CN107148550A - 表面形状测定装置 - Google Patents

Abstract

表面形状测定装置LMS具备设置有距离检测器及角度检测器的测定头(25)、使被测定物W移动的工件载台单元(10)、使测定头(25)摆动的头载台单元(30)、控制各部的动作的控制部(50)。距离检测器的第一探测光及角度检测器的第二探测光均向测定面倾斜入射。控制部(50)以第一、第二探测光的照射位置沿着测定线移动的方式使测定头(25)及被测定物W相体移动，且基于通过距离检测器(21)检测到的测定面的距离及通过角度检测器(22)检测到的测定面的角度导出沿着测定线的测定面的形状。

Description

表面形状测定装置

技术领域

本发明涉及光学测定被测定物的表面形状的表面形状测定装置。能够精密地测定例如用于照相机或半导体制造装置、望远镜等的透镜、反射镜等光学元件的表面形状，特别是适于由光能透射的材质制成的被测定物的表面形状的测定。

背景技术

作为以非接触的方式测定被测定物的形状的形状测定装置，已知有利用激光测长仪的形状测定装置(例如参照专利文献1)。另外，提案有根据测定面的位置和倾斜角度来测定被测定物的形状的形状测定装置(例如参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-51624号公报

专利文献2：日本特开2003-161615号公报

发明内容

然而，在上述那种现有的形状测定装置中存在如下的课题。首先，在现有的形状测定装置中，能够较稳定地测定反射镜等反射光的被测定物的形状，但有时如透镜那样由光能透射的材质形成的被测定物会受到背面反射的影响。

本发明是鉴于上述的课题而提出的，其目的在于，提供一种对于由透明的材质形成的被测定物也能够稳定地测定表面形状的表面形状测定装置。

为了实现上述目的，例示本发明的方式的表面形状测定装置具备测定头、照射位置移动机构(例如实施方式中的工件载台单元10、头载台单元30)、和控制部。在测定头上设置有使用第一探测光对到被测定物的测定面的距离进行检测的距离检测器、和使用第二探测光对测定面的角度进行检测的角度检测器。照射位置移动机构使测定面上的第一探测光及第二探测光的照射位置移动。控制部基于第一、第二探测光的照射位置、通过距离检测器检测到的测定面的距离及通过角度检测器检测到的测定面的角度导出测定面的形状。第一探测光及第二探测光构成为相对于所述测定面具有规定的入射角地向测定面倾斜入射。

此外，能够构成为，所述距离检测器及所述角度检测器以使朝向所述测定面射出的第一探测光与第二探测光交叉的方式配设于测定头，所述控制装置以使第一探测光与第二探测光交叉的位置成为测定位置的方式控制照射位置移动机构的动作。

另外，所述照射位置移动机构能够以使所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置沿着预先设定的测定线移动的方式进行控制，第二探测光相对于所述测定面的入射面设定为与测定线正交。另外，所述距离检测器及所述角度检测器能够以使第一探测光相对于所述测定面的入射面与第二探测光相对于所述测定面的入射面正交的方式配设于测定头。

另外，能够构成为，所述控制装置以在所述测定位置在测定面立起的法线、和第一探测光的入射面与第二探测光的入射面之间的交线一致的方式控制所述照射位置移动机构的动作。

发明效果

在本发明的方式的表面形状测定装置中，构成为为了检测测定面的距离而照射的第一探测光、及用于检测测定面的角度的第二探测光均相对于测定面倾斜入射。因此，假如即使在被测定物由透明的材质形成的情况下，也能够将由被测定物的测定面(表面)反射的反射光和从被测定物透射并由背面侧反射的反射光分离。

附图说明

图1是例示本发明的方式的表面形状测定装置的概要结构图。

图2是上述表面形状测定装置的控制系统的概要框图。

图3是从图1中的III向视方向观察的光学单元的概要图。

图4是例示使探测光沿着测定线移动时的、被测定物的第一移动模式的说明图。

图5是表示使探测光沿着测定线移动时的、被测定物的第二移动模式的说明图。

图6是用于说明距离检测器及角度检测器的原理的说明图，图6的(a)是距离检测器的原理说明图，图6的(b)是角度检测器的原理说明图。

图7的(a)是表示距离检测器中的第一探测光的入射面的设定状况的说明图，图7的(b)是表示角度检测器中的第二探测光的入射面的设定状况的说明图。

图8是例示用于本发明的方式的表面形状测定装置的角度检测器的具体结构的框图。

图9是用于说明通过本发明的方式的表面形状测定装置测定被测定物的表面形状时的控制单元的作用的说明图，是对测定面的曲率半径与测定装置的测量距离一致的球面镜进行测定的情况下的说明图。

图10是用于说明通过本发明的方式的表面形状测定装置测定被测定物的表面形状时的控制单元的作用的说明图，是测定面的曲率半径与测定装置的测量距离不一致的情况下的说明图。

