JP2012247361A - 面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検面の形状を高精度に計測する。
【解決手段】被検面１０の形状を計測する面形状計測装置であって、光源１からの光を参照光と被検光とに分割して被検光を被検面１０に照射する計測ヘッド１１０と、計測ヘッド１１０を収納する収納部と、光源１からの光を計測ヘッド１１０へ入射させ、被検面１０に対する被検光の入射角度を変える変更部１２０と、被検面１０で反射され計測ヘッド１１０に戻ってくる被検光と参照光との干渉光を検出する検出部と、計測ヘッド１１０の位置を計測する位置計測部１１６−１１８と、検出結果および計測結果を用いて被検面１０の形状を求める処理部９とを備え、変更部１２０は、光源１からの光を計測ヘッド１１０の収納部の外側から計測ヘッド１１０に入射させ、光源１からの光が計測ヘッド１１０に入射する位置を変えることによって入射角度を変える。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検面の形状を計測する面形状計測装置に関する。

近年、カメラ、複写機、望遠鏡、露光装置などに搭載される光学系には、非球面、自由曲面、起伏が大きい面または傾斜角が大きい面があり、これらの面の形状を計測する面形状計測装置が必要とされている。

特許文献１には三次元形状計測装置が開示されている。この計測装置は、微小開口を通して被検面に球面波を照射し、被検面で反射し微小開口を通して戻ってくる光（戻り光）を利用して被検面の形状を計測する。より具体的には、この計測装置は、光軸に対する戻り光の傾斜角を傾斜角計測部により検出し、被検面を走査したときの被検面上の光の反射位置と微小開口との距離の変化量を検出部によって検出する。そして、この計測装置は、検出した傾斜角および変化量に基づいて被検面の形状を求める。

特開２００２−１１６０１０号公報

特許文献１に記載された装置では、微小開口から被検面に球面波を照射して、被検面からの反射光を検出することによって、被検面の形状を求めている。被検面に照射する光の照射範囲が広いと、被検面の法線方向に反射して微小開口を通して戻ってくる光以外の光がノイズの原因となるばかりでなく、光の利用効率に優れない。そのため、被検面に放射する光は、被検面の狭い範囲のみに照射するのが望ましい。

そこで、その球面波の一部に相当する細い光線束を被検面に照射し、光線束移動機構により被検面上の球面波が入射する領域をその細い光線束で走査することが考えられる。しかし、その細い光線束を走査するには、何らかの光学素子等を移動させるための駆動機構が必要となる。その駆動機構を計測ヘッド内に設けると、その駆動源の発熱によって計測ヘッド内の光学素子の温度変化または空気揺らぎにより、計測誤差の要因となり、計測精度を悪化させるという問題を生ずる。

そこで、本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、被検面の形状を高精度に計測することができる面形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、被検面の形状を計測する面形状計測装置であって、光源からの光を参照光と被検光とに分割して、前記被検光を前記被検面に照射する計測ヘッドと、前記計測ヘッドを収納する収納部と、前記光源からの光を前記計測ヘッドへ入射させ、前記被検面に対する前記被検光の入射角度を変える変更部と、前記被検面で反射され前記計測ヘッドに戻ってくる前記被検光と、前記参照光との干渉光を検出する検出部と、前記計測ヘッドの位置を計測する位置計測部と、前記検出部の検出結果および前記位置計測部の計測結果を用いて前記被検面の形状を求める処理部とを備え、前記変更部は、前記光源からの光を前記計測ヘッドの収納部の外側から前記計測ヘッドに入射させ、前記光源からの光が前記計測ヘッドに入射する位置を変えることによって前記入射角度を変えることを特徴とする。

本発明によれば、被検面の形状を高精度に計測することができる。

計測ヘッドを用いた被検面の面形状計測を説明するための図である。 （ａ）第１実施形態における面形状計測装置の概略構成を示す正面図である。（ｂ）第１実施形態における面形状計測装置の概略構成を示す側面図である。 （ａ）第１実施形態における計測ヘッドおよび投受光部の概略構成を示す正面図である。（ｂ）第１実施形態における計測ヘッドおよび投受光部の概略構成を示す上面図である。 計測ヘッドの基準座標を決定する方法を説明するための図である。 計測ヘッドの基準点を決定する方法を説明するための図である。 （ａ）（ｂ）計測ヘッドからの距離を算出する基準を決定する方法を説明するための図である。 （ａ）第２実施形態における面形状計測装置の概略構成を示す正面図である。（ｂ）第２実施形態における面形状計測装置のＺスライドの上面図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明に係る面形状計測装置は、例えば、カメラ、複写機、望遠鏡、露光装置などに用いられるレンズ、ミラー、金型などの物体の滑らかに連続した面形状を計測するために好適である。

