JP2001165631A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度変化に強く高精度な測定を行なえる形状測
定装置を提供する。 【解決手段】形状測定装置は、被検物５を保持する架台
３と、その下面に設けられた基準ミラー４と、架台３を
Ｘ方向とＹ方向に移動させるＸＹステージ６と、被検物
５の被検面のＺ方向の変位を計測する変位計１９とを備
えている。変位計１９は、偏光方向が互いに直交する周
波数の異なる測定光と参照光のビームを射出するレーザ
ー１と、そのビームを測定光のビームと参照光のビーム
とに分離する偏光ビームスプリッター２１と、測定光の
ビームが通過する測定光学系と、参照光のビームが通過
する参照光学系と、測定光のビームと参照光のビームを
結合する偏光ビームスプリッター２４と、結合された光
のビート周波数を検出するビート周波数検出系とを備え
ている。測定光学系と参照光学系は、実質的に同じレイ
アウトで延びる光路を有し、両者の光路長はほぼ同じ長
さである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ヘテロダイン干
渉を利用したレーザー測長器を用いて、自由曲面や非球
面、球面、平面等を有する被検物の被検面形状を測定す
る形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被検物の面形状を測定する形状測
定装置のひとつに、被検物または変位計のいずれか一方
を計測方向と直交する方向に移動させて被検面の表面形
状を測定するものがある。このような形状測定装置は、
例えば、特公平７−４９９５６号に開示されている。図
３に、特公平７−４９９５６号に開示されている形状測
定装置の概略構成を示す。

【０００３】図３に示されるように、ステージ１２１の
上面には被検物１２３が載置され、またステージ１２１
の下面には基準平面としてのオプチカルフラット１３９
が配置されており、ステージ１２１により被検物１２３
とオプチカルフラット１３９が一体となって移動可能と
なっている。また、固定されたコ字形状のスライダ１２
４はステージ１２１を挟むように配置されており、スラ
イダ１２４の一方の端部１２４ａには変位計１３５が、
他方の端部１２４ｂには補正用変位計１３６が設けられ
いてる。補正用変位計１３６は、その計測中心が変位計
１３５の計測中心と一致するように設けられている。変
位計１３５は被検物１２３の被検面の計測方向の変位
を、補正用変位計１３６はオプチカルフラット１３９の
計測方向の変位を検出する。

【０００４】被検物１２３をステージ１２１により変位
計１３５の計測方向と直交する方向に移動させ、変位計
１３５の計測方向の変位を計測信号として検出する。こ
のときステージ１２１の案内レール１２５，１２６の曲
りやベアリング１２７，１２８のボールの転がりによる
微振動が測定誤差となる。しかし、オプチカルフラット
１３９の計測方向の変位を補正用変位計１３６の計測信
号として検出し、図示しない補正手段により、変位計１
３５の計測信号を補正することにより、被検物１２３の
高精度な形状測定を可能としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の形状測定装置の
ように、被検面の変位と基準平面の変位を別々の変位計
で計測する構成において、装置の環境温度が変化する
と、熱膨張によってスライダ１２４が伸び縮みし、スラ
イダの各端部１２４ａ，１２４ｂにそれぞれ取り付けら
れた変位計１３５と補正用変位計１３６の相対的な距離
そのものが変化してしまう。この相対的な距離の変化
は、従来技術の補正手段では全く補正できず、従って、
装置の測定精度が大きく低下してしまうという問題があ
る。

【０００６】このような問題を解決するために、スライ
ダ１２４を熱膨張係数の小さい部材で構成したり、環境
変化を極力小さくすることなども考えられるが、装置の
使用環境が制限されたり、装置が非常に高価になってし
まう。

