CN103727892A - 校准装置、校准方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

公开了校准装置、校准方法和测量装置。本发明提供了用于校准光学装置的校准装置，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述校准装置包括：靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；取得单元，被配置成取得被所述区域反射的光的光量；以及处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，其中，所述区域被配置成非平面的以使得通过取得单元取得的光量根据光照射位置而改变。

Description

校准装置、校准方法和测量装置

技术领域

本发明涉及校准装置、校准方法和测量装置。

背景技术

近年来，作为用于测量物体的形状的装置，已经研究扫描类型形状测量装置（以下称为“测量装置”），其在测量面上扫描探头（测量头）。这种测量装置通过用来自测量头的光照射（投射）物体，并且检测被物体反射的光，来计算测量头和物体之间的距离，并且基于该距离计算物体的形状。测量头通常包括照射单元和检测单元，照射单元包括二维地扫描光（用该光照射物体）所需的检流计反射镜（galvanometer mirror）、多面反射镜等，检测单元检测被物体反射的光。

可以通过检测检流计反射镜或多面反射镜的旋转角度来计算光在物体上的扫描角度。然而，由于包括在照射单元中的光学元件的布置偏差，要由照射单元用光照射的位置（理想照射位置）通常可能与由照射单元用光实际照射的位置（实际照射位置）具有偏差。因此，为了精确地测量物体的形状，必须检测（确认）实际照射位置，并且必须校准照射单元以使得实际照射位置匹配理想照射位置。涉及这种校准的技术已经由日本专利公开No.2004-245672提出。

由日本专利公开No.2004-245672提出的技术，更具体地，使用以一维模式布置的平面反射镜的校准装置1000将在下面参考图13进行描述。校准装置100包括：其上放置测量头1010的载置台1020，旋转载置台1020的旋转单元1030，以及靶（target）1040。靶1040由平面反射镜配置，并且被以一维模式（例如，沿着x轴）布置，如图13所示。旋转单元1030具有使从测量头1010的照射单元照射的光的位置（照射位置）与靶1040的布置方向匹配的功能。

在使用旋转单元1030旋转放置测量头1010的载置台1020的同时，每个靶1040被测量头1010的照射单元用光顺序地照射，并且由测量头1010的检测单元来检测被每个靶1040反射的光。然后，将与由测量头1010的检测单元检测的光相关的实际数据与当用光照射理想照射位置时与被靶1040反射的光相关的基准数据进行比较，并且基于实际照射位置与理想照射位置之间的偏差来计算扫描角度（其偏差）。

然而，关于日本专利公开No.2004-245672的技术，因为使用平面反射镜作为靶，所以相对于扫描角度的改变，由检测单元检测的光的改变（实际数据）较小，进而难以精确地检测扫描角度（其偏差）。

例如，假设从测量头（照射单元）至每个靶的距离是150mm，且光在物体上的直径是30μm。此外，假设“光垂直地进入靶、并且由检测单元检测的光的光量变成最大光量的状态”是第一状态，而“光倾斜地进入靶、并且由检测单元检测的光的光量变成最大光量的1/2的状态”是第二状态。在这种情况下，为了将第一状态变成第二状态，即使当将具有3μm直径的光圈布置在测量头的检测单元的正前方时，也需要将扫描角度改变22μrad。换言之，即使当由测量头的照射单元发射的光的位置改变约6.4μm时，由检测单元检测的光的光量也仅改变1/2（即，灵敏度低）。出于此原因，不能精确地检测扫描角度（其偏差）。

发明内容

本发明提供有利于精确地校准具有扫描部件的光学装置的技术。

根据本发明的第一方面，提供一种用于校准光学装置的校准装置，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述校准装置包括：靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；取得单元，被配置成取得被所述区域反射的光的光量；以及处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，其中，所述区域被配置成非平面的以使得通过取得单元取得的光量根据光照射位置而改变，并且处理单元执行：第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过取得单元取得被所述区域反射的光的光量；第二处理，用于基于在第一处理中取得的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

根据本发明的第二方面，提供一种用于校准光学装置的校准装置，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述校准装置包括：靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；取得单元，被配置成取得被所述区域反射的光的光量；以及处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，其中，所述区域是通过具有反射率分布的反射部件而被配置的，所述反射率分布使通过取得单元取得的光量根据光照射位置而改变；并且处理单元执行：第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过取得单元取得被所述区域反射的光的光量；第二处理，用于基于在第一处理中取得的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