图11是用于说明根据通过距离检测器检测到的距离计算绕x轴的角度的修正值的方法的说明图。

图12是用于说明根据测定点的位置数据和所修正的角度数据导出测定面的形状的方法的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图说明用于实施本发明的方式。本实施方式中，基于被测定物的基准形状概略扫描探测光，通过针对被测定物的表面的照射了探测光的点测定其与基准形状的偏差，来测定被测定物的表面形状。与基准形状的偏差通过使用两个探测光分别测量位置偏差和角度偏差而得到。首先，参照图1～图3概略说明本发明的表面形状测定装置的整体结构。图1是例示本发明的方式的表面形状测定装置LMS的概要结构图，图2是表面形状测定装置LMS的控制系统的概要框图，图3是从图1中的III向视方向观察的光学单元20(测定头25)的概要图。

为使说明清晰化，规定由相互正交的x轴、y轴、z轴构成的坐标系并示于图1中。在此，x轴是沿着纸面向左右延伸的轴，y轴是将纸面表背贯穿并向前后延伸的轴，z轴是沿着纸面向上下延伸的轴，x-y平面相当于水平面，z轴相当于垂直轴。此外，从说明的方便上出发，有时以图1所示的姿势，将沿着x轴的方向表示为左右方向，将沿着y轴的方向表示为前后方向，将沿着z轴的方向表示为上下方向，但x、y、z各轴的设定方法是任意的，并未规定位置或姿势。

表面形状测定装置LMS概略上由使被测定物W向各轴方向移动的工件载台单元10、向被测定物W的测定面射出第一探测光PL1及第二探测光PL2且接收反射光而测定测定面的距离及角度的光学单元20、以第一、第二探测光沿着规定的测定线移动的方式使安装有光学单元20的测定头25绕θx轴摆动的头载台单元30、基于操作人员的操作控制工件载台单元10、光学单元20、头载台单元30等各部的动作的控制单元50等构成。

工件载台单元10、光学单元20、及头载台单元30以底座81为基础，设置在温度及湿度被管理为在规定值恒定的环境室82内。

在底座81上，经由精密除振装置83支承有平台85，在该平台85上安装有工件载台单元10。另外，在平台85上安装有横跨工件载台单元10的门型框架18，在该门型框架18的上部梁18b上安装有光学单元20及头载台单元30。

工件载台单元10以保持被测定物W的工件保持架15、和使工件保持架15沿各轴方向移动的多个载台作为主体构成。即，工件载台单元10具备使工件保持架15沿x轴方向(左右方向)移动的x载台11、使工件保持架15沿y轴方向(前后方向)移动的y载台12、使工件保持架15沿z轴方向(上下方向)移动的z载台13、使工件保持架15绕上下垂直地延伸的θz轴(旋转轴)转动的θz载台14等而构成。

在门型框架18上设置有分别检测工件保持架15的x轴方向位置、y轴方向位置、z轴方向位置的x传感器41、y传感器42、z传感器43，将通过各传感器检测到的工件保持架15的x轴方向、y轴方向、z轴方向的位置检测信号输入至控制单元50。另外，在θz载台14上设置有检测工件保持架15的旋转角度位置的θz传感器44，将通过该传感器检测到的工件保持架15的旋转角度的位置检测信号输入至控制单元50。此外，x传感器41、y传感器42、z传感器43能够使用测长干涉仪及线性标尺等，θz传感器44能够使用标尺为曲面形状的线性标尺或旋转编码器。

光学单元20包含：距离检测器21，其向被测定物W照射第一探测光PL1且接收由测定面反射的第一探测光而检测至测定面为止的距离；以及角度检测器22，其向被测定物W照射第二探测光PL2且接收由测定面反射的第二探测光而检测测定面的角度。距离检测器21及角度检测器22被安装于共用的单元基部23，且一体形成有测定至测定面的距离及角度的测定头25。

头载台单元30以使设置有光学单元20的测定头25绕在图1中沿着纸面左右水平地延伸且在图3中沿纸面正交方向延伸的θx轴(测定轴)33摆动的θx载台35为主体构成。在θx载台35上设置有检测测定头25的摆动角度位置的θx传感器45，将通过θx传感器45检测到的测定头25的摆动角度的位置检测信号输入至控制单元50。θx传感器45能够使用旋转编码器或标尺为曲面形状的线性标尺。

在此，光学单元20以距离检测器21的第一探测光PL1的光轴和角度检测器22的第二探测光PL2的光轴在仅与θx轴33分离规定距离(测量距离)D的位置交叉的方式被调整设定。即，距离检测器21的第一探测光PL1和角度检测器22的第二探测光PL2在与θx轴33相距测量距离D的位置(测定位置)重复(重叠)，成为照射有将它们合成而成的探测光PL的状态。控制单元50控制各载台的动作，以使从光学单元20输出的第一、第二探测光PL1、PL2在上述测定位置照射到测定面上。因此，通过利用θx载台35使测定头25绕θx轴33摆动，能够使从光学单元20射出的探测光PL在被测定物W的测定面上进行扫描。此外，之后详述光学单元20。