【０００７】本発明は、このような不具合を解決するた
めに成されたものであり、その目的は、環境温度の変化
に影響されずに高精度な測定を行なえる形状測定装置を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の形状測定装置
は、被検物を保持する架台と、前記被検物の被検面の高
さの変位を計測するための変位計と、前記架台の前記被
検物が保持される側の面に対して反対側の面に設けられ
た基準ミラーであって、前記変位計の計測方向に対して
略垂直な基準面を持つ基準ミラーと、前記架台と前記変
位計のいずれか一方を前記変位計の計測方向に直交する
方向に移動させるステージとを備えており、前記変位計
は、周波数ｆ1の測定光と周波数ｆ2の参照光を生成する
光放射手段と、前記光放射手段により生成された前記測
定光と前記参照光を分離する光分離手段と、前記測定光
が通過する測定光学系と、前記参照光が通過する参照光
学系と、前記測定光学系を通過した測定光と前記参照光
学系を通過した参照光を結合して干渉させるための光結
合手段と、干渉により発生するビート周波数の変動を検
出するためのビート周波数検出手段と、検出されたビー
ト周波数の変動に基づいて被検面の変位を求める信号処
理手段とを備えており、前記測定光が前記基準ミラーと
前記被検物の被検面で反射されるとともに、前記測定光
学系と前記参照光学系は実質的に同じレイアウトで延び
る光路を有し、両者の光路長はほぼ同じ長さである。

【０００９】本発明の別の形状測定装置は、被検物を保
持する架台と、前記被検物の被検面の高さの変化に追従
する、反射面を有する接触式プローブと、前記接触式プ
ローブの変位を計測するための変位計と、前記架台の前
記被検物が保持される側の面に対して反対側の面に設け
られた基準ミラーであって、前記変位計の計測方向に対
して略垂直な基準面を持つ基準ミラーと、前記架台と前
記変位計のいずれか一方を前記変位計の計測方向に直交
する方向に移動させるステージとを備えており、前記変
位計は、周波数ｆ1の測定光と周波数ｆ2の参照光を生成
する光放射手段と、前記光放射手段により生成された前
記測定光と前記参照光を分離する光分離手段と、前記測
定光が通過する測定光学系と、前記参照光が通過する参
照光学系と、前記測定光学系を通過した測定光と前記参
照光学系を通過した参照光を結合して干渉させるための
光結合手段と、干渉により発生するビート周波数の変動
を検出するためのビート周波数検出手段と、検出された
ビート周波数の変動に基づいて被検面の変位を求める信
号処理手段とを備えており、前記測定光が前記基準ミラ
ーと前記接触式プローブの反射面で反射されるととも
に、前記測定光学系と前記参照光学系は実質的に同じレ
イアウトで延びる光路を有し、両者の光路長はほぼ同じ
長さである。

【００１０】

【発明の実施の形態】［第一実施形態］本発明の第一実
施形態に係る形状測定装置について、図１を参照して説
明する。

【００１１】図１は、第一実施形態に係る形状測定装置
の概略構成図である。本実施形態に係る形状測定装置
は、被検面の高さの変化に追従して移動する、測定光を
集光する対物レンズを有しており、測定光は対物レンズ
により被検面に照射される。

【００１２】図１に示されるように、本実施形態に係る
形状測定装置は、被検物５を保持するための架台３と、
架台３の下面に設けられた基準ミラー４と、架台３をＸ
方向とＹ方向に移動させるためのＸＹステージ６と、被
検物５の被検面のＺ方向の変位を計測するための変位計
１９とを備えている。基準ミラー４は、変位計１９の計
測方向すなわちＺ方向にほぼ垂直な基準面４ａを有して
いる。基準面４ａは、反射面として機能し、平面度が
０.０１μｍ程度の高精度な平面である。

【００１３】変位計１９は、それぞれの偏光方向が互い
に直交する周波数ｆ1の光と周波数ｆ2の光のビームを射
出するHe-Neレーザー１と、レーザー１から射出される
レーザー光のビームの径を拡大するビームエキスパンダ
２とを備えている。周波数ｆ1の光は、例えば、射出時
に紙面に平行な方向に偏光しており、ここでは測定光と
呼ばれる。一方、周波数ｆ2の光は、射出時に紙面に垂
直な方向に偏光しており、ここでは参照光と呼ばれる。