根据本发明的第三方面，提供一种用于校准光学装置的校准方法，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述方法使用包括被来自扫描部件的光照射的区域的靶部件来进行校准，所述方法包括：第一步骤，在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，检测被所述区域反射的光的光量；第二步骤，基于在第一步骤中检测的光量，计算在第一步骤中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及第三步骤，根据在第二步骤中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值，其中，所述区域被配置成非平面的以使得待检测的光量根据光照射位置而改变。

根据本发明的第四方面，提供一种用于测量物体的形状的测量装置，包括：扫描部件；扫描单元，被配置成通过旋转扫描部件来在物体上扫描光；靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；检测单元，被配置成检测被物体反射的光和被所述区域反射的光；计算单元，被配置成基于被物体反射并且被检测单元检测的光来计算物体的形状；以及处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，其中，所述区域被配置成非平面的以使得通过检测单元检测的光量根据光照射位置而改变，并且处理单元执行：第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过检测单元检测被所述区域反射的光的光量；第二处理，用于基于在第一处理中检测的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

从参照附图对示例性实施例进行的以下描述中，本发明的更多方面将变得清楚。

附图说明

图1是示出具有根据本发明的一个方面的校准装置的测量装置的布置的示意图。

图2是示出图1中所示的测量装置的测量头的实际布置的示例的视图。

图3A和图3B是用于说明使用图1所示的测量装置中的靶部件来校准检流计反射镜的旋转角度的原理的视图。

图4是示出当光来自图1所示的测量装置中的靶部件的反射镜元件的曲率中心正上方位置时反射镜元件的截面的视图。

图5是示出x方向上光的偏差量与被检测器检测的光量之间的关系的曲线图。

图6是实际地说明使用图1所示的测量装置中的靶部件对检流计反射镜的校准的视图。

图7是示出被在图1所示的测量装置中的靶部件上形成的X对准标记反射的光的光量的示例的曲线图。

图8是示出被柱形反射镜（cylindrical mirror）反射并被图1所示的测量装置中的测量头的检测器检测的光的光量的示例的曲线图。

图9是示出具有根据本发明的一个方面的校准装置的测量装置的布置的示意图。

图10是示出图1所示的测量装置中的靶部件的布置示例的视图。

图11是示出具有在图1所示的测量装置中的靶部件上形成的有着凸面的圆锥形状的反射镜的视图。

图12是实际地说明使用图1所示的测量装置中的靶部件对检流计反射镜的校准的视图。

图13是示出使用以一维模式布置的平面反射镜的校准装置的布置的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。注意，贯穿这些附图相同的附图标记指示相同的部件，并且将不给出其重复的描述。

图1是示出具有根据本发明的一个方面的校准装置的测量装置1的布置的示意图。测量装置1是三维形状测量装置，其使用包括检流计反射镜（扫描部件）的测量头104来测量物体MT的形状。校准装置是用于校准测量装置1的测量头104的检流计反射镜的旋转角度（其偏差）的校准装置。然而，校准装置还适用于校准如下光学装置，所述光学装置具有检流计反射镜并且在该检流计反射镜旋转时在物体上扫描光（例如，激光处理装置等）。

测量装置1包括平板101、XYZ载置台102、旋转载置台103、测量头104、靶部件105和处理单元106。注意，靶部件105不是在测量物体MT的形状时使用的部件，而是在校准测量装置1时使用的部件。处理单元106包括CPU、存储器等，并且控制测量装置1的整体（操作）。例如，处理单元106不仅执行用于测量物体MT的形状的处理（即，它用作用于基于由物体MT反射的光来计算物体MT的形状的计算单元）而且执行用于计算校准检流计反射镜的旋转角度所需的校准值的处理。以此方式，靶部件105和处理单元106构成该实施例中校准装置的一部分。

XYZ载置台102设置在平板101上。在XZY载置台102上，设置旋转载置台103和测量头104。测量头104用光照射（投射）物体MT，并且检测由物体MT反射或散射的光，从而测量测量头104与物体MT之间的距离。