まず、面形状計測装置の基本原理について説明する。図１に、被検面１０に対して移動可能な計測ヘッド１１０を用いて被検面１０の面形状を計測する場合の図を示す。説明を簡単にするため、計測ヘッド１１０は球面波を放射し、その球面波の中心を基準点Ｆとする場合を示している。基準点は計測ヘッドに対して定められた位置にあり、計測ヘッドの位置を後述の位置計測部を用いて計測することにより、基準点の位置が検出される。（ｓ，ｔ，ｕ）は、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心すなわち基準点Ｆの座標である。点Ｃは点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする球面波が被検面１０において反射して基準点Ｆに戻っていく、被検面１０上の点であり、点Ｃの座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。

ｑは、点Ｃと点Ｆとの間の距離であり、点Ｆから被検面１０へ引いた垂線の長さでもある。ｎ＝（α，β，γ）は、被検面１０の点Ｃにおける単位法線ベクトルである。面形状計測装置は、計測ヘッド１１０を走査しながら基準点Ｆの位置（座標）と距離ｑを計測し、その結果から被検面１０上の点Ｃの座標群、即ち、面形状を決定する。

点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする半径ｑの球面上にあるから、式（１）が成り立つ。

ここで、式（１）の両辺を、ｓ，ｔ，ｕで偏微分すると、式（２）が得られる。

単位法線ベクトルの性質により、α＝∂ｑ／∂ｓ、β＝∂ｑ／∂ｔ、γ＝∂ｑ／∂ｕであるから、式（２）は、式（３）、（４）のようにベクトル形式で表現することができる。

式（４）を使うことにより、計測ヘッド１１０の基準点Ｆの位置（ｓ，ｔ，ｕ）と、距離ｑとから、単位法線ベクトル（α β γ）が得られる。それを式（３）に代入することにより、被検面１０上の点Ｃの座標群（ｘ ｙ ｚ）、即ち被検面１０の面形状を求めることができる。

したがって、計測ヘッド１１０の基準点Ｆの位置と距離ｑとを計測することにより被検面１０の面形状を求めることができる。

なお、離散的な計測データの処理においては、偏分は差分として扱われるので、式（４）は、差分形式である式（５）と等価である。

また、面形状計測装置は、計測ヘッド１１０を走査しながら点Ｆの座標と、単位法線ベクトルｎ＝（α，β，γ）を計測し、その結果から被検面１０上の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）の座標群、即ち、面形状を決定してもよい。

式（４）は、積分形式で式（６）として表すことができる。

ただし、ｑ_０は積分定数である。

したがって、計測ヘッド１１０の基準点Ｆの位置（ｓ，ｔ，ｕ）と、点Ｃから基準点Ｆへ向けての単位法線ベクトル（α β γ）とから、式（６）により距離ｑが得られる。求められた距離ｑを式（３）に代入することによって、被検面１０上の点Ｃの座標群（ｘ ｙ ｚ）、即ち被検面１０の面形状を求めることができる。このように、面形状計測装置は、基準点と被検面との間の距離、または、被検面から基準点への法線の方位を計測する第２計測部を有する。

上述のように、被検面に照射する光は、被検面の狭い範囲のみに照射するのが望ましい。そこで、本実施形態では、その球面波の一部に相当する細い光線束を被検面に照射し、光線束移動機構により被検面上の球面波が入射する領域をその細い光線束で走査する。しかし、その細い光線束を走査するには、何らかの光学素子等を移動させるための駆動機構が必要となる。その駆動機構を計測ヘッド内に設けると、その駆動源の発熱によって計測ヘッド内の光学素子の温度変化または空気揺らぎにより、計測誤差の要因となり、計測精度を悪化させるという問題を生ずる。

そのため、本実施形態では、駆動機構を計測ヘッドから離して別体に設けて、駆動源の発熱による影響を避ける構造とする。

ただし、光線束移動機構と計測ヘッドが離れると、光線束移動機構と計測ヘッドの支持部材の振れにより、光線束移動機構を通過した光線束が計測ヘッドへ一定の入射角で入射せず、ズレが起こり、計測誤差要因となるという問題がある。そのため、本実施形態では、計測ヘッドと光線束移動機構とを離して別体に設け、計測ヘッドの傾き角を検出し、計測誤差が生じないように、傾き角による基準点の位置変化を補正する。

図２は、第１実施例における面形状計測装置の概略構成の断面図である。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図である。図２（ａ）は図２（ｂ）におけるＢＢ´断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡＡ´断面図である。

