JP2014098690A - 校正装置、校正方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査部材を有する光学装置を高精度に校正する校正装置を提供する。
【解決手段】走査部材の回転によって物体上で光を走査する光学装置を校正する校正装置であって、走査部材からの光が照射される照射領域を含むターゲット部材と、照射領域で反射された光の光量を取得する取得部と、走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う処理部と、を有し、照射領域は、光が照射される位置に応じて、取得部で取得される光量が変化するように非平面で構成され、処理部は、照射領域の基準位置に光が照射されるように走査部材を回転させた状態において、照射領域で反射された光の光量を取得部によって取得する第１処理と、第１処理で取得した光量に基づいて、第１処理において領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２処理と、第２処理で算出した実照射位置と領域の基準位置とから校正値を求める第３処理と、を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、校正装置、校正方法及び計測装置に関する。

近年、被検体（物体）の形状を計測する装置として、計測面の上でプローブ（計測ヘッド）を走査する走査型形状計測装置（以下、「計測装置」と称する）の研究が進んでいる。かかる計測装置は、計測ヘッドから被検体に光を照射（投光）し、被検体で反射された光を検出することで計測ヘッドと被検体との間の距離を求め、その距離に基づいて被検体の形状を算出する。計測ヘッドは、通常、被検体に照射される光を２次元状に走査するためのガルバノミラーやポリゴンミラーなどを含む照射部と、被検体で反射された光を検出する検出部とを有している。

被検体の上の光の走査角度は、ガルバノミラーやポリゴンミラーの回転角度を検出することで求めることができる。但し、照射部を構成する光学素子の配置ずれなどによって、照射部が光を照射すべき位置（理想照射位置）と照射部が実際に光を照射している位置（実照射位置）との間にずれが生じる場合がある。従って、被検体の形状を正確に計測するためには、実照射位置を検出（確認）し、かかる実照射位置が理想照射位置と一致するように照射部を校正する必要がある。このような校正に関する技術については、特許文献１に提案されている。

図１３を参照して、特許文献１に提案されている技術、具体的には、１次元状に配置された平面ミラーを用いた校正装置１０００について説明する。校正装置１０００は、計測ヘッド１０１０を載置する載置部１０２０と、載置部１０２０を回転させる回転部１０３０と、ターゲット１０４０とを有する。ターゲット１０４０は、平面ミラーで構成され、図１３に示すように、１次元状に（例えば、ｘ軸に沿って）配置されている。回転部１０３０は、計測ヘッド１０１０の照射部から照射される光の位置（照射位置）をターゲット１０４０の配置方向と一致させる機能を有している。

計測ヘッド１０１０を載置した載置部１０２０を回転部１０３０によって回転させながら、ターゲット１０４０のそれぞれに対して計測ヘッド１０１０の照射部から光を順次照射し、ターゲット１０４０で反射された光を計測ヘッド１０１０の検出部で検出する。そして、計測ヘッド１０１０の検出部で検出された光に関する実データと、理想照射位置に光を照射した場合にターゲット１０４０で反射される光に関する基準データとを比較し、実照射位置と理想照射位置とのずれから、走査角度（のずれ）を算出する。

特開２００４−２４５６７２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ターゲットに平面ミラーを用いているため、走査角度の変化に対する検出部で検出される光（実データ）の変化が小さく、走査角度（のずれ）を高精度に検出することが困難である。

例えば、計測ヘッド（照射部）からターゲットまでの距離を１５０ｍｍ、被検体の上の光の直径を３０μｍとする。また、「光がターゲットに対して垂直に入射し、検出部で検出される光の光量が最大光量となる状態」を第１状態、「光がターゲットに対して傾いて入射し、検出部で検出される光の光量が最大光量の１／２となる状態」を第２状態とする。この場合、第１状態から第２状態にするためには、計測ヘッドの検出部の直前に直径３μｍのアパーチャを配置したとしても、走査角度を２２μｒａｄ変化させる必要がある。換言すれば、計測ヘッドの照射部から照射される光の位置が約６．４μｍも変化したとしても、検出部で検出される光の光量は１／２しか変化しない（即ち、敏感度が低い）ため、走査角度（のずれ）を高精度に検出することができない。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、走査部材を有する光学装置を高精度に校正するのに有利な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校正装置は、走査部材を有して当該走査部材の回転によって物体の上で光を走査する光学装置を校正する校正装置であって、前記走査部材からの光が照射される領域を含むターゲット部材と、前記領域で反射された光の光量を取得する取得部と、前記走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う処理部と、を有し、前記領域は、光が照射される位置に応じて、前記取得部で取得される光量が変化するように非平面で構成され、前記処理部は、前記領域の基準位置に光が照射されるように前記走査部材を回転させた状態において、前記領域で反射された光の光量を前記取得部によって取得する第１処理と、前記第１処理で取得した光量に基づいて、前記第１処理において前記領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２処理と、前記第２処理で算出した実照射位置と前記領域の基準位置とから前記校正値を求める第３処理と、を行うことを特徴とする。