下面将参考图2描述测量头104的实际布置的示例。测量头104包括光纤端口201、半反射镜202、参考反射镜203、检流计反射镜204和205、检测器206和扫描单元207。光纤端口201、半反射镜202、参考反射镜203、检流计反射镜204和205用作用光照射物体MT的照射单元。检测器206用作检测由物体MT反射或散射的光的检测单元。在旋转检流计反射镜204和205的同时，扫描单元207在物体MT或靶部件105上扫描光。

经由光纤或类似物将来自光源的光引导至测量头104，并且从光纤端口201射出。来自光纤端口201的光进入半反射镜202，并且被分成由半反射镜202反射的光和通过半反射镜202透射的光。由半反射镜202反射的光被参考反射镜203反射，并且作为参考光再次进入半反射镜202。另一方面，通过半反射镜202透射的光被检流计反射镜204和205反射，并且被投射到物体MT上。由物体MT（的表面）反射或散射的光作为检测光再次进入半反射镜202。

检流计反射镜204具有沿着z轴的旋转轴，并且检流计反射镜205具有沿着y轴的旋转轴。因此，当检流计反射镜204被旋转时，在y轴方向上在物体MT上扫描光，并且当检流计反射镜205被旋转时，在x轴方向上在物体MT上扫描光。以此方式，因为测量头104包括两个检流计反射镜204和205，所以它能够在二维地扫描光的同时用光照射物体MT。

进入半反射镜202的参考光和检测光形成干涉光。检测器206检测由参考光和检测光形成的干涉光，并且输出干涉信号。处理单元106基于从检测器206输出的干涉信号来计算参考光光路长度与检测光光路长度之间的差（光路长度差）。可以使用计算距一定基准的相对距离的方法、根据使用多个波长的光射束的测量来计算绝对距离的方法或类似方法来计算光路长度差。处理单元106基于XYZ载置台102的位置（坐标）、旋转载置台103的旋转角度、检流计反射镜204和205的旋转角度以及检测光光路长度（光路长度差）来计算物体MT的任意点（实际照射位置）的位置(x,y,z)。

下面将参考图3A和图3B描述使用靶部件105校准检流计反射镜204和205的旋转角度的原理。图3A和图3B仅示出在测量头104中的检测光光路，并且仅示出两个检流计反射镜204和205中的检流计反射镜205。

靶部件105包括被由检流计反射镜204和205反射的光照射的区域，并且该区域是非平面的。更具体地，在图3A和3B中，通过具有凸面的曲率的反射镜元件（反射部件）301来配置该区域，并且以二维模式对该区域进行布置。然而，反射镜元件301可以配置成例如取决于光照射位置来改变由检测器206检测的光量，并且可以具有凹面的曲率。此外，在该实施例中，由反射镜元件301反射的光的光量被检测器206检测。可替代地，检测由反射镜元件301反射的光的光量的检测单元可以独立于检测器206进行布置。以此方式，检测器206用作取得由反射镜元件301反射的光的光量的取得单元，并且构成本实施例中的校准装置的一部分。

图3A和图3B示出用光照射靶部件105的多个反射镜元件301中的一个的状态。由检流计反射镜205反射的光被反射镜元件301（的表面）反射，通过半反射镜202被透射，并且进入检测器206。可以根据由检测器206检测的干涉光的对比度来计算由反射镜元件301反射的光的光量，或者可以在遮蔽来自参考反射镜203的光的同时由检测器206仅检测由反射镜元件301反射的光。反射镜元件301针对检流计反射镜（扫描部件）205被预先定位在预定位置处。

将首先检查如下情况，在所述情况中，如图3A所示，反射镜元件301的中心（曲率中心）C位于由检流计反射镜205反射的光的延长线上。在这种情况下，由检流计反射镜205反射的光被反射镜元件301（的表面）垂直地反射，并且进入检测器206的检测面的中心部分。此外，下面将检查如下情况，在所述情况中，如图3B所示，反射镜元件301的中心C不位于由检流计反射镜205反射的光的延长线上。在这种情况下，因为由检流计反射镜205反射的光的延长线从反射镜元件301的中心C偏离，所以由检流计反射镜205反射的光未被反射镜元件301垂直地反射，并且进入从检测器206的检测面的中心部分偏离的位置。以此方式，当反射镜元件301和检测器206不具有光学地共轭的关系时，由于检流计反射镜205的旋转角度的改变，由检测器206检测的光量改变。因此，可以基于由检测器206检测的光量来计算检流计反射镜205的旋转角度。