本実施形態に係る面形状計測装置は、ベース定盤１０１と、ベース定盤１０１によって支持された基準フレーム１０２と、基準フレーム１０２に取り付けられた基準平面ミラー１０３〜１０５とを備えている。基準平面ミラー１０３は計測ヘッド１１０のｘ位置を計測するためのミラーである。基準平面ミラー１０４は計測ヘッド１１０のｙ位置を計測するためのミラーである。基準平面ミラー１０５は計測ヘッド１１０のｚ位置を計測するためのミラーである。ベース定盤１０１によって支持されたワークホルダー１０６は、被検面１０を有する被検物を保持する。

面形状計測装置は、更に、計測ヘッド１１０を走査する走査機構として、Ｘスライド１０７（支持部材）、Ｙスライド１０８（支持部材）、Ｚスライド１０９（支持部材）を含むＸＹＺステージ機構を備えている。計測ヘッド１１０は、計測ヘッドを収納する筺体（収納部）を介してＺスライド１０９に支持されている。Ｚスライド１０９は支持点１１９でＸスライド１０７で支持され、不図示の駆動機構によりｚ軸方向に駆動される。Ｘスライド１０７は、Ｙスライド１０８に搭載されており、不図示の駆動機構によりｘ軸方向に駆動される。Ｙスライド１０８は、ベース定盤１０１に搭載されており、不図示の駆動機構によりｙ軸方向に駆動される。これにより、計測ヘッド１１０と被検面１０との相対位置は３次元で変更可能である。

ヘテロダイン干渉測長のための２周波数発振レーザー１から射出された光は、偏波面保存ファイバー２により、ファイバー入力コリメータ３に導光される。コリメータ３より出射された光は、Ｙスライド１０８に取り付けられたミラー８０、Ｘスライド１０７に取り付けられたミラー８１、ミラー８２（不図示）、８３、８４で反射される。ミラー８４で反射された光は、Ｚスライド１０９に取り付けられたミラー８５、８６で反射され、Ｚスライド１０９に取り付けられた無偏光ビームスプリッタ８７、８８によりレーザー干渉計１１６、１１７、１１８へ導光される。

ここで、レーザー干渉計１１６、１１７、１１８は、計測ヘッド１１０のｘ位置、ｙ位置、ｚ位置の計測用の干渉計（位置計測部）である。レーザー干渉計１１６、１１７、１１８で得られる干渉信号は、不図示の光ファイバーを通して信号処理ユニット７に送信される。Ｘスライド１０７、Ｙスライド１０８、Ｚスライド１０９は、ＸＹＺステージ制御ユニット８によって制御される。

面形状計測装置は、当該面形状計測装置のｘｙｚ座標系の原点を定める原点ユニット１２１を備えている。原点ユニット１２１は、その内部に不図示の凹球面を有し、その球面の曲率中心が面形状計測装置のｘｙｚ座標系の原点とされている。

図２（ａ）に示すコンピューター（処理部）９は、計測ヘッド１１０の走査経路を設定する機能、計測データ群を取得する機能、被検面１０の面形状を３次元座標群として求める機能を含む。また、走査経路の座標を校正する機能、被検面１０の面形状の計測結果を補正する機能を含む。コンピューター９は走査経路を表す座標群を生成し、ＸＹＺステージ機構の制御ユニット８は、その座標群に基づいて、ＸＹＺステージ機構における不図示の駆動機構を制御して計測ヘッド１１０を走査経路に沿って走査する。コンピューター９は、信号処理ユニット７を介して走査経路における計測ヘッド１１０からの距離情報ｑとレーザー干渉計１１６、１１７、１１８からの計測ヘッド１１０の位置情報を取得する。また、コリメータ２１９（図３参照）からの計測ヘッド１１０の傾斜情報（傾き角度）を取得し、これらを計測データ群として取得する。コンピューター９は、これらの計測データ群を用いた演算処理を行い、被検面１０の面形状を３次元座標群として求めたり、走査経路の座標を校正したり、被検面１０の面形状の計測結果を補正したりする。

次に、計測ヘッド１１０と、計測ヘッド１１０とは別体に設けられた投受光部１２０を説明する。図３は、主に計測ヘッド１１０と投受光部１２０を示す概略断面図である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は上面図である。なお、別体とは、投受光部１２０が、計測ヘッド１１０を収納する収納部の外側に設けられていることを意味し、例えば、計測ヘッド１１０と投受光部１２０とが別々の筺体内に設けられていることを含む。