【００１４】変位計１９は、さらに、He-Neレーザー１
からの測定光と参照光のビームを測定光のビームと参照
光のビームとに分離するための偏光ビームスプリッター
２１と、測定光のビームが通過する測定光学系と、参照
光のビームが通過する参照光学系と、測定光のビームと
参照光のビームを結合するための偏光ビームスプリッタ
ー２４と、結合された光のビート周波数を検出するため
の第一のビート周波数検出系と、検出されたビート周波
数に基づいて被検面の変位を求めるための信号処理手段
とを備えている。第一のビート周波数検出系は、偏光板
１５とレンズ１１と光検出器１３を含んでいる。

【００１５】測定光学系は、λ/４板４２とミラー３０
と偏光ビームスプリッター２２とλ/４板４３とミラー
３５とレンズ１０とを含んでいる。また、参照光学系
は、ミラー３１とλ/４板４１とミラー３２とλ/２板４
８と偏光ビームスプリッター２３とλ/４板４４とミラ
ー３６とミラー３４とλ/４板４５とミラー３３とを含
んでいる。

【００１６】変位計１９は、また、上述した光学素子を
固定するための二つの固定部材７と９と、これら二つの
固定部材７と９を固定する別の固定部材８とを有してお
り、偏光ビームスプリッター２１とミラー３０，３１，
３２，３３とλ/４板４１，４２は固定部材７に固定さ
れ、偏光ビームスプリッター２２，２３，２４とミラー
３４，３５，３６とλ/４板４３，４４，４５とλ/２板
４８は固定部材９に固定されている。

【００１７】変位計１９は、さらに、He-Neレーザー１
からの測定光と参照光のビームを偏光方向と関係なく部
分的に分割する無偏光ビームスプリッター２０と、分割
されたビームの光のビート周波数を検出するための第二
のビート周波数検出系を備えている。第二のビート周波
数検出系は、偏光板１６とレンズ１２と光検出器１４を
含んでいる。

【００１８】上述した各光学素子で不要な反射光が発生
する面には反射防止コートが施されている。また、レン
ズ１０は、被検体５の被検面上に常に焦点が結ばれるよ
うに、公知のオートフォーカス機構(図示せず)によっ
て、被検物５のＸ方向とＹ方向の移動による被検面の高
さの変化を追従するように制御される。

【００１９】以下、変位計１９の測定光と参照光がそれ
ぞれ通過する光路について、つまり測定光学系と参照光
学系について説明する。

【００２０】He-Neレーザー１から出射されたレーザー
光のビームは、無偏光ビームスプリッター２０により、
その偏光方向によらず一定の割合で、反射光のビームと
透過光のビームに分割される。

【００２１】反射光のビームは、偏光板１６により偏光
方向がそろえられ、レンズ１２により光検出器１４に焦
点を結び、光検出器１４により周波数ｆ1の測定光と周
波数ｆ2の参照光の基準ビート周波数ｆ1−ｆ2が検出さ
れる。

【００２２】透過光のビームは、偏光ビームスプリッタ
ー２１により、その偏光方向に従って、測定光のビーム
と参照光のビームに分離される。偏光ビームスプリッタ
ー２１を透過した測定光のビームは、λ/４板４２を透
過し、ミラー３０で反射され、基準ミラー４の反射面で
ある基準面４ａで反射され、再びミラー３０で反射さ
れ、λ/４板４２を再度透過し、再び偏光ビームスプリ
ッター２１に戻る。測定光のビームは、λ/４板４２の
二回の透過により、その偏光方向が透過前のそれに対し
て９０°変化しているため、今度は偏光ビームスプリッ
ター２１で反射され、偏光ビームスプリッター２２に方
向付けられる。

【００２３】偏光ビームスプリッター２１からの測定光
のビームは、偏光ビームスプリッター２２で反射され、
λ/４板４３を透過し、ミラー３５で反射され、レンズ
１０により被検物５の被検面に集光され、そこで反射さ
れる。被検物５の被検面で反射された測定光のビーム
は、再びミラー３５で反射され、λ/４板４３を透過
し、再び偏光ビームスプリッター２２に戻る。測定光の
ビームは、λ/４板４３の二回の透過により、その偏光
方向が透過前のそれに対して９０°変化しているため、
今度は偏光ビームスプリッター２２を透過し、その後、
偏光ビームスプリッター２４を透過する。