下面将描述检流计反射镜205的旋转角度与由反射镜元件301反射的并且被检测器206检测的光的光量（光量值）之间的关系。在此实施例中，因为经由光纤或类似物将来自光源的光引导至测量头104，所以来自光源的光在检测器206的检测面上形成Airy图案。令d是由于检流计反射镜205的旋转所致的、检测器206的检测面的中心与Airy图案的中心之间的偏差量（即，检测器206的检测面的中心与由反射镜元件301反射的光在检测面上的入射位置之间的偏差量）。此外，令a是在检测器206的检测面上检测的Airy图案的积分区域的半径（即，由反射镜元件301反射并且进入检测器206的检测面的光的半径），并且令(x,y)是检测器206的检测面上的位置坐标。在这种情况下，检测器206的检测面的中心与Airy图案的中心之间的偏差量d与被检测器206检测的光量I_Airy之间的关系通过下式表示：

$I_{\mathrm{Airy}}(d,a)={\∫}_{-a}^a{\∫}_{-a}^a{\left(\frac{2J_1\left(\sqrt{x^2+{(y-d)}^2}\right)}{\sqrt{x^2+{(y-d)}^2}}\right)}^2\mathrm{dxdy}...\left(1\right)$

其中，J₁()表示第一类贝塞尔函数，其假设进入检测器206的检测面的光在y方向上偏离。此外，等式（1）中偏差量d和积分区域的半径a可以由实际系统的变量来表示。注意，实际系统的变量包括反射镜元件301的曲率半径R，进入靶部件105的光的半径（射束光斑半径）BS，以及检测器206的检测面半径Rd。此外，实际系统的变量还包括从检流计反射镜205至靶部件105的距离WD1，和从检测器206至靶部件105的距离WD2。

下面将参考图4描述实际系统的变量(R,BS,Rd,WD1,和WD2)。图4示出当光来自反射镜元件301的曲率中心的正上方位置时反射镜元件301的截面。

首先将描述实际系统的偏差量d与变量(R,BS,Rd,WD1,和WD2)之间的关系。通过下式，使用从检流计反射镜205至靶部件105的距离WD1来表示由检流计反射镜205的旋转角度θ引起的入射在靶部件105（反射镜元件301）上的光的偏差量d1：

d1=2θWD1...(2)

当使用反射镜元件301的曲率半径R时，通过下式来表示垂直地进入从相对于反射镜元件301的垂直反射位置移动d1的位置的光的反射角度θ_t：

${\mathrm{\&theta;}}_t=\arctan \left(\frac{d1}{\sqrt{R^2-{d1}^2}}\right)\&ap;\frac{d1}{R},(d1<<1)...\left(3\right)$

相对于检流计反射镜205的旋转角度θ由反射镜元件301反射的光的反射角度θr通过下式给出：θr=2(2θ+θ_t)。因此，通过下式，使用从检测器206至靶部件105的距离WD2来表示由反射镜元件301反射的光的偏差量d2：

d2=(2θ+2θ_t)WD2≈2θ_tWD2(θ<<θ_t)...(4)

因此，相对于检流计反射镜205的旋转角度θ的、检测器206的检测面的中心与Airy图案的中心之间的偏差量d通过下式表示：

$d(\mathrm{\&theta;},R,\mathrm{WD}1,\mathrm{WD}2)=d1+d2\&ap;\frac{4\mathrm{\&theta;WD}1\mathrm{WD}2}{R},(\mathrm{\&theta;}<<{\mathrm{\&theta;}}_t)...\left(5\right)$

接下来，下面将描述实际系统的积分区域的半径a和变量(R,BS,Rd,WD1,和WD2)。假设进入靶部件105的光是具有足够小的NA的平行光。使用检测器206的检测面的半径Rd，通过下式来表示靶部件105上的被检测器206检测的光的半径d_A：

$\mathrm{Rd}=2\mathrm{WD}2\&CenterDot;\frac{d_A}{R}\&RightArrow;d_A=\frac{\mathrm{RdR}}{2\mathrm{WD}2}...\left(6\right)$