控制单元50具备供操作人员进行动作操作的操作部51、设定存储有测定程序和被测定物的基准形状等的存储部52、进行各种运算处理的运算部53、基于从运算部53输出的指令信号来控制x、y、z、θx、θz的各载台11、12、13、35、14的动作的载台控制部54、基于从运算部53输出的指令信号来控制光学单元20的动作的测量控制部55、以及与外部进行信号的输入输出的I/O部56等而构成。

图4及图5是例示使探测光PL和被测定物W相对移动，使探测光PL沿着测定线移动时的被测定物的移动模式的概要的说明图。两图示意性表示从上方观察保持于工件保持架15的被测定物W时的情况，利用L₁～L₃表示探测光PL(测定位置上的第一、第二探测光PL1、PL2)移动的测定面上的测定线。

图4是适于对于如凹凸透镜或非球面透镜等那样测定面的表面形状为轴对称的被测定物进行测量的情况的移动模式的一例。本例中，在使θx载台35动作而使测定头25摆动，从而使探测光PL移动时，以使探测光PL从被测定物W的中心轴穿过的方式，通过x载台11及y载台12对被测定物W的x轴方向位置及y轴方向位置进行对准。

而且，如图4的(a)所示，从探测光PL照射到测定面的起始点SP的状态起使θx载台35动作，使探测光PL沿着测定线L₁移动，根据在测定线L₁上的各测定点检测到的距离及角度来测量沿着测定线L₁的测定面的形状。接着，如图4的(b)所示，通过θz载台14将被测定物W转动规定角度(例如2度左右)并将其保持在该旋转角度位置，再次使θx载台35动作，使探测光PL沿着测定线L₂移动，根据在测定线L₂上的各测定点检测到的距离及角度来测量沿着测定线L₂的测定面的形状。以下同样地，使θz载台14及θx载台35动作，测量沿着测定线L₃……的测定面的形状。由此，关于被测定物W，能够得到对测定面整体放射状地进行测定而得到的表面形状的测定数据。

图5是适于测量矩形平板状的被测定物或柱面透镜等的情况的移动模式的一例。该例中，从探测光PL照射到测定面的起始点SP的状态起，使θx载台35动作，使探测光PL沿着测定线L₁移动，根据在测定线L₁上的各测定点检测到的距离及角度对沿着测定线L₁的测定面的形状进行测量。接着，使x载台11动作而使被测定物W向图5中的右方移动后，使θx载台35动作，使探测光PL沿着测定线L₂移动，根据在测定线L₂上的各测定点检测到的距离及角度对沿着测定线L₂的测定面的形状进行测量。以下同样地，使x载台11及θx载台35动作，测量沿着测定线L₃……的测定面的形状。

由此，能够得到针对被测定物W呈平行的线状对测定面整体进行形状测定而得到的测定数据。另外，在上述测定后通过θz载台14使被测定物W旋转规定角度(例如90度)并保持在该旋转角度位置，再次通过θx载台35x及载台11的交互移动进行沿着测定线的测定面的形状测定，由此，也能够得到呈格子状对测定面整体进行了形状测定的测定数据。

在像这样概略构成的表面形状测定装置LMS中，将从光学单元20射出的第一探测光PL1及第二探测光PL2在测定位置照射到被测定物W的测定面上，通过由光学单元20的光检测器接收由测定面反射的第一、第二探测光，求出照射了探测光PL的测定面的距离和角度。控制单元50控制各载台的动作，使探测光和被测定物W相对移动，使探测光的照射位置移动，由此，依次测量沿着测定线L的测定面上的各部的距离及角度。而且，基于检测距离对多点测量出的各测定点修正检测角度，使用积分处理或拟合(fitting)处理等公知的方法对测定点的位置数据及修正的角度数据进行运算处理，由此导出测定面的形状、

即，表面形状测定装置LMS以根据测定面的位置和倾斜角度对被测定物的形状进行测定的形状测定装置为基础。在此基础上，在表面形状测定装置LMS中，使用通过距离检测器21检测到的测定点的距离对通过角度检测器22检测到的测定点的角度进行修正，使用测定点的位置数据及修正了的角度数据导出测定面的形状。之后对利用由位置检测器21检测到的距离对角度进行修正的方法、及使用修正了的角度数据导出测定面的形状的方法进行详述。

以下，一并参照图6及图7详细说明光学单元20。光学单元20构成为以距离检测器21和角度检测器22为主体，该距离检测器21对被测定物W照射第一探测光PL1且接收由测定面反射的第一探测光而检测其至测定面的距离，该角度检测器22对被测定物W照射第二探测光PL2且接收由测定面反射的第二探测光而检测测定面的角度。

图6是用于说明距离检测器21及角度检测器22的原理的说明图，图6的(a)是距离检测器21的原理说明图，图6的(b)是角度检测器22的原理说明图。图6中示出使距离检测器21的第一探测光PL1、及角度检测器22的第二探测光PL2向沿x-y方向水平延伸的测定面Ws入射的状态。