計測ヘッド１１０と投受光部１２０とはトワイマングリーン型の干渉計を構成している。レーザー光源４は、ヘテロダイン干渉測長のための２つの光線束（これらは、偏光方向が互いに直交し、周波数が互いに僅かに異なる）を同一光路上に出射する。また、レーザー光源４は計測ヘッド１１０に提供する２つの光線束の周波数差によるビートを含む基準ビート信号を生成し、信号処理ユニット７に送信する。レーザー光源４からの光は偏波面保存ファイバー５により、投受光部１２０に取り付けられたファイバー入力コリメータ６に導かれる。

投受光部１２０は、投受光部１２０を収納する筺体（収納部）を介してＺスライド１０９に取り付けられ、Ｚスライド１０９がＸスライド１０７に支持されている支持点１１９近傍に備えられている。そのため、ＸＹＺ方向各駆動時にかかる応力によるＺスライド１０９の変形に起因する投受光部１２０の位置および角度の変化が抑えられる。

コリメータ６から出射された光線束は、投受光部１２０内の透明な平行平板２０１、２０２を透過する。平行平板２０１はｘ軸回り、平行平板２０２はｚ軸回りに回転可能であり、平行平板２０１、２０２はそれぞれモータ２１３、２１４によって回転される。平行平板２０１、２０２を回転させることで、レーザー光源４からの光をＺ方向とＸ方向に平行シフトすることができる。つまり、コリメータ６から出射された光線束を走査することができる。

このように、投受光部１２０は、平行平板２０１、２０２、モータ２１３、２１４を用いて計測ヘッド１１０に入射する光の入射位置を変えることができる。これにより被検面１０に対する光の入射角度を変える。平行平板２０１、２０２、モータ２１３、２１４は該入射位置を変える変更部（光線束移動機構）を構成する。図示のように、計測ヘッド１１０と投受光部１２０とは別体に設けられている。

平行平板２０２を透過した光は、Ｚスライド１０９のアーム先端に取り付けられた計測ヘッド１１０に導かれる。計測ヘッド１１０に入射した光は、ビームスプリッタ２１６により分割され、ビームスプリッタ２１６で反射した光はミラー２１７によって更に反射され、投受光部１２０に戻る。ハーフミラー２１６とミラー２１７の反射面はｚ軸回りに９０度の角度をなすように設置されており、ｚ軸回りには入射光と戻り光の平行が保たれる。ｘ軸回りには、入射光線束に対して、計測ヘッド１１０の傾きに応じてその２倍の角度をなして反射光が戻るように構成されている。投受光部１２０に戻った光は、平行平板２０２とｚ軸回りに反対方向に同じ角度だけ回転するように構成された平行平板２１８によって、平行平板２０２によって平行シフトした方向に同じ量だけ戻される。平行平板２０２を透過した光は平行平板２０１に入射し、出射光が平行シフトしたのと同じ量だけ戻され、コリメータ２１９に入射する。コリメータ２１９はＣＣＤなどの二次元撮像素子を有し、光が入射した位置や光の強度分布を検出することができる。二次元撮像素子で検出された信号を用いれば光の入射角度も求めることができる。上記構成により、コリメータ６を出射した光に対して、計測ヘッド１１０のｘ軸回りの傾き角を求めることができる。このように、計測ヘッド１１０は、計測ヘッド１１０の傾き角度を計測する傾き計測部を有する。

一方、ビームスプリッタ２１６を透過した光は、偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。偏光ビームスプリッタ２０３に入射した光のうちＰ成分が透過し、Ｓ成分が反射して、互いに直交する偏光方向をもつ直線偏光光に分かれる。偏光ビームスプリッタ２０３を透過した光（参照光）は参照面２０４側へ進み、偏光ビームスプリッタ２０３で反射した光（被検光）は被検面１０側へ進む。参照面２０４へ進んだ光はλ／４板２２０で円偏光に変換されて参照面２０４で反射され、再びλ／４板２２０を透過して直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ２０３に戻る。偏光ビームスプリッタ２０３に戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ２０３に対してＳ成分の直線偏光となっているので、偏光ビームスプリッタ２０３で反射して反射プリズム２０５側へ進む。

一方、偏光ビームスプリッタ２０３で反射して被検面１０側へ進んだ光は、λ／４板２０９で円偏光に変換されて対物レンズ２１０に入射する。対物レンズ２１０に入射した光は、対物レンズ２１０の集光点２１１（点Ｆ）を曲率中心とする球面波（球面波の一部）を構成し、被検面１０で反射される。被検面１０で反射した光のうち、被検面１０の法線方向に反射して点Ｆに戻っていく光が被検光として対物レンズ２１０に再度入射し、λ／４板２０９へ戻る。λ／４板２０９へ戻ってきて、λ／４板２０９を透過した光は、偏光ビームスプリッタ２０３に対してＰ成分の直線偏光となっているので、透過して反射プリズム２０５側へ進む。