可以根据如下关系来计算此半径d_A，在所述关系中，通过由等式（3）给出的反射角度θt反射的光与检测器206的检测面的半径Rd匹配。

因此，通过将进入靶部件105的光的半径（Airy图案的第一暗环）BS代入到等式（6）中，通过下式来表示积分区域的半径a：

$a(R,\mathrm{Rd},\mathrm{WD}2,\mathrm{BS})=\frac{3.83d_A}{\mathrm{BS}\sqrt{x^2+y^2}}=\frac{1.9156\mathrm{Rd}\&CenterDot;R}{\mathrm{WD}2\&CenterDot;\mathrm{BS}\sqrt{x^2+y^2}}...\left(7\right)$

注意，可以通过在检测器206的检测面的前面（入射面侧）布置光圈以仅选择需要的光来调节积分区域的半径a。

通过将等式（5）和（7）代入到等式（1）中，相对于检流计反射镜205的旋转角度θ的、由检测器206检测的光量的理想值（即理想光量I_Airy）可以被计算。

假设当被检测器206检测的光量是最大光量时检流计反射镜205的旋转角度是0，通过下式来表示最大光量与当检流计反射镜205的旋转角度是θ1时被检测器206检测的光量之间的比率ε：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{I_{\mathrm{Airy}}(d(\mathrm{\&theta;}1,R,\mathrm{WD}1,\mathrm{WD}2),a(\mathrm{WD}2,\mathrm{BS}))}{I_{\mathrm{Airy}}(d(0,R,\mathrm{WD}1,\mathrm{WD}2),a(\mathrm{WD}2,\mathrm{BS}))}...\left(8\right)$

例如，如果实际系统的变量被设置为R=10mm、BS=15μm、Rd=0.5mm、WD1=150mm和WD2=150mm，则根据等式（1）通过图5中的实曲线来表示在x方向上的偏差量d与光量I_Airy之间的关系。图5还通过虚曲线示出在相关技术中（即，当靶部件是平面反射镜（R=∞和Rd=0.003mm）时）在x方向上的偏差量与理想光量I_Airy之间的关系。此外，图5在横坐标上绘制比率ε，在纵坐标上绘制x方向上的偏差量d。

参考图5，在本实施例中，当被检测器206检测的光量减半(ε=0.5)时偏差量d是0.2μm，且检流计反射镜205的旋转角度θ是0.67μrad。另一方面，在相关技术中，当被检测器206检测的光量减半时偏差量d是6.4μm，且检流计反射镜205的旋转角度θ是22μrad。如从前面说明可见的，在本实施例中，与相关技术相比，相对于投射到靶部件105上的光的位置偏差、被检测器206检测的光量的改变增大约30倍。因此，在本实施例中，因为能够精确地检测检流计反射镜205的旋转角度，所以能够精确地校准检流计反射镜的旋转角度（其偏差）。

下面将参考图6详细地描述对检流计反射镜的旋转角度进行校准（即使用靶部件105对检流计反射镜204和205进行校准）的上述原理。在这种情况下，特别地，将说明计算校准检流计反射镜204和205的旋转角度所需的校准值的处理。如图6所示，在靶部件105上，在被由检流计反射镜204和205反射的光照射的区域上配置各自具有凹面的柱形反射镜601。然而，每个柱形反射镜601仅需要配置成改变被检测器206检测的光量，并且可以是具有凸面的柱形反射镜。柱形反射镜601以二维模式布置，并且柱形反射镜601的轴指向多个方向，包括x和y方向。此外，已经使用接触型三维坐标测量机器（CMM）精确地校准每个柱形透镜601的曲率中心的位置（坐标）。这样，靶部件105上的柱形反射镜601的反射面的区域针对测量头104被定位在预定位置（测量位置）处。换言之，柱形反射镜601的反射面针对检流计反射镜（扫描部件）204被定位。