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、走査部材を有する光学装置を高精度に校正するのに有利な技術を提供することができる。

本発明の一側面としての校正装置を有する計測装置の構成を示す概略図である。 図１に示す計測装置の計測ヘッドの具体的な構成の一例を示す図である。 図１に示す計測装置におけるターゲット部材を用いたガルバノミラーの回転角度の校正の原理を説明するための図である。 図１に示す計測装置のターゲット部材のミラー素子の曲率中心の直上から光を入射した場合におけるミラー素子の断面を示す図である。 光のｘ方向のずれ量とディテクタで検出される光量との関係を示す図である。 図１に示す計測装置において、ターゲット部材を用いたガルバノミラーの校正を具体的に説明するための図である。 図１に示す計測装置のターゲット部材に形成されたＸアライメントマークで反射された光の光量の一例を示す図である。 図１に示す計測装置の計測ヘッドのディテクタで検出されるシリンドリカルミラーで反射された光の光量の一例を示す図である。 本発明の一側面としての校正装置を有する計測装置の構成を示す概略図である。 図１に示す計測装置のターゲット部材の構成の一例を示す図である。 図１に示す計測装置のターゲット部材に構成される凸面の円錐形状のミラーを示す図である。 図１に示す計測装置において、ターゲット部材を用いたガルバノミラーの校正を具体的に説明するための図である。 １次元状に配置された平面ミラーを用いた校正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校正装置を有する計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、ガルバノミラー（走査部材）を含む計測ヘッド１０４を用いて、被検体（物体）ＭＴの形状を計測する３次元形状計測装置である。また、校正装置は、計測装置１、具体的には、計測ヘッド１０４のガルバノミラーの回転角度（のずれ）を校正する校正装置である。但し、校正装置は、ガルバノミラーを有し、かかるガルバノミラーの回転によって物体の上で光を走査する光学装置、例えば、レーザー加工装置などの校正にも適用することが可能である。

計測装置１は、定盤１０１と、ＸＹＺステージ１０２と、回転ステージ１０３と、計測ヘッド１０４と、ターゲット部材１０５と、処理部１０６とを有する。ここで、ターゲット部材１０５は、被検体ＭＴの形状を計測する際に用いられる部材ではなく、計測装置１を校正する際に用いられる部材である。また、処理部１０６は、ＣＰＵやメモリなどを含み、計測装置１の全体（動作）を制御する。例えば、処理部１０６は、被検体ＭＴの形状を計測する処理（即ち、被検体ＭＴで反射された光に基づいて被検体ＭＴの形状を算出する算出部として機能する）だけではなく、ガルバノミラーの回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う。このように、ターゲット部材１０５及び処理部１０６は、本実施形態において、校正装置の一部を構成する。

ＸＹＺステージ１０２は、定盤１０１の上に設置されている。また、ＸＹＺステージ１０２には、回転ステージ１０３及び計測ヘッド１０４が設置されている。計測ヘッド１０４は、被検体ＭＴに光を照射（投光）し、被検体ＭＴで反射又は散乱された光を検出することで、計測ヘッド１０４と被検体ＭＴとの値の距離を計測する。

図２を参照して、計測ヘッド１０４の具体的な構成の一例を説明する。計測ヘッド１０４は、ファイバポート２０１と、ハーフミラー２０２と、参照ミラー２０３と、ガルバノミラー２０４及び２０５と、ディテクタ２０６と、走査部２０７とを含む。ファイバポート２０１、ハーフミラー２０２、参照ミラー２０３、及び、ガルバノミラー２０４及び２０５は、被検体ＭＴに光を照射する照射部として機能する。また、ディテクタ２０６は被検体ＭＴで反射又は散乱された光を検出する検出部として機能する。走査部２０７は、ガルバノミラー２０４及び２０５を回転させて被検体ＭＴ又はターゲット部材１０５の上で光を走査する。