参照面２０４で反射された参照光と被検面１０で反射された被検光は干渉光となり、反射プリズム２０５およびミラー２１６、２１７により投受光部１２０に戻される。投受光部１２０へと戻された干渉光は、再び平行平板２０２、２０１を透過し、出射光が平行シフトされた量と同じ量だけ戻される。そして、集光レンズ２０６および遮蔽部材２０７の開口を経て、干渉信号検出ユニット２０８（検出部）に至り、測定ビート信号（干渉信号）が検出される。干渉信号検出ユニット２０８は、ＣＣＤ等の二次元の光強度分布を検出できる光電変換素子を有する。

干渉信号検出ユニット２０８で検出された信号（検出結果）は、不図示のケーブルを介して信号処理ユニット７に送信される。信号処理ユニット７において、レーザー光源４からの基準ビート信号と、干渉信号検出ユニット２０８からの測定ビート信号との周波数差を積分することにより、参照光（参照面２０４）と被検光（被検面１０）との光路長差の変化が検出される。

集光レンズ２０６の集光点は、対物レンズ２１０の集光点２１１（点Ｆ）と共役な関係を有する。遮蔽部材２０７には開口が設けられ、集光レンズ２０６の集光点およびその近傍に集光してきた光のみを通過させる。これにより、被検面１０で反射された光のうち被検面１０の法線方向に反射して点Ｆに戻ってくる光のみが干渉信号検出ユニット２０８に入射する。

そのため、参照光と被検光との光路長差の変化は、点Ｆからの光が反射して点Ｆに戻っていく被検面１０上の反射位置（点Ｃ）と、集光点２１１（点Ｆ）との光路長の変化と等価である。したがって、点Ｃと点Ｆとの距離ｑを検出することができる。

なお、遮蔽部材２０７を集光レンズ２０６と干渉信号検出ユニット２０８との間に配置することにより、集光点２１１には部材を配置しないので、計測ヘッド１１０の走査範囲を広くすることができる。

点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の座標は、レーザー干渉計１１６、１１７、１１８、及びコリメータ２１９を使って計測される。点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）と点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）との距離ｑは、投受光部１２０及び計測ヘッド１１０を使って計測される。前述のとおり、被検面１０上の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、式（３）、（４）、（５）のように表現することができる。計測ヘッド１１０を走査経路に沿って走査しながらレーザー干渉計１１６、１１７、１１８、及びコリメータ２１９によって点Ｆの位置を計測する。その計測とともに、投受光部１２０及び計測ヘッド１１０からなる距離計測系によって距離ｑを計測する。そして、式（３）、（４）、（５）に従って、被検面１０上の点Ｃの座標群、即ち面形状を求めることができる。

計測ヘッド１１０を走査経路に沿って走査しながら、レーザー干渉計１１６、１１７、１１８、及びコリメータ２１９によって点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の位置を計測する。その計測とともに、投受光部１２０及び計測ヘッド１１０からなる距離計測系によって距離ｑを計測することによって、次のような計測データ群が得られる。なお、添え字として付された１、２、・・・、ｊ、・・・、Ｎは、データの番号を意味する。

このデータ群のうち、ｊ番目の計測点における単位法線ベクトルｎｊ＝（αｊ，βｊ，γｊ）を、次のようにして求めることができる。

ｊ番目の点の近傍に位置する計測点として、ｊ番目の計測点を含めて（ｋ＋１）個の計測点を選ぶ。このとき、（ｋ＋１）個の計測点のうち少なくとも３点は同一直線上には並ばないように選ぶ。選んだ各計測点において、前述の式（５）の関係を適用して次の連立方程式が得られる。

ただし、

である。

また、単位法線ベクトルの性質から、

である。

式（６）は、前記計測点の選び方により、２以上の独立な行を含む。したがって、式（７）の条件のもとに式（６）へ最小二乗法を適用して、ｊ番目の計測点における単位法線ベクトルｎｊ＝（αｊ，βｊ，γｊ）を決定することができる。この結果を式（３）に適用することにより、ｊ番目の計測点における被検面１０の座標Ｃｊ（ｘｊ，ｙｊ，ｚｊ）が次のように定まる。