最初，测量布置在平板101上的靶部件105的位置，并且测量头104被移至测量位置。更具体地，测量头104被移至在靶部件105上形成的每个平面反射镜603的正上方的位置，用光垂直地照射平面反射镜603，并且检测被平面反射镜603反射的光，从而计算从测量头104至平面反射镜603的距离。在这种情况下，计算在靶部件105上形成的三个或更多个平面反射镜603的每一个与测量头104之间的距离，并且测量在z方向上的靶部件105的位置和倾斜(θx,θy)。然后，测量头104被移至在靶部件105上形成的X对准标记604和Y对准标记605的每一个的正上方的位置。在本实施例中，通过步阶（step）来配置X对准标记604和Y对准标记605，但是它们可以通过反射膜或类似物进行配置。例如，当用光照射在x轴方向的对准中使用的X对准标记604时，由X对准标记604反射的光的光量（长度测量值）根据x轴方向上的靶部件105上的位置而改变，如图7所示。参考图7，可以根据其中由X对准标记604反射的光的光量大幅改变的位置来指定X对准标记604的位置。在图7中，横坐标绘制x轴方向上的靶部件105上的位置，而纵坐标绘制由X对准标记604反射的光的光量。以此方式，通过使用X对准标记604和Y对准标记605，测量靶部件105上的位置（x-y平面上的位置）。然后，基于靶部件105上的位置，测量头104被移至测量位置。在本实施例中，x轴和y轴方向上的靶部件105上的中心位置、和在z轴方向上与靶部件105分开距离WD的位置与测量头104的测量位置相对应。在这种情况下，唯一地确定从靶部件105至测量头104的距离，更具体地，从靶部件105至检流计反射镜204的距离。

在测量头104被移至测量位置之后，旋转检流计反射镜205以使得用光照射靶部件105的每个柱形反射镜601的基准位置（曲率中心位置）。然后，在这种状态下，被柱形反射镜601反射的光的光量（的改变）被检测器206检测。图8示出被柱形反射镜601反射并且被检测器206检测的光的光量的示例。在图8中，横坐标绘制x轴方向上的靶部件105上的位置，而纵坐标绘制被柱形反射镜601反射的光的光量。参考图8，在柱形反射镜601的曲率中心的位置处的光量被最大化（最大光量）。令L_x1是从与最大光量对应的位置（x坐标）至x轴方向上的检流计反射镜205的反射点的位置的距离，通过下式来表示检流计反射镜205的旋转角度θ_x1：

${\mathrm{\&theta;}}_{x1}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{L_{x1}\cos {\mathrm{\&theta;}}_x}{\mathrm{WD}+L_{x1}\sin {\mathrm{\&theta;}}_x}\right)...\left(9\right)$

此外，令L_x0是从x轴方向上柱形反射镜601的曲率中心的位置至x轴方向上检流计反射镜205的反射点的位置的基准距离，通过下式来表示检流计反射镜205的基准角度θ_x0：

${\mathrm{\&theta;}}_{x0}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{L_{x0}\cos {\mathrm{\&theta;}}_x}{\mathrm{WD}+L_{x0}\sin {\mathrm{\&theta;}}_x}\right)...\left(10\right)$

注意，已经使用CMM在前述校准中取得x轴方向上的柱形反射镜601的曲率中心的位置。

使用基准角度θ_x0与选择角度θ_x1之间的差Δθ_x(=θ_x1-θ_x0)作为检流计反射镜205的旋转角度的校准值（修正值）。针对在靶部件105上形成的所有柱形反射镜601来计算此校准值，由此精确地校准在被由检流计反射镜205反射的光照射的二维区域上的检流计反射镜205的旋转角度。更具体地，将校准值保存在处理单元106的存储器中，并且针对每个扫描角度校准检流计反射镜205的旋转角度，从而精确地控制由检流计反射镜205反射的光的实际照射位置。

如上所述，作为计算校准检流计反射镜205的旋转角度所需的校准值的处理，仅需要执行以下三个处理（第一、第二、和第三处理）。在第一处理中，在检流计反射镜205被旋转以用光照射靶部件105上的每个柱形反射镜601的基准位置的状态中，被柱形反射镜601反射的光的光量被检测器206检测。在第二处理中，基于被检测器206检测的光量，计算在第一处理中相对于柱形反射镜601的被光实际照射的实际照射位置。在第三处理中，根据在第二处理中计算的实际照射位置与柱形反射镜601的基准位置之间的差，计算校准检流计反射镜205的旋转角度所需的校准值。

在本实施例中，因为以二维模式形成柱形反射镜601，所以还能够检测作为x轴方向上的误差和y轴方向上的误差的组合而生成的旋转角度的偏差。换言之，因为以二维模式形成柱形反射镜601，所以与以一维模式形成柱形反射镜601的情况相比，能够更精确地校准检流计反射镜205的旋转角度。

根据本实施例的测量装置1，能够精确地校准检流计反射镜205的旋转角度的偏差，并且能够精确地控制从测量头104投射到物体MT上的光（其被检流计反射镜205反射）的位置。因此，测量装置1能够精确地测量物体MT的形状。