距离检测器21由产生第一探测光的第一光源211、将由第一光源211产生的第一探测光PL1聚光并向被测定物的测定面Ws照射的聚光透镜212、将由测定面Ws反射的第一探测光(称作第一反射光)RL1聚光的聚光透镜213、以及检测第一反射光的位置的光检测器214等构成。

角度检测器22由产生第二探测光的第二光源221、将由第二光源221产生的第二探测光PL2聚光并向被测定物的测定面Ws照射的聚光透镜222、将由测定面Ws反射的第二探测光(称作第二反射光)RL2进行准直的准直透镜223、以及检测第二反射光的位置的光检测器224等构成。

第一光源211及第二光源221是使振荡波长或光输出、光束指向等稳定化的激光光源，例如使用光纤激光器或DFB半导体激光器等。在第一光源211及第二光源221的输出部设置有准直器，从各光源输出被进行了平行光束处理的第一探测光PL1、第二探测光PL2。光检测器214、224分别是检测第一反射光RL1、第二反射光RL2的位置的检测器，例如，能够使用QPD(Quadrant Photo Detector：四象限光探测器)、CCD或CMOS等固体拍摄元件等，但在本实施方式中示出使用了QPD的结构。

在距离检测器21中，将从第一光源211射出的第一探测光PL1用聚光透镜212聚光并向测定面Ws入射。由测定面Ws反射的第一探测光即第一反射光RL1由聚光透镜213聚光并向光检测器214入射。在该距离检测器21中，即使测定面Ws的角度变化(倾斜)，向光检测器214聚光入射的第一反射光RL1的入射位置也不发生变化。另一方面，当测定面Ws的位置在上下方向(z轴方向)上变化(位移)时，向光检测器214聚光入射的第一反射光RL1的入射位置发生变化。因此，能够基于从光检测器214向控制单元50输出的位置检测信号来计算从测定头25的基准位置的θx轴33至测定面Ws为止的距离。

在角度检测器22中，从第二光源221射出的第二探测光PL2由聚光透镜222聚光并向测定面Ws入射。由测定面Ws反射的第二探测光即第二反射光RL2被准直透镜223准直化并向光检测器224入射。在该角度检测器22中，即使测定面Ws的位置在上下方向上变化(位移)，向光检测器224入射的第二反射光RL2的入射位置也几乎没有变化。另一方面，当测定面Ws的角度发生变化(倾斜)时，向光检测器224入射的第二反射光RL2的入射位置发生变化。因此，能够基于从光检测器224向控制单元50输出的角度检测信号来计算测定面Ws的倾斜角度。

在此，在表面形状测定装置LMS中，距离检测器21上的第一探测光PL1的入射面与角度检测器22上的第二探测光PL2的入射面被设定为交叉。具体来说，距离检测器21的第一探测光PL1的入射面被设定为沿着y-z平面，角度检测器22的第二探测光PL2的入射面被设定为沿着与y-z平面正交的x-z平面。图7是用于说明上述状况的说明图，图7的(a)表示距离检测器21的第一探测光PL1的入射面的设定状况，图7的(b)表示角度检测器22的第二探测光PL2的入射面的设定状况。

如图7的(a)所示，距离检测器21被设定为第一探测光PL1的入射面沿着y-z平面。y-z平面为与和x轴平行地延伸的θx轴33正交的面。即，距离检测器21形成于测定头25的基座即单元基部23的平面上，隔着θx轴33配设第一光源211及聚光透镜212和聚光透镜213及光检测器214(参照图3)。

如图7的(b)所示，角度检测器22被设定为第二探测光PL2的入射面沿着x-z平面。x-z平面为与x轴及θx轴33平行的面。即，角度检测器22沿测定头25的基座即单元基部23的厚度方向形成，第二光源221、聚光透镜222、准直透镜223、及光检测器224配设于包含θx轴33的面内。

进而，如概要性说明所述，光学单元20以第一探测光PL1的光轴和第二探测光PL2的光轴交叉的方式构成，对其进行调整，使其交点位于与θx轴33分离图7中D所示的距离的位置(使图7的(a)和图7的(b)重合了的状态)。

即，光学单元20由沿着y-z平面形成的距离检测器21和沿着x-z平面形成的角度检测器22构成，且以y-z平面上的第一探测光PL1和x-z平面第二探测光PL2在与θx轴33分离规定距离D的测定位置交叉的方式进行调整、测定。因此，在测定位置，第一探测光PL1和第二探测光PL2重复，成为照射了将它们合成后的探测光PL的状态。然后，像这样进行了调整、设定的光学单元20一体化而形成的测定头25被安装成通过θx载台35能够绕θx轴33摆动(参照图3)。

如上所述，角度检测器22沿着x-z平面形成。即，在测定头25上的与单元基部23的板面正交的方向上配设了第二光源221、聚光透镜222、光检测器224等构成要素。图8表示用于表面形状测定装置LMS的角度检测器22的具体的结构例。如图所示，角度检测器22由产生第二探测光的第二光源221、对由第二光源221产生的第二探测光进行导光的光纤225、设置于光纤225的射出端部并将射出的第二探测光准直化而成平行光束的准直器226、将通过准直器226而平行光束化的第二探测光PL2聚光并向测定面Ws照射的聚光透镜222、对由测定面Ws反射并通过再次从聚光透镜222透射而被平行光束化了的第二探测光(第二反射光)RL2进行反射的反射镜227、除去由被测定物的背面反射来的第二探测光(第二背面反射光)的光圈228、以及检测第二反射光RL2的位置的光检测器224等构成。