これを各計測点について行うことにより、被検面１０の面形状を表す座標点の集合を式（１２）のように決定することができる。

ここで、レーザー干渉計１１６、１１７、１１８、及びコリメータ２１９によって、計測ヘッド１１０の基準点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を計測する方法について説明する。通常、レーザー干渉計は、インクリメンタル型の測長計であるから、原点からの変位量を検出することにより位置を計測する。本実施形態では、原点を提供する構成として原点ユニット１２１が使用される。原点ユニット１２１により提供される面形状計測装置の原点に計測ヘッド１１０が放射する球面波の中心すなわち基準点Ｆを一致させ、そのときにレーザー干渉計１１６、１１７、１１８、及びコリメータ２１９によって提供される値を原点に対応する値とする。

図４を参照してより詳細に説明すると、原点ユニット１２１に備えられている凹球面１２２の曲率中心が面形状計測装置の原点１２３である。この原点１２３と計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心すなわち基準点Ｆとが一致したとき、凹球面１２２で反射された光線束が全て計測ヘッド１１０に戻るので、信号処理ユニット７に提供される測定ビート信号の振幅は最も強いものとなる。測定ビート信号の振幅が最大になる位置をもって、原点ユニット１２１により提供される面形状計測装置の原点と計測ヘッド１１０の基準点Ｆとが一致していると判断することができる。これにより、レーザー干渉計１１６、１１７、１１８の計測値が、基準点Ｆの座標（ｓ、ｔ、ｕ）を与えることになる。

ここで、計測ヘッド１１０の傾き角度を考慮した、基準点Ｆ（ｓ、ｔ、ｕ）の位置の求め方について、図５を使って説明する。対物レンズ２１０の光軸と入射光線束が平行である場合の集光位置を原点とし、装置座標のＸＹＺ各軸に対応したｓｔｕ座標を考える。焦点距離がｆである対物レンズ２１０の光軸に対して、ｓｔｕ座標及び計測ヘッド１１０への入射光線束１３０に対して、計測ヘッド１１０がｓ軸回りに角度θｓ傾くと、角度θｓはコリメータ２１９によって検出される。対物レンズ２１０は計測ヘッド１１０内に固定されているから、計測ヘッド１１０と同じ傾きとなる。計測ヘッド１１０及び対物レンズ２１０がｓｔｕ座標原点を中心にｓ軸回りにθｓ回転した座標系をｓ’ｔ’ｕ’座標と定義する。計測ヘッド１１０に入射した光線束１３０は、計測ヘッド１１０内のミラー２０５で反射され、ｕ軸となす角は２θｓとなるから、対物レンズ２１０の光軸に対する入射角はθｓとなる。対物レンズ２１０の光軸と対物レンズ２１０への入射光が平行である場合の集光点１２４に対して、入射光がθｓだけ傾いて入射した時のｔ’方向への集光位置のズレ量δｔ’は次式で表される。

対物レンズ２１０の光軸と対物レンズ２１０への入射光が平行である場合の集光点１２４の座標（ｓ、ｔ、ｕ）又は（ｓ’、ｔ’、ｕ’）に対して、入射光がθｓだけ傾いて入射した時のｓ’ｔ’ｕ’座標上での集光点の座標は（ｓ’、ｔ’＋δｔ’、ｕ’）となる。これをｓｔｕ座標に座標変換が必要で、ｓ軸回りの座標変換は次式で表わされる。

以上から、ｓｔｕ座標上の集光点の座標は、

となり、これが基準座標となる。

次に、計測ヘッド１１０によって、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心点すなわち基準点Ｆと、基準点Ｆからの光が被検面１０において法線方向に反射して基準点Ｆに戻っていく点Ｃとの距離ｑを計測する方法を説明する。計測ヘッド１１０も、インクリメンタル型の測長計を構成している。そこで、基準点Ｆと点Ｃとの距離ｑが分かっている状態で計測ヘッド１１０から提供される値が基準とされる。そして、その値からの変化量を変位量に換算することにより距離ｑを計測することができる。

図６（ａ）、（ｂ）を参照してより詳細に説明する。図６（ａ）は、基準点Ｆが被検面１０上の点と一致するように計測ヘッド１１０を位置決めした状態を示している。このとき、距離ｑはゼロである。また、この状態において計測ヘッド１１０から放射される球面波は、頂点反射の状態（いわゆるキャッツアイの状態）で、被検面１０により反射されるので、計測ヘッド１１０に戻る光線束が最も多い。したがって、信号処理ユニット７に提供される測定ビート信号の振幅は最も強いものとなる。測定ビート信号の振幅が最大になるときの計測値を基準点Ｆと点Ｃとの距離ｑの基準値Ｑ０として決定することができる。図６（ｂ）は、図６（ａ）の状態から、計測ヘッド１１０を走査して、他の位置へ移動させた状態を示している。前述の如く、計測ヘッド１１０は、基準点Ｆと点Ｃとの間の光路長の変化を計測する構成を有する。したがって、このときの読み値をＱとすると、求める距離ｑはｑ＝Ｑ−Ｑ０となる。