此外，将检查测量头104被通过旋转载置台103旋转90°的情况，如图9所示。在这种情况下，因为由于自身重量引起的变形，旋转载置台103、测量头104、以及检流计反射镜204和205被设定在与图6所示的状态不同的状态中，所以检流计反射镜204和205经历与图6所示状态不同的旋转角度偏差。因此，需要平行于x-z平面布置靶部件105（如图9所示），从而校准检流计反射镜204和205的旋转角度。注意，就对检流计反射镜204和205的旋转角度的校准而言，图6所示的z轴方向被图9所示的y轴方向替换，且图6所示的x-y平面被图9所示的x-z平面替换。因此，将不再重复对其的详细描述。

在靶部件105上，可以将相移元件701和平面反射镜702配置在被由检流计反射镜204和205反射的光照射的区域上，如图10所示。通过左和右区域701a和701b之间的光路长度差（通过具有所述光路长度差的步阶），相移元件701生成λ/4的相位差。因此，投射到靶部件105上的光通过相移元件701透射并且被平面反射镜702反射，从而在相移元件701的区域701a和701b之间生成λ/2的相位差。

当在相移元件701上扫描光时，当其到达相移元件701的中心位置（区域701a和701b之间的边界）时，由检测器206检测的光量变成零。这是因为已经通过相移元件701的区域701a的光和已经通过相移元件701的区域701b的光的光量彼此抵消。因此，与相关技术相比，如图10所示的其上配置相移元件701和平面反射镜702的靶部件105能够取得2倍的灵敏度。

在靶部件105上，具有有着凸面的圆锥形状的反射镜元件801可以配置在被由检流计反射镜204和205反射的光照射的区域上，如图11所示。当沿着靶部件105上的x轴扫描光时，取决于相对于反射镜元件801的中心的x轴的正侧和负侧，光的反射角度大幅改变。因此，与相关技术相比，如在具有凸面的曲率的反射镜元件301中那样，反射镜元件801能够改善对于检流计反射镜204和205的旋转角度的偏差的灵敏度。注意，反射镜元件801仅需配置成根据光照射位置来改变被检测器206检测的光量，并且其可以具有有着凹面的圆锥形状或者有着凹面或凸面的棱锥形状。

此外，在靶部件105上，具有反射率分布的反射部件可以配置在被由检流计反射镜204和205反射的光照射的区域上。例如，通过将反射部件的中心附近的反射率设定为高于周围部分的反射率，被检测器206检测的光量能够根据光照射位置而改变。因此，与相关技术相比，如在具有凸面的曲率的反射镜元件301中那样，具有反射率分布的反射部件能够改善对于检流计反射镜204和205的旋转角度的偏差的灵敏度。

此外，通过使用在保持靶部件105的同时移动的微动载置台901，如图12所示，能够精确地（以高分辨率）计算校准检流计反射镜的旋转角度所需的校准值。

更具体地，由微动载置台901保持的靶部件105被平行于x-y平面布置，并且如上所述，检流计反射镜的旋转角度被校准。

接下来，微动载置台901在x轴方向上被移动较小的量ΔL。通过下式来表示在这种状态中检流计反射镜的基准角度θ′_x0：

${\mathrm{\&theta;}}_{x0}^{\&prime;}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(L_{x0}+\mathrm{\&Delta;L})\cos {\mathrm{\&theta;}}_x}{\mathrm{WD}+(L_{x0}+\mathrm{\&Delta;L})\sin {\mathrm{\&theta;}}_x}\right)...\left(11\right)$

因此，因为在微动载置台901的移动前后在x轴方向上的检流计反射镜的角度方面生成小的差异，所以能够将校准检流计反射镜的旋转角度所需的校准值计算为以更精细间隔计的角度。换言之，移动保持靶部件105的微动载置台901的处理和通过检测器206检测由靶部件105的反射镜元件301反射的光的光量的处理交替地重复多次，从而更精确地计算校准值。同样地，通过将微动载置台901在y方向上移动较小的量，能够将在y轴方向上的检流计反射镜的旋转角度计算为以更精细间隔计的角度。

