミラーの法線の角度を適切に設定するとよい。

また、計測ヘッド１４１は、非接触式の計測ヘッドに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、被検面１０３ａと基準点１４２を含む接触部材（基準部材）３１１とが接触した状態で被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を計測する接触式の計測ヘッド１４１Ａであってもよい。計測ヘッド１４１Ａは、被検面１０３ａの反射率が低く、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を非接触式の計測ヘッドで計測できない場合や被検面１０３ａに形成された穴の底を計測する場合などに有効である。

計測ヘッド１４１Ａにおいて、基準点１４２は、球体形状を有する接触部材３１１を予め定められた接触圧力で被検面１０３ａに押し付けた状態での接触部材３１１の中心位置で定義される。

図６（ａ）は、接触部材３１１を予め定められた接触圧力で被検面１０３ａに押し付けた状態を示している。また、図６（ｂ）は、計測ヘッド１４１Ａを駆動した際に、シャフト３１２が被検面１０３ａから受ける力によって、筐体３００に対してＺ軸方向に変位した状態を示している。シャフト３１２は、筐体３００に対して、平行板バネ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ及び３１０ｄを介してＺ軸方向のみに変位可能に支持される。シャフト３１２の下端には、球体形状が高い精度で保証された接触部材３１１が取り付けられており、シャフト３１２の上端には、ミラー３２０が取り付けられている。変位センサ３２１は、例えば、レーザ干渉計を含み、ミラー３２０の位置を検出する。換言すれば、変位センサ３２１は、接触部材３１１の相対位置変化、即ち、基準点１４２の位置変化量３２２を検出する。

処理部２０９による被検面１０３ａの形状の算出について説明する。接触部材３１１の中心（即ち、基準点１４２）の位置座標（Ｘ_ｐ，Ｙ_ｐ，Ｚ_ｐ）は、以下の式２で表される。但し、レーザ干渉計は、相対値を出力するため、厳密には、計測開始位置や装置の原点などを基準とした相対座標である。

式２の右辺の第１項は、上述した計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２である。（ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３）は、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値である。式２の右辺の第２項のＡは、変位センサ３２１の光軸方向をＺ軸方向とするローカル座標軸を、計測装置１の座標軸に変換する回転行列であって、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化に相当する。式２の右辺の第２項の（０，０，Ｚ_ｓ）は、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２からの接触部材３１１の相対位置変化であって、基準点１４２の位置変化量３２２に相当する。本実施形態では、Ｚ軸方向のみを計測しているため、基準点１４２の位置変化量３２２は、Ｚ軸方向の成分のみに値を有する。

ここでは、式２の右辺の第２項のＡを計測せず、単位ベクトルとみなしている。従って、Ａが単位ベクトル以外の値を有すると、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化による誤差、即ち、アッベ誤差が発生する。但し、実際には、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化は１０秒程度、Ｚ_ｓは３μｍ程度であるため、アッベ誤差が発生したとしてもその量は０．１５ｎｍ程度であり、無視することができる。

処理部２０９は、接触部材３１１の中心の位置座標（Ｘ_ｐ，Ｙ_ｐ，Ｚ_ｐ）から、接触方向に設計上の接触部材の半径だけ離れた位置に被検面１０３ａの表面があるものとして形状を算出する。

計測ヘッド１４１Ａを用いた場合における計測装置１の動作について説明する。計測装置１の動作は、上述した計測装置１の動作と比較して、Ｓ３、Ｓ４及びＳ５の動作が異なる。
具体的には、Ｓ３では、Ｚ軸ステージ１３１を駆動して（即ち、計測ヘッド１４１Ａを駆動して）、被検面１０３ａに接触部材３１１が接触するまで計測ヘッド１４１Ａを駆動（下降）する。Ｓ４では、変位センサ３２１からの出力をモニターし、計測ヘッド１４１Ａと被検面１０３ａとの距離が所定の距離となるように、Ｚ軸ステージ１３１を駆動（下降）する。Ｓ５では、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値を式２に代入して、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２の位置（座標）を求める。そして、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２の位置変化量３２２と、基準点１４２の位置とを処理部２０９のメモリに保存する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims

被検物の被検面の形状を計測する計測装置であって、
前記被検物を保持する保持面を含む保持部と、
前記被検面の形状を計測するための基準となる基準位置を含み、前記被検面と前記基準位置との間の距離を計測する距離計測部と、
前記基準位置が前記被検面に沿うように前記距離計測部を駆動する駆動部と、
前記駆動部によって駆動される前記距離計測部の前記基準位置を測定する位置測定部と、
前記距離計測部によって計測された前記被検面と前記基準位置との間の距離と前記位置測定部によって測定された前記基準位置とに基づいて前記被検面の形状を算出する処理部と、
を有し、
前記位置測定部は、
前記距離計測部に配置されて互いに異なる測定軸を有する第１のレーザ干渉計、第２のレーザ干渉計及び第３のレーザ干渉計と、
前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計のそれぞれからの光をそれぞれ反射する第１の反射ミラー、第２の反射ミラー及び第３の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーで反射されて前記測定軸に沿って入射するそれぞれの光を反射して、前記測定軸に沿って前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーに導く第１の基準ミラー、第２の基準ミラー及び第３の基準ミラーとを含み、
前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーで反射されたそれぞれの光は、前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーを介して、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計に戻り、
前記第１のレーザ干渉計の原点と前記第１の基準ミラーとの間の距離、前記第２のレーザ干渉計の原点と前記第２の基準ミラーとの間の距離及び前記第３のレーザ干渉計の原点と前記第３の基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準位置を測定し、
前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーの法線が前記保持面を含む面に交差するように配置されており、
前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計の測定軸の延長線が前記基準位置で交差することを特徴とする計測装置。
前記距離計測部は、前記被検面と前記基準位置とが非接触の状態で前記被検面と前記基準位置との間の距離を計測する非接触式の計測ヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記距離計測部は、前記被検面と前記基準位置を含む基準部材とが接触した状態で前記被検面と前記基準位置との間の距離を計測する接触式の計測ヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーの法線が互いに直交するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーが前記距離計測部に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記駆動部は、前記距離計測部を互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動し、
前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１の基準ミラーの法線ベクトルが（１／√６，１／√２，−１／√３）を満たし、前記第２の基準ミラーの法線ベクトルが（−√（２／３），０，−１／√３）を満たし、前記第３の基準ミラーの法線ベクトルが（１／√６，−１／√２，−１／√３）を満たすように配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に計測装置。
前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計のそれぞれからの光をそれぞれ反射するための正方形形状の反射面を有し、前記反射面の対角線のうち１つの対角線が前記保持面に直交するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。