【００２４】一方、偏光ビームスプリッター２１で反射
された参照光のビームは、ミラー３１で反射され、λ/
４板４１を透過し、ミラー３２で反射され、λ/４板４
１を再度透過し、再びミラー３１で反射され、再び偏光
ビームスプリッター２１に戻る。参照光のビームは、λ
/４板４１の二回の透過により、その偏光方向が透過前
のそれに対して９０°変化しているため、今度は偏光ビ
ームスプリッター２１を透過し、偏光ビームスプリッタ
ー２２に向かう。

【００２５】偏光ビームスプリッター２１からの参照光
のビームは、偏光ビームスプリッター２２を透過し、λ
/２板４８を透過し、これにより偏光方向が９０°変化
され、偏光ビームスプリッター２３で反射される。その
後、参照光のビームは、λ/４板４４を透過し、ミラー
３６で反射され、λ/４板４４を再度透過し、偏光ビー
ムスプリッター２３に達する。参照光のビームは、λ/
４板４４の二回の透過により、その偏光方向が透過前の
それに対して９０°変化しているため、今度は偏光ビー
ムスプリッター２３を透過し、ミラー３４で反射され、
偏光ビームスプリッター２４に向かう。

【００２６】続いて、参照光のビームは、偏光ビームス
プリッター２４を透過し、λ/４板４５を透過し、ミラ
ー３３で反射され、λ/４板４５を再度透過し、再び偏
光ビームスプリッター２４に戻る。参照光のビームは、
λ/４板４５の二回の透過により、その偏光方向が透過
前のそれに対して９０°変化しているため、今度は偏光
ビームスプリッター２４で反射される。

【００２７】偏光ビームスプリッター２４を透過した測
定光と偏光ビームスプリッター２４で反射した参照光と
のビームは、偏光板１５により偏光方向がそろえられ、
レンズ１１により光検出器１３に集光され、光検出器１
３によりビート周波数が検出される。

【００２８】以下、被検面の計測方向(Ｚ方向)の変化を
変位計１９により検出する原理を説明する。ＸＹステー
ジ６を移動させた時に、ＸＹステージ６の真直度不足の
ためにＺ方向にずれることによる測定光の周波数のずれ
量をε、被検面のＺ方向の変化による周波数のずれ量を
Δｆとする。測定光は、基準ミラー４の基準面４ａで反
射することによりドップラーシフトを起こし、その周波
数はｆ1＋εとなる。さらに被検面で反射することによ
り、周波数は(ｆ1＋ε)＋(Δｆ−ε)＝ｆ1＋Δｆとな
る。

【００２９】一方、参照光は、ドップラーシフトを起こ
さないので、周波数はｆ2のままである。従って、偏光
ビームスプリッター２４で結合された測定光と参照光の
結合光は、(ｆ1＋Δｆ)−ｆ2＝ｆ1−ｆ2＋Δｆのビート
周波数を有し、これが光検出器１３で検出される。

【００３０】従って、光検出器１４で検出される基準ビ
ート周波数ｆ1−ｆ2と、光検出器１３で検出されるビー
ト周波数ｆ1−ｆ2＋Δｆとの差Δｆを信号処理手段(図
示せず)により求めることにより、被検面の高さの変化
量ΔＺ＝(ｃ/２ｆ1)∫Δｆｄｔが求められる。ここでｃ
は光の速度である。

【００３１】本実施形態では、測定光学系と参照光学系
は実質的に同じレイアウトで延びる光路を有しており、
それらはほぼ同じ長さの光路長を有している。また、測
定光学系を構成する光学部材と参照光学系を構成する光
学部材は共に固定部材７と９に保持され、固定部材７と
９は固定部材８に固定されている。このため、測定光学
系と参照光学系は、熱膨張による光路長Ｌ１とＬ３の伸
び縮みに対して、同じ距離だけ伸び縮みする。従って、
光路長Ｌ１とＬ３の伸び縮みは、測定光学系の光路長と
参照光学系の光路長に差を与えない。