将图8所示的角度检测器22的具体的结构和图6的(b)及图7的(b)所示的角度检测器的原理的结构进行对比可理解到：表面形状测定装置LMS中使用的角度检测器22为通过使向测定面Ws照射的第二探测光PL2和由测定面Ws反射的第二探测光RL2从同一聚光透镜222透射而省略了准直透镜223的结构。由此，能够将沿着x-z平面形成的角度检测器22小型化，能够紧凑地构成测定头25。另外，通过将除去由被测定物的背面反射的第二背面反射光的光圈228设置于光检测器224的正前方，假如即使被测定物的厚度薄的情况或楔角小的情况下，也能够有效地除去第二背面反射光。

此外，将第二探测光PL2向测定面聚光的聚光透镜222的焦点距离f₂优选为80～160mm左右，例如优选使用f₂＝120mm的消色差透镜。另外，第二探测光向测定面Ws的入射角θ₂优选为3～8度左右，例如设定为θ₂＝5度。

另一方面，距离检测器21沿着y-z平面形成。即，沿着测定头25上的单元基部23的板面配设第一光源211、聚光透镜212、聚光透镜213、光检测器214等。因此，在用于表面形状测定装置LMS的距离检测器21的具体的结构中，在单元基部23的中心部设置角度检测器22，且隔着该角度检测器22配设距离检测器21的投光部和受光部。即，图3中，在角度检测器22的左侧设置有具有第一光源211及聚光透镜212的投光部21a，在右侧设置有具有聚光透镜213及光检测器214的受光部21b。由此，能够有效利用单元基部23的板面而紧凑地构成测定头25。

在此，将第一探测光PL1聚光于测定面的聚光透镜212的焦点距离f₁能够在与聚光透镜222同样的范围内适宜设定，但在表面形状测定装置LMS中，将聚光透镜212的焦点距离f₁设为与聚光透镜222的焦点距离f₂相同，使用f₁＝120mm的消色差透镜。由此，除了能够共同进行距离检测器21及角度检测器22的焦点调整作业之外，向测定点聚光照射的第一探测光和第二探测光的焦点深度也大致相同，因此，能够排除基于焦点深度的差异而产生的误差成分等的影响。此外，第一探测光向测定面Ws的入射角θ₁优选为5～30度左右，例如设定为θ₁＝25度。

照射了探测光的范围例如为直径为200μm左右的圆形的光点。距离检测器21测定该光点的平均的位置变化，角度检测器22检测该点的平均的绕x轴的角度。

在像这样构成了光学单元20的表面形状测定装置LMS中，驱动θx载台35使测定头25绕θx轴33摆动，由此，使第一、第二探测光PL1、PL2沿着测定线移动。即，表面形状测定装置的测定线L(L₁～L₃等)沿y轴方向形成。

控制单元50沿着测定线L照射第一、第二探测光PL1、PL2，通过距离检测器21及角度检测器22对测定线L上的各测定点的距离及角度进行测定。

如参照图2概要说明的那样，控制单元50具备供操作人员进行动作操作的操作部51、设定存储有测定程序及被测定物的基准形状等的存储部52、进行各种运算处理的运算部53、基于从运算部53输出的指令信号来控制x、y、z、θx、θz、的各载台11、12、13、35、14的动作的载台控制部54、基于从运算部53输出的指令信号来控制光学单元20的动作的测量控制部55、以及与外部进行信号的输入输出的I/O部56等而构成。

在操作部51设置有显示测定程序或测定结果等信息的液晶显示面板、输入数值或文字信息的键盘、进行选择操作的鼠标、各种开关类、可读写记录于CD或USB存储器等记录介质的测定面Ws的基准形状的数据或测定结果等的读写器等，以对话形式进行与测定面Ws的类型(例如平面、球面、非球面、圆柱等)或测定模式(放射状、线状、格子状等)对应的形状测定。

存储部52设置多个ROM或RAM等的存储元件而构成。ROM中预先设定存储有控制表面形状测定装置LMS的各部的动作的控制程序、与被测定物W的类型或测定模式对应的测定程序等。在操作部51，选择设定被测定物W的类型或测定模式，并将对应的测定程序嵌入控制程序，由此构成适于被测定物W的表面形状测定装置。在RAM中临时存储有经由设置于操作部51的读写器或I/O部56读入的被测定物的测定面Ws的基准形状(设计值的矢量数据)、对测定程序设定的测定线上的测定点的基准倾斜角度、以及在测定程序的执行中从距离检测器21及角度检测器22输出的各测定点的距离数据及角度数据等。