上述实施例已经说明使用检流计反射镜作为光学装置的扫描部件的情况。关于扫描部件，能够使用具有偏转光射束的功能的部件，并且可以替代检流计反射镜而使用多面反射镜或棱镜。此外，可以使用声光元件（AOM）来偏转（扫描）光射束。可以使用压电元件作为AOM元件，并且可以应用超声波（高频波）来改变频率，从而扫描光射束。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是将会理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围被赋予最宽的解释，以包括所有这些修改以及等同结构和功能。

Claims (13)

1.一种用于校准光学装置的校准装置，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述校准装置包括：

靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；

取得单元，被配置成取得被所述区域反射的光的光量；以及

处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，

其中，所述区域被配置成非平面的以使得通过取得单元取得的光量根据光照射位置而改变，并且

处理单元执行：

第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过取得单元取得被所述区域反射的光的光量；

第二处理，用于基于在第一处理中取得的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及

第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，通过具有凹面或凸面的反射镜来配置所述区域。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，通过具有凹面或凸面的柱形反射镜来配置所述区域。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，取得单元包括具有被配置成检测被所述区域反射的光的检测面的检测单元，

令(x,y)是检测面上的位置坐标，令d是检测面的中心与检测面上的被所述区域反射的光的入射位置之间的偏差量，令a是被所述区域反射并且进入检测面的光的半径，并且令J₁()是第一类贝塞尔函数，

当所述区域被光照射时通过取得单元取得的理想光量I(d,a)通过下式表示：

$I(d,a)={\&Integral;}_{-a}^a{\&Integral;}_{-a}^a{\left(\frac{2J_1\left(\sqrt{x^2+{(y-d)}^2}\right)}{\sqrt{x^2+{(y-d)}^2}}\right)}^2\mathrm{dxdy}$

根据理想光量I(d,a)来计算被光照射的所述区域的校准值。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，通过包括如下步阶的元件来配置所述区域，所述步阶具有生成将被反射的光的λ/4的相位差的光路长度差。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，通过具有有着凹面或凸面的圆锥形状的反射镜来配置所述区域。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，多个所述区域被以二维模式布置在靶部件上。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：在保持靶部件的同时移动的载置台，

其中，处理单元将载置台的移动和第一处理交替地重复多次。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学装置是测量装置，所述测量装置包括测量头并且测量物体的形状，所述测量头包括扫描部件和配置成检测被物体反射的光的检测单元。

10.一种用于校准光学装置的校准装置，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述校准装置包括：

靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；

取得单元，被配置成取得被所述区域反射的光的光量；以及

处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，

其中，所述区域是通过具有反射率分布的反射部件而被配置的，所述反射率分布使通过取得单元取得的光量根据光照射位置而改变；并且

处理单元执行：

第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过取得单元取得被所述区域反射的光的光量；

第二处理，用于基于在第一处理中取得的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及

第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述光学装置是测量装置，所述测量装置包括测量头并且测量物体的形状，所述测量头包括扫描部件和配置成检测被物体反射的光的检测单元。

12.一种用于校准光学装置的校准方法，所述光学装置具有扫描部件并且通过旋转扫描部件来在物体上扫描光，所述方法使用包括被来自扫描部件的光照射的区域的靶部件来进行校准，所述方法包括：

第一步骤，在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，检测被所述区域反射的光的光量；

第二步骤，基于在第一步骤中检测的光量，计算在第一步骤中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及

第三步骤，根据在第二步骤中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值，

其中，所述区域被配置成非平面的以使得待检测的光量根据光照射位置而改变。

13.一种用于测量物体的形状的测量装置，包括：

扫描部件；

扫描单元，被配置成通过旋转扫描部件来在物体上扫描光；

靶部件，包括被来自扫描部件的光照射的区域；

检测单元，被配置成检测被物体反射的光和被所述区域反射的光；

计算单元，被配置成基于被物体反射并且被检测单元检测的光来计算物体的形状；以及

处理单元，被配置成执行用于计算校准扫描部件的旋转角度所需的校准值的处理，

其中，所述区域被配置成非平面的以使得通过检测单元检测的光量根据光照射位置而改变，并且

处理单元执行：

第一处理，用于在扫描部件被旋转以用光照射所述区域的基准位置的状态中，通过检测单元检测被所述区域反射的光的光量；

第二处理，用于基于在第一处理中检测的光量，计算在第一处理中所述区域被光实际照射的实际照射位置；以及

第三处理，用于根据在第二处理中计算的实际照射位置和所述区域的基准位置，计算校准值。

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