【００３２】また、光路長Ｌ２とＬ４とＬ５の伸び縮み
は、測定光学系の光路長と参照光学系の光路長に差を与
えるが、光路長Ｌ２とＬ４とＬ５は、光路長Ｌ１とＬ３
に比べて非常に短く設定できるので、測定光学系の光路
長と参照光学系の光路長の差は最小限に抑えられる。

【００３３】このように本実施形態よれば、変位計１９
の測定光学系と参照光学系の温度変化による光路長の変
化がほぼ同じになるため、測定精度の低下を防ぐことが
できる。

【００３４】また、He-Neレーザー１から射出された直
後のレーザー光の基準ビート周波数ｆ1−ｆ2を光検出器
１４により検出しているため、周波数ｆ1とｆ2の変動に
対しても、安定して変化量Δｆが求められる。また、測
定光は、架台３を間に挟んで上下に位置する被検物５と
基準ミラー４の同一軸上に位置する地点で反射されるの
で、アッベの誤差が発生しない。

【００３５】本実施形態の各構成は、以上に述べた構成
に限定されるものではなく、様々な変形や変更が可能で
ある。例えば、偏光ビームスプリッター２１と測定光学
系を構成するλ/４板４２と参照光学系を構成する光学
素子ミラー３１と３３とλ/４板４１とが一体的に形成
されてもよい。このように測定光学系と参照光学系を構
成する光学部材の一部を一体的に形成することは、環境
温度の変化による光路長の変化をさらに小さく抑え、測
定精度の向上にとって有益である。

【００３６】また、本実施形態では、変位計１９が固定
される一方で、架台３がＸＹステージ６により移動され
るが、これとは反対に、架台３が固定される一方で、変
位計１９がＸＹステージに支持されＸ方向とＹ方向に移
動されてもよい。

【００３７】［第二実施形態］本発明の第二実施形態に
係る形状測定装置について、図２を参照して説明する。

【００３８】図２は、第二実施形態に係る形状測定装置
の概略構成図である。本実施の形態に係る形状測定装置
は、被検面の高さの変化に追従して移動する、接触圧の
非常に小さい接触式プローブを有し、接触式プローブは
その上端面に鏡面を備えており、その鏡面に測定光が照
射される。また、第一実施形態と共通する構成には同じ
参照符号を付し、その説明は省略する。

【００３９】図２に示されるように、本実施形態に係る
形状測定装置は、被検物５を保持するための架台３と、
架台３の下面に設けられた基準ミラー４と、架台３をＸ
方向とＹ方向に移動させるＸＹステージ６と、Ｚ方向に
移動可能な接触式プローブ８０と、接触式プローブ８０
のＺ方向の変位を計測するための変位計２５とを備えて
いる。

【００４０】架台３は光を通す穴３ａを有しており、基
準ミラー４は、光学的に透明な板材と、その下面に設け
られた反射面として機能する基準面４ａとを備えてい
る。基準面４ａは、変位計２５の計測方向すなわちＺ方
向にほぼ垂直であり、図の上方と下方からほぼ垂直に入
射して来る光をそれぞれ反射する。接触式プローブ８０
はＺ方向にほぼ垂直な鏡面８０ａを有しており、変位計
２５はこの鏡面８０ａのＺ方向の変位を計測する。

【００４１】変位計２５は、He-Neレーザー１と、ビー
ムエキスパンダ２と、偏光ビームスプリッター５０とミ
ラー６０，６１，６２とλ/４板７１，７２を固定する
固定部材７と、偏光ビームスプリッター５１とミラー６
３，６４，６５とλ/４板７３，７４を固定する固定部
材９と、二つの固定部材７と９を固定する固定部材８
と、レンズ１７，１１と、偏光板１５と、光検出器１３
とを備えている。