运算部53由CPU或移位寄存器等构成，基于预先设定存储于存储部52的控制程序及测定程序进行各种运算处理，向载台控制部54或测量控制部55等输出指令信号，控制工件载台单元10、光学单元20、头载台单元30的动作。

载台控制部54基于从运算部53输出的指令信号向工件载台单元10的x载台11、y载台12、z载台13、θz载台14、头载台单元30的θx载台35等输出驱动信号，控制各载台的动作。测量控制部55基于从运算部53输出的指令信号，向光学单元20的距离检测器21及角度检测器22输出测定控制信号，控制测定面Ws的形状测定。

控制单元50在通过距离检测器21及角度检测器22测定测定线上的测定点的距离及角度时，以使在测定点立起的法线穿过θx轴33且第一探测光PL1及第二探测光PL2向同一测定点照射的方式控制y载台12及z载台13的动作。换言之，以使距离检测器21的y-z平面和角度检测器22的x-z平面相交的交线(以下，为便于说明而称作“假想光轴”)S与测定面垂直相交且假想光轴上的θx轴33和测定点之间的距离成为上述的测量距离D的方式控制y载台12及z载台13的动作。

为了使假想光轴S向测定面垂直入射，且假想光轴上的θx轴33和测定点的距离成为测量距离D，控制单元50以下述方式控制y载台12及z载台13。首先，运算部53根据设定存储于存储部52的测定面Ws的基准形状来计算沿着通过测定程序设定的测定线的测定面Ws的基准形状(截面形状)。接着，对设定于测定线上的测定点计算各测定点的倾斜角度。接着，根据算出的各测定点的倾斜角度算出假想光轴向该测定点垂直入射且θx轴33和测定点的距离成为测量距离D的测定头25(θx载台35)的角度位置、y载台12及z载台13的坐标位置。接着，生成基于算出的各载台的位置的驱动信号，并向y、z、θx的各载台12、13、35输出驱动信号，使被测定物W及测定头25相对移动。

而且，相对于被定位的被测定物W，从测量控制部55向光学单元20的距离检测器21及角度检测器22输出测量控制信号，使第一、二探测光PL1、PL2从光学单元20射出。由此，假想光轴向测定面垂直入射，将从光学单元20射出的第一探测光PL1及第二探测光PL2向同一测定点(测定位置)照射。

图9是示意性例示该情况的说明图，表示测定面Ws为凹的球面形状的情况。该情况下，在测定面的曲率半径与测量距离D一致的情况下，若以在测定线上的某一点使假想光轴S向测定面Ws垂直入射且θx轴33和测定点的距离成为测量距离D的方式调整(定心)y载台12及z载台13的位置，则在之后的测定中，仅使θx载台35动作，使测定头25摆动，由此，能够在沿着y轴的测定线上使第一、第二探测光PL1、PL2向同一测定点入射。

另一方面，在测定面Ws的曲率半径与测量距离D不一致的情况、为凸面的情况、或为非球面的情况下，若并非在测定线上使第一、第二探测光扫描的θx载台35的基础上使y载台12及z载台13动作，则无法使假想光轴向测定面Ws垂直入射且使θx轴33和测定点的距离成为测量距离D。

例如，有时被测定物的测定面Ws为非球面形状，如图10所示，轴心部的测定点Pwa的曲率半径为r1，周缘部的测定点Pwb及Pwc的曲率半径为r2。在这种情况下，运算部53读出预先设定存储于存储部52的测定面Ws整体的基准形状，计算沿着测定线的测定面的基准形状，并对设定于测定线上的测定点Pwa、Pwb、Pwc……计算各测定点的倾斜角度。接着，基于算出的测定点的倾斜角度计算成为使假想光轴S向各测定点Pwa、Pwb、Pwc……垂直入射的状态的θx载台35的角度位置。另外，计算在θx载台35位于该角度位置的状态下，θx轴33和测定点的距离成为测量距离D的y载台12及z载台13的坐标位置。

而且，将基于针对各测定点算出的载台位置的驱动信号输出到y、z、θx载台11、13、35，将被测定物W及测定头25移动定位，由此，在沿着y轴的测定线上的各测定点Pwa、Pwb、Pwc……，假想光轴S向测定面垂直入射，从光学单元20射出的第一探测光PL1及第二探测光PL2向同一测定点照射。而且，基于测定点Pwa、Pwb、Pwc……的位置、在各测定点Pwa、Pwb、Pwc……由距离检测器21检测到的从θx轴至测定点的距离、及通过角度检测器22检测到的测定点的角度，导出沿着测定线的测定面Ws的形状。

如上所述，在表面形状测定装置LMS中，使用通过距离检测器21检测到的测定点的距离，对通过角度检测器22检测到的测定点的角度进行修正，且使用测定点的位置数据及修正了的角度数据来导出测定面的形状。以下，针对使用通过距离检测器21检测到的测定点的距离的角度修正、及使用测定点的位置数据和修正后的角度数据的测定面的形状导出，说明具体的结构例。