以上のように、計測ヘッド１１０を走査しながら、計測ヘッド１１０の基準点Ｆの位置と、基準点Ｆから被検面１０までの垂直距離ｑとを計測することにより、被検面１０の面形状を計測することができる。

なお、計測ヘッド（プローブ）を走査して形状を計測する面形状計測装置においては、計測ヘッドが小型であり、軽量であることが望ましい。計測ヘッドが小型であることは、計測装置において計測ヘッドが占める空間を小さくし走査可能範囲を広くすることに寄与する。また、計測ヘッドが軽量であることは、計測ヘッドの移動により計測装置の構造体へ偏加重がかかることによる構造体の微小な変形を少なくし計測精度を安定化するために寄与する。

そのため、本実施形態によれば、被検面で反射して点Ｆに戻ってくる光線束の角度（方位）、または、基準点Ｆと点Ｃとの距離ｑを検出するための検出器を計測ヘッドとは別に設けることによって、計測ヘッドの構成が簡素化される。ただし、基準点と被検面との間の距離を検出するための検出器、および、被検面から基準点への法線の方位を検出するための検出器を、投受光部１２０内または計測ヘッド１１０内に設けてもよい。

更に、被検面に照射する光を、被検面の狭い範囲のみに照射するようにしたことよって、被検面で反射して点Ｆに戻る以外の光を減少させることができ、光の利用効率に優れる。

また、その細い光線束を走査する機構を計測ヘッドから離して設置したことで、対物レンズ、光学系の温度変化、空気揺らぎによる計測系のエラー要因を低減することができる。

更に、光線束の走査を、平行平板を回転させることで行うようにしたことで、回転軸の振動等による平行平板の位置変化及び角度変化に起因する光線束の角度変化を生じることが無い。そして、光線束を走査する機構を計測ヘッドから離して設置したことによる誤差因子の増加が抑えられる。

また、計測ヘッドの傾き角度を検出し、検出された角度を用いて被検面の面形状計測の基準位置に反映する。そのため、計測ヘッドと投受光部が離れていて計測ヘッド走査時の振動等による振れがあっても、計測精度の劣化を抑えることができる。つまり、被検面を高精度に計測することができる。

次に、図７に基づいて本発明の第２実施形態の面形状計測装置について説明する。図７（ａ）は本実施形態における面形状計測装置の正面図、図７（ｂ）は面形状計測装置のＺスライド１０９の上面図である。

第１実施形態の面形状計測装置では、計測ヘッドおよび投受光部を用いて計測ヘッド１１０の傾き角度を検出するようにしていた。本実施形態の面形状計測装置では、レーザー干渉計１１８に導光される光を分岐し、ｚ方向の位置を２点（複数箇所）で検知することにより、計測ヘッド１１０について、基準面に対するｘ軸回りの角度を検出できるようにしている。

図７（ａ）に示すミラー８６で反射され、干渉計１１８へと導かれる光は、無偏光ビームスプリッタ１２６で分岐され、レーザー干渉計１２７へと導かれる。レーザー干渉計１１８、１２７により、基準平面ミラー１０５を基準としたｚ位置を検出することができる。レーザー干渉計１１８、１２７で得られる干渉信号は、不図示の光ファイバーを通して信号処理ユニット７に提供される。他に、第１実施形態との差異は、図３（ｂ）で示したハーフミラー２１６、ミラー２１７、平行平板２１８およびコリメータ２１９が不要な点である。他の構成は第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。

上記構成により、第１実施形態と同様の効果が得られ、更に光学ヘッド１１０を小型・軽量化することができる。また、このように構成することで、基準点２１１と被検面１０との距離または方位の測定に供される測定光を途中で分岐しないため、測定光の利用効率が向上する。

なお、角度計測器として専用の光源を有するオートコリメータを支持点１１９近傍に設置し、計測ヘッド１１０の傾き角度を検知するようにしても上記と同様の効果が得られる。

また、第１実施形態および第２実施形態においては、計測ヘッド１１０のｘ軸回りの傾き角度のみを検知するようにしているが、ｙ軸回り、ｚ軸周りの傾き角度（回転角）も検知できるように構成し、面形状計測の基準位置に反映してもよい。この場合、図８に示すように、装置座標であるＸＹＺ座標系に対応し、対物レンズの光軸と対物レンズへの入射光が平行であるときの対物レンズの集光点を原点とした座標系ｓｔｕを定義する。計測ヘッドの、ｓｔｕ各軸の２軸乃至３軸の傾きが検出できれば、極座標系で対物レンズの光軸傾き及び入射光の傾きθと方位φが分かり、集光点のｓｔｕ各軸のズレ量δｓ、δｔ、δｕは、対物レンズの焦点距離をｆとし、次のように表すことができる。