【００４２】変位計２５は、周波数ｆ1の測定光と周波
数ｆ2の参照光のビームを射出するHe-Neレーザー１と、
そのビームの径を拡大するビームエキスパンダ２と、測
定光と参照光のビームを測定光のビームと参照光のビー
ムとに分離するための偏光ビームスプリッター５０と、
測定光のビームが通過する測定光学系と、参照光のビー
ムが通過する参照光学系と、測定光のビームと参照光の
ビームを結合するための偏光ビームスプリッター５１
と、結合された光のビート周波数を検出するためのビー
ト周波数検出系と、検出されたビート周波数に基づいて
接触式プローブ８０の変位を求めるための信号処理手段
とを備えている。ビート周波数検出系は、偏光板１５と
レンズ１１と光検出器１３を含んでいる。

【００４３】測定光学系は、λ/４板７２とミラー６０
とλ/４板７３とミラー６３とレンズ１７とを含んでい
る。また、参照光学系は、ミラー６１とλ/４板７１と
ミラー６２とミラー６４とλ/４板７４とミラー６５を
含んでいる。

【００４４】変位計２５は、また、上述した光学素子を
固定するための二つの固定部材７と９と、これら二つの
固定部材７と９を固定する別の固定部材８とを有してお
り、偏光ビームスプリッター５０とミラー６０，６１，
６２とλ/４板７１，７２は固定部材７に固定され、偏
光ビームスプリッター５１とミラー６３，６４，６５と
λ/４板７３，７４は固定部材９に固定されている。

【００４５】上述した各光学素子で不要な反射光が発生
する面には反射防止コートが施されている。また、レン
ズ１７は、接触式プローブ８０の鏡面８０ａ上に常に焦
点が結ばれるように、公知のオートフォーカス機構(図
示せず)によって、被検物５のＸ方向とＹ方向の移動に
伴なう接触式プローブ８０の鏡面８０ａの高さの変化を
追従するように制御される。

【００４６】以下、変位計２５の測定光と参照光がそれ
ぞれ通過する光路、つまり測定光学系と参照光学系につ
いて説明する。

【００４７】He-Neレーザー１から射出したレーザー光
のビームは、偏光ビームスプリッター５０により、測定
光のビームと参照光のビームに分離される。偏光ビーム
スプリッター５０を透過した測定光のビームは、λ/４
板７２を透過し、ミラー６０で反射され、基準面４ａの
Ａ点で反射され、再びミラー６０で反射され、λ/４板
７２を再度透過し、再び偏光ビームスプリッター５０に
戻る。測定光のビームは、λ/４板７２の二回の透過に
より、その偏光方向が透過前のそれに対して９０°変化
しているため、今度は偏光ビームスプリッター５０で反
射され、偏光ビームスプリッター５１に方向付けられ
る。

【００４８】偏光ビームスプリッター５０からの測定光
のビームは、偏光ビームスプリッター５１で反射され、
λ/４板７３を透過し、ミラー６３で反射され、レンズ
１７により接触式プローブ８０の鏡面８０ａに集光さ
れ、そこで反射される。鏡面８０ａで反射された測定光
のビームは、再びミラー６３で反射され、λ/４板７３
を再度透過し、偏光ビームスプリッター５１に戻る。測
定光のビームは、λ/４板７３の二回の透過により、そ
の偏光方向が透過前のそれに対して９０°変化している
ため、今度は偏光ビームスプリッター５１を透過する。

【００４９】一方、偏光ビームスプリッター５０で反射
された参照光のビームは、ミラー６１で反射され、λ/
４板７１を透過し、ミラー６２で反射され、基準ミラー
４の基準面４ａのＢ点で反射される。基準面４ａで反射
された参照光のビームは、再びミラー６２で反射され、
λ/４板７１を再度透過し、再びミラー６１で反射され
て、偏光ビームスプリッター５０に戻る。参照光のビー
ムは、λ/４板７１の二回の透過により、その偏光方向
が透過前のそれに対して９０°変化しているため、今度
は偏光ビームスプリッター５０を透過し、偏光ビームス
プリッター５１に向かう。