角度检测器22的光检测器224使用QPD，能够全方位检测测定面的倾斜角。本结构例中，根据在各测定点通过角度检测器22检测到的测定面的角度来计算绕x轴的角度(y轴方向的倾斜角度)。另外，根据通过距离检测器21检测到的θx轴33和测定点的距离来计算绕x轴的角度的修正值。然后，利用基于通过距离检测器21检测到的距离的、绕x轴的角度的修正值，来修正通过角度检测器22检测到的绕x轴的角度，计算该测定位置的绕x轴的角度、即沿着测定线的y轴方向的倾斜角度。

图11是用于说明根据通过距离检测器21检测到的距离来计算绕x轴的角度的修正值的方法的说明图。该图表示从距离检测器21射出的第一探测光由测定面Ws反射的状态，图中虚线表示被测定物位于本来的测定位置的情况的测定面，实线表示被测定物的位置错开微小距离的状态(实际的测定状态)下的测定面。图中的放大图示出两个测定点的位置关系。

此时，通过距离检测器21检测到的θx轴33和测定点的距离在被测定物位于本来的测定位置时和位于现实的测定位置时相差ΔL。另外，通过角度检测器22检测到的角度在被测定物位于本来的测定位置时为α’，但在现实的测定位置为α。在此，两个测定点的距离的差ΔL根据设定存储于存储部52的测定面Ws的基准形状和通过位置检测器21检测到的测定点的距离而求出。另外，两个测定点的y轴方向的偏差在将测定头25的倾斜角度设为θ时作为ΔLsinθ而求出。若将测定面Ws的基准形状的曲率半径设为R，则两个测定点的角度的差α’-α通过下式示出。

α’-α＝ΔLsinθ/R

像这样，基于通过距离检测器21检测到的距离，来计算因测定点的位置偏差而产生的角度的修正值即ΔLsinθ/R，将该修正值与通过角度检测器22检测到的绕x轴的角度α相加，由此，能够更高精度地求出测定面的角度。通过使用修正后的角度数据，能够进行更高精度的面形状计算。另外，也能够预先求出通过距离检测器21检测到的位移(单位：μm)和角度位移的相关关系，基于该相关关系来修正通过角度检测器22检测到的倾斜角度的值。

接着，使用像这样求出的倾斜角度的值来求出面形状。图12是用于说明根据测定点的位置数据和所修正的角度数据导出测定面的形状的方法的说明图。图12中，P1、P2、P3表示沿着测定线的各测定点，P1Y、P2Y、P3Y表示各测定点P1、P2、P3的y轴方向上的位置数据(上述本来的测定位置)，P1A、P2A、P3A按各测定点P1、P2、P3的上述顺序表示修正后的角度数据。

若将测定点P2、P3、P4……的z轴方向上的位置设为P2Z、P3Z、P4Z，则它们通过下式求出。

P2Z＝(P2Y-P1Y)×(P1A+P2A)/2+P1Z

P3Z＝(P3Y-P2Y)×(P2A+P3A)/2+P2Z

P4Z＝(P4Y-P3Y)×(P3A+P4A)/2+P3Z

·

·

·

目前，若作为测定点P1的z轴方向的位置P1Z而设定0(零)，则测定点P2的z轴方向上的位置P2Z通过下式表示。

P2Z＝(P2Y-P1Y)×(P1A+P2A)/2

在此，P2Y、P3Y是测定点P2、P3的y轴方向上的位置数据，是已知的。另外，P1A、P2A是进行了基于通过距离检测器21检测到的距离的角度修正的修正后的测定点P1、P2的角度数据。因此，求出测定点P2的z轴方向上的位置P2Z，以下同样地依次求出P3Z.、P4Z……。由此，求沿着在y轴方向上延伸的测定线的测定点P1、P2、P3……的z方向位置及y轴方向的倾斜角度。

然后，根据如上求出的各测定点的z方向位置及y轴方向的倾斜角度，使用积分处理或拟合处理等公知的方法进行运算处理，由此导出沿着测定线的测定面Ws的形状。

如以上所说明的那样，在表面形状测定装置LMS中，构成为距离检测器21的第一探测光PL1、及角度检测器22的第二探测光PL2均以规定的入射角θ₁、θ₂(θ₁≠0、θ₂≠0)倾斜地入射至测定面Ws。因此，即使被测定物W由相对于第一、第二探测光为透明的材质形成，也能够清晰地分离由测定面Ws反射的反射光和由被测定物的背面侧反射的背面反射光。另外，为了分离背面反射光，也可以在适宜的位置设置光圈等。

另外，在表面形状测定装置LMS中，以角度检测器22的第二探测光的入射面与测定线L正交的方式构成(参照图7的(b))。这是基于特别是在测定轴对称的测定面的情况下，沿着测定线L的方向的角度变化大、与测定线L正交的方向上的角度变化小这一情况而设定的。由此，能够抑制基于照射第二探测光的测定点的位置误差的、检测角度的误差。