光源からの光は、ファイバなどを介して計測ヘッド１０４に導光され、ファイバポート２０１から射出される。ファイバポート２０１からの光は、ハーフミラー２０２に入射し、ハーフミラー２０２で反射される光と、ハーフミラー２０２を透過する光とに分離される。ハーフミラー２０２で反射された光は、参照ミラー２０３で反射され、参照光としてハーフミラー２０２に再び入射する。一方、ハーフミラー２０２を透過した光は、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射され、被検体ＭＴに照射される。被検体ＭＴ（の表面）で反射又は散乱された光は、被検光としてハーフミラー２０２に再び入射する。

ガルバノミラー２０４は、ｚ軸に沿って回転軸を有し、ガルバノミラー２０５は、ｙ軸に沿って回転軸を有する。従って、ガルバノミラー２０４を回転させると、被検体ＭＴの上で光がｙ軸方向に走査され、ガルバノミラー２０５を回転させると、被検体ＭＴの上で光がｘ軸方向に走査される。このように、計測ヘッド１０４は２つのガルバノミラー２０４及び２０５を含んでいるため、被検体ＭＴに対して、光を２次元状に走査しながら照射することができる。

ハーフミラー２０２に入射した参照光と被検光とは干渉光を形成する。ディテクタ２０６は、参照光及び被検光によって形成された干渉光を検出して干渉信号を出力する。処理部１０６は、ディテクタ２０６から出力される干渉信号に基づいて、参照光路長と被検光路長との差（光路長差）を算出する。光路長差の算出には、ある基準からの相対距離を求める方法、或いは、複数の波長の光を用いた測定から絶対距離を求める方法などを用いることができる。また、処理部１０６は、ＸＹＺステージ１０２の位置（座標）と、回転ステージ１０３の回転角度と、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度と、被検光路長（光路長差）に基づいて、被検体ＭＴの任意の点（実照射位置）の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。

図３を参照して、ターゲット部材１０５を用いたガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度の校正の原理について説明する。図３では、計測ヘッド１０４における被検光路のみを図示し、且つ、２つのガルバノミラー２０４及び２０５のうちガルバノミラー２０５のみを図示している。

ターゲット部材１０５は、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射された光が照射される領域を含み、かかる領域は、非平面で、具体的には、図３では、凸面の曲率を有するミラー素子（反射部材）３０１で構成され、２次元状に配置されている。但し、ミラー素子３０１は、光が照射される位置に応じて、例えば、ディテクタ２０６で検出される光量が変化するように構成されていればよく、凹面の曲率を有していてもよい。また、本実施形態では、ミラー素子３０１で反射された光の光量をディテクタ２０６で検出するが、ミラー素子３０１で反射された光の光量を検出する検出部をディテクタ２０６と別に設けてもよい。このように、ディテクタ２０６は、ミラー素子３０１で反射された光の光量を取得する取得部として機能し、本実施形態において、校正装置の一部を構成する。

図３は、ターゲット部材１０５の複数のミラー素子３０１のうちの１つに光が照射されている状態を示している。ガルバノミラー２０５で反射された光は、ミラー素子３０１（の表面）で反射され、ハーフミラー２０２を透過してディテクタ２０６に入射する。ミラー素子３０１で反射された光の光量は、ディテクタ２０６で検出される干渉光のコントラストから算出してもよいし、参照ミラー２０３からの光を遮蔽してミラー素子３０１で反射された光のみをディテクタ２０６で検出してもよい。ミラー素子３０１は、ガルバノミラー（走査部材）２０５に対して予め所定の位置に位置決めされている。

まず、図３（ａ）に示すように、ガルバノミラー２０５で反射された光の延長線上にミラー素子３０１の中心（曲率中心）Ｃが存在する場合を考える。この場合、ガルバノミラー２０５で反射された光は、ミラー素子３０１（の表面）で垂直反射してディテクタ２０６の検出面の中心部に入射する。また、図３（ｂ）に示すように、ガルバノミラー２０５で反射された光の延長線上にミラー素子３０１の中心Ｃが存在していない場合を考える。この場合、ガルバノミラー２０５で反射された光の延長線とミラー素子３０１の中心Ｃとがずれているため、ガルバノミラー２０５で反射された光は、ミラー素子３０１で垂直反射せず、ディテクタ２０６の検出面の中心部からずれた位置に入射する。このように、ミラー素子３０１とディテクタ２０６とが光学的に共役な関係ではない場合、ガルバノミラー２０５の回転角度の変化によって、ディテクタ２０６で検出される光量が変化する。従って、ディテクタ２０６で検出される光量に基づいて、ガルバノミラー２０５