【００５０】偏光ビームスプリッター５０からの参照光
のビームは、偏光ビームスプリッター５１を透過し、ミ
ラー６４で反射され、λ/４板７４を透過し、ミラー６
５で反射され、架台３の穴３ａを通り、基準ミラー４の
基準面４ａのＢ点で反射される。基準面４ａで反射され
た参照光のビームは、再びミラー６５で反射され、λ/
４板７４を再度透過し、再びミラー６４で反射され、偏
光ビームスプリッター５１に戻る。参照光のビームは、
λ/４板７４の二回の透過により、その偏光方向が透過
前のそれに対して９０°変化しているため、今度は偏光
ビームスプリッター５１で反射される。

【００５１】偏光ビームスプリッター５１を透過した測
定光と偏光ビームスプリッター５１で反射された参照光
とのビームは、偏光板１５により偏光方向がそろえら
れ、レンズ１１により光検出器１３に集光され、光検出
器１３によりビート周波数が検出される。

【００５２】以下、鏡面８０ａのＺ方向の変化を変位計
２５により検出する原理を説明する。ＸＹステージ６を
移動させた時、ＸＹステージ６の真直度不足のためにＺ
方向にずれることによるＡ点での周波数のずれ量をε
1、Ｂ点での周波数のずれ量をε2、鏡面８０ａのＺ方向
の変化による周波数のずれ量をΔｆとする。測定光は、
基準面４ａのＡ点で反射することによりドップラーシフ
トを起こし、その周波数はｆ1＋ε1となる。さらに接触
式プローブ８０の鏡面８０ａで反射することにより、周
波数は(ｆ1＋ε1)＋(Δｆ−ε1)＝ｆ1＋Δｆとなる。

【００５３】一方、参照光は、図の下方から入射して基
準面４ａのＢ点で反射することによりドップラーシフト
を起こし、その周波数はｆ2＋ε2となる。その後、図の
上方から入射して基準面４ａのＢ点で反射することによ
り、その周波数は(ｆ2＋ε2)−ε2＝ｆ2となる。従っ
て、偏光ビームスプリッター５１で結合された測定光と
参照光の結合光は、(ｆ1＋Δｆ)−ｆ2＝ｆ1−ｆ2＋Δｆ
のビート周波数を有し、これが光検出器１３で検出され
る。このビート周波数の変動を信号処理手段(図示せず)
により検出し、被検面の高さの変化量ΔＺが求められ
る。

【００５４】本実施形態では、測定光学系と参照光学系
は実質的に同じレイアウトで延びる光路を有しており、
それらはほぼ同じ長さの光路長を有している。測定光学
系を構成する光学部材と参照光学系を構成する光学部材
は共に固定部材７と９に保持され、固定部材７と９は固
定部材８に固定されている。このため、測定光学系と参
照光学系は、熱膨張による光路長Ｍ１とＭ３の伸び縮み
に対して、同じ距離だけ伸び縮みする。従って、光路長
Ｍ１とＭ３の伸び縮みは、測定光学系の光路長と参照光
学系の光路長に差を与えない。

【００５５】また、光路長Ｍ２とＭ４とＭ５の伸び縮み
は、測定光学系の光路長と参照光学系の光路長に差を与
えるが、光路長Ｍ２とＭ４とＭ５は、光路長Ｍ１とＭ３
に比べて非常に短く設定できるので、測定光学系の光路
長と参照光学系の光路長の差は最小限に抑えられる。

【００５６】このように本実施形態よれば、変位計２５
の測定光学系と参照光学系の温度変化による光路長の変
化がほぼ同じになるため、測定精度の低下を防ぐことが
できる。

【００５７】本実施形態では、基準ミラー４が測定光の
ビームと参照光のビームの両方を反射するため、第一実
施形態と比較して、必要な光学素子の点数が少なく、こ
れは装置のコストを低く抑えることに有益である。特
に、小さい被検物５に対しては、光路長Ｍ２を小さく設
定できるので、本実施形態は好適に適用可能である。

【００５８】本実施形態の各構成は、以上に述べた構成
に限定されるものではなく、様々な変形や変更が可能で
ある。例えば、偏光ビームスプリッター５０と測定光学
系を構成するλ/４板７２と参照光学系を構成する光学
素子ミラー６１とλ/４板７１とが一体的に形成されて
もよい。このように測定光学系と参照光学系を構成する
光学部材の一部を一体的に形成することは、環境温度の
変化による光路長の変化をさらに小さく抑え、測定精度
の向上にとって有益である。