另外，距离检测器21将第一探测光PL1的入射面设为y-z平面，角度检测器22将第二探测光PL2的入射面设为x-z平面。即，以第一探测光的入射面和第二探测光的入射面正交的方式进行设定，来构成测定头25。由此，能够在较小径的单元基部23上有效地配置距离检测器21和角度检测器22，能够紧凑地构成测定头25。

在本实施方式中，在距离检测器21中为由光检测器214接收由聚光透镜213聚光的光的光学系统，因此，能够高灵敏度地检测测定点的高度的位移。进而，角度检测器22为接收通过准直透镜223准直化后的光的光学系统，因此，能够高灵敏度地检测测定点的面的倾斜。

另外，在表面形状测定装置LMS中，以距离检测器21的第一探测光PL1和角度检测器22的第二探测光PL2交叉的方式进行设定，且以这两个探测光交叉的位置(测定位置)成为测定点的方式进行控制。因此，向测定点照射的第一探测光PL1及第二探测光PL2不会因测定线上的位置而发生变化，由此，能够不取决于测定线上的位置而以一定的精度测定表面形状。进而，使距离检测器21的第一探测光PL1聚光的聚光透镜212和将角度检测器22的第二探测光PL2聚光的聚光透镜222使用焦点距离相同的聚光透镜。通过该结构，使向测定点聚光照射的第一探测光和第二探测光的焦点深度大致相同，能够排除基于焦点深度的差异而产生的误差成分等的影响。

此外，本实施方式中，示出距离检测器21和角度检测器22的具体例来说明了实施方式，但只要是将探测光向测定点倾斜入射而能够分别测定数百微米程度的区域的距离的位移和角度的位移的光学系统，就能够使用。

附图标记说明

LMS 表面形状测定装置

10 工件载台单元(照射位置移动机构)

11 x载台、12y载台、13z载台、14θz载台

15 工件保持架

20 光学单元

21 距离检测器(21a投光部、21b受光部)、22角度检测器

25 测定头

30 头载台单元(照射位置移动机构)

33 θx轴

35 θx载台

50 控制单元(控制部)

L(L₁～L₃) 测定线

PL1 第一探测光

PL2 第二探测光

W (W₁、W₂)被测定物

Ws 测定面

θ₁ 第一探测光向测定面的入射角

θ₂ 第二探测光向测定面的入射角

Claims (7)

1.一种表面形状测定装置，其特征在于，具备：

测定头，其设置有使用第一探测光对到被测定物的测定面为止的距离进行检测的距离检测器、及使用第二探测光对所述测定面的角度进行检测的角度检测器；

照射位置移动机构，其使所述测定面上的所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置移动；以及

控制部，其基于所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置、通过所述距离检测器检测到的所述测定面的距离及通过所述角度检测器检测到的所述测定面的角度，导出所述测定面的形状，

所述第一探测光及所述第二探测光相对于所述测定面具有规定的入射角地向所述测定面倾斜入射。

2.根据权利要求1所述的表面形状测定装置，其特征在于，

所述距离检测器及所述角度检测器以使朝向所述测定面射出的所述第一探测光与第二探测光交叉的方式配设于所述测定头，

所述控制部以使所述第一探测光与所述第二探测光交叉的位置成为测定位置的方式控制所述照射位置移动机构的动作。

3.根据权利要求1或2所述的表面形状测定装置，其特征在于，

所述照射位置移动机构以使所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置沿着预先设定的测定线移动的方式进行控制，

所述第二探测光相对于所述测定面的入射面设定为与所述测定线正交。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的表面形状测定装置，其特征在于，

所述距离检测器及所述角度检测器以使所述第一探测光相对于所述测定面的入射面与所述第二探测光相对于所述测定面的入射面正交的方式配设于所述测定头。

5.根据权利要求2所述的表面形状测定装置，其特征在于，

所述控制部以在所述测定位置在所述测定面立起的法线、和所述第一探测光的入射面与所述第二探测光的入射面之间的交线一致的方式控制所述照射位置移动机构的动作。

6.一种表面形状测定装置，其特征在于，具备：

测定头，其设置有使用第一探测光对到被测定物的测定面为止的距离进行检测的距离检测器、及使用第二探测光对所述测定面的角度进行检测的角度检测器；

照射位置移动机构，其使所述测定面上的所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置移动；以及

控制部，其基于所述第一探测光及所述第二探测光的照射位置、通过所述距离检测器检测到的所述测定面的距离及通过所述角度检测器检测到的所述测定面的角度，导出所述测定面的形状，

所述测定头具有旋转轴，所述测定头构成为能够绕所述旋转轴旋转，由此，所述距离检测器及所述角度检测器能够摆动，

所述第一探测光相对于所述测定面具有规定的入射角地向所述测定面倾斜入射。

7.根据权利要求6所述的表面形状测定装置，其特征在于，

所述第二探测光相对于所述测定面具有规定的入射角地向所述测定面倾斜入射，

所述距离检测器及所述角度检测器以使所述第一探测光与所述第二探测光交叉的方式配设于所述测定头，

所述控制部以使所述第一探测光与所述第二探测光交叉的位置成为测定位置的方式控制所述照射位置移动机构的动作。