以上から、（ｓ＋δｓ、ｔ＋δｔ、ｕ＋δｕ）が基準座標となる。

このように構成し、計測ヘッドの傾き角度を検出し、面形状計測の基準位置に反映することで、計測ヘッド走査時の振動等による計測ヘッドの振れがあっても、計測精度の劣化を抑えることができる。

次に、上述の実施例に記載の面形状計測方法または装置を用いた光学素子の製造方法について説明する。まず、上述の実施例に記載の面形状計測方法または装置を用いて、光学素子（レンズやミラーなど）の被検面の面形状を計測する。そして、該計測された面形状のデータを用いて、当該被検面を所望の面形状に加工することにより光学素子を製造する。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (8)

1. 被検面の形状を計測する面形状計測装置であって、
   光源からの光を参照光と被検光とに分割して、前記被検光を前記被検面に照射する計測ヘッドと、
   前記計測ヘッドを収納する収納部と、
   前記光源からの光を前記計測ヘッドへ入射させ、前記被検面に対する前記被検光の入射角度を変える変更部と、
   前記被検面で反射され前記計測ヘッドに戻ってくる前記被検光と、前記参照光との干渉光を検出する検出部と、
   前記計測ヘッドの位置を計測する位置計測部と、
   前記検出部の検出結果および前記位置計測部の計測結果を用いて前記被検面の形状を求める処理部とを備え、
   前記変更部は、前記光源からの光を前記計測ヘッドの収納部の外側から前記計測ヘッドに入射させ、前記光源からの光が前記計測ヘッドに入射する位置を変えることによって前記入射角度を変えることを特徴とする面形状計測装置。
2. 前記計測ヘッドの傾き角度を計測する傾き計測部を有し、
   前記処理部は、前記傾き計測部の計測結果も用いて前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１に記載の面形状計測装置。
3. 前記計測部は、前記計測ヘッドに入射した後に前記計測ヘッド内の光学素子で反射された光を検出することによって前記傾き角度を計測することを特徴とする請求項２に記載の面形状計測装置。
4. 前記計測部は、前記計測ヘッドを支持する支持部材の複数箇所の位置を計測することによって前記傾き角度を計測することを特徴とする請求項２に記載の面形状計測装置。
5. 前記計測ヘッドからの光の集光点を基準点とし、
   前記検出部の検出結果を用いて、前記基準点と前記被検面との間の距離を求め、
   前記処理部は、前記基準点の座標を（ｓ，ｔ，ｕ）、前記基準点から前記被検面までの距離をｑ、前記被検面上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とした場合、
   
   に基づいて前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の面形状計測装置。
6. 前記計測ヘッドからの光の集光点を基準点とし、
   前記検出部の検出結果を用いて、前記被検面から前記基準点への法線の方位を求め、
   前記処理部は、前記基準点の座標を（ｓ，ｔ，ｕ）、前記被検面から前記基準点への単位法線ベクトルを（α β γ）、前記被検面上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、ｑ０を定数としたときに、
   
   に基いて前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の面形状計測装置。
7. 光源からの光を参照光と被検光とに分割して、前記被検光を被検面に照射する計測ヘッドと、前記計測ヘッドを収納する収納部とを備える計測装置を用いて、前記被検面の形状を計測する面形状計測方法であって、
   前記光源からの光を前記計測ヘッドへ入射させ、前記被検面に対する前記被検光の入射角度を変える変更ステップと、
   前記被検面で反射され前記計測ヘッドに戻ってくる前記被検光と、前記参照光との干渉光を検出する検出ステップと、
   前記計測ヘッドの位置を計測する位置計測ステップと、
   前記検出ステップの検出結果および前記位置計測ステップの計測結果を用いて前記被検面の形状を求めるステップとを備え、
   前記変更ステップにおいて、前記光源からの光を前記計測ヘッドの収納部の外側から前記計測ヘッドに入射させ、前記光源からの光が前記計測ヘッドに入射する位置を変えることによって前記入射角度を変えることを特徴とする面形状計測方法。
8. 光学素子の製造方法であって、
   請求項１に記載の面形状計測装置を用いて前記光学素子の被検面の面形状を計測するステップと、
   該計測された面形状のデータを用いて、前記被検面を加工するステップとを有することを特徴とする製造方法。