【００５９】また、本実施形態では、変位計２５が固定
される一方で、架台３がＸＹステージ６により移動され
るが、これとは反対に、架台３が固定される一方で、変
位計２５がＸＹステージに支持されＸ方向とＹ方向に移
動されてもよい。

【００６０】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００６１】

【発明の効果】本発明よれば、変位計の測定光学系と参
照光学系の温度変化による光路長の変化がほぼ同じであ
るため、環境温度の変化に影響されずに高精度な測定を
行なえる形状測定装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る形状測定装置を概
略的に示している。

【図２】本発明の第二実施形態に係る形状測定装置を概
略的に示している。

【図３】従来例の形状測定装置を概略的に示している。

【符号の説明】

１ He-Neレーザー ３ 架台 ４ 基準ミラー ６ ＸＹステージ １０ レンズ １１ レンズ １３ 光検出器 １５ 偏光板 １９ 変位計 ２１，２２，２３，２４ 偏光ビームスプリッター ３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６ ミラー ４１，４２，４３，４４，４５ λ/４板 ４８ λ/２板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物を保持する架台と、 前記被検物の被検面の高さの変位を計測するための変位
   計と、 前記架台の前記被検物が保持される側の面に対して反対
   側の面に設けられた基準ミラーであって、前記変位計の
   計測方向に対して略垂直な基準面を持つ基準ミラーと、 前記架台と前記変位計のいずれか一方を前記変位計の計
   測方向に直交する方向に移動させるステージとを備えて
   いる形状測定装置であって、 前記変位計が、周波数ｆ1の測定光と周波数ｆ2の参照光
   を生成する光放射手段と、前記光放射手段により生成さ
   れた前記測定光と前記参照光を分離する光分離手段と、
   前記測定光が通過する測定光学系と、前記参照光が通過
   する参照光学系と、前記測定光学系を通過した測定光と
   前記参照光学系を通過した参照光を結合して干渉させる
   ための光結合手段と、干渉により発生するビート周波数
   の変動を検出するためのビート周波数検出手段と、検出
   されたビート周波数の変動に基づいて被検面の変位を求
   める信号処理手段とを備えている、形状測定装置におい
   て、 前記測定光が前記基準ミラーと前記被検物の被検面で反
   射されるとともに、前記測定光学系と前記参照光学系は
   実質的に同じレイアウトで延びる光路を有し、両者の光
   路長はほぼ同じ長さであることを特徴とする形状測定装
   置。
2. 【請求項２】 被検物を保持する架台と、 前記被検物の被検面の高さの変化に追従する、反射面を
   有する接触式プローブと、 前記接触式プローブの変位を計測するための変位計と、 前記架台の前記被検物が保持される側の面に対して反対
   側の面に設けられた基準ミラーであって、前記変位計の
   計測方向に対して略垂直な基準面を持つ基準ミラーと、 前記架台と前記変位計のいずれか一方を前記変位計の計
   測方向に直交する方向に移動させるステージとを備えて
   いる形状測定装置であって、 前記変位計が、周波数ｆ1の測定光と周波数ｆ2の参照光
   を生成する光放射手段と、前記光放射手段により生成さ
   れた前記測定光と前記参照光を分離する光分離手段と、
   前記測定光が通過する測定光学系と、前記参照光が通過
   する参照光学系と、前記測定光学系を通過した測定光と
   前記参照光学系を通過した参照光を結合して干渉させる
   ための光結合手段と、干渉により発生するビート周波数
   の変動を検出するためのビート周波数検出手段と、検出
   されたビート周波数の変動に基づいて被検面の変位を求
   める信号処理手段とを備えている、形状測定装置におい
   て、 前記測定光が前記基準ミラーと前記接触式プローブの反
   射面で反射されるとともに、前記測定光学系と前記参照
   光学系は実質的に同じレイアウトで延びる光路を有し、
   両者の光路長はほぼ同じ長さであることを特徴とする形
   状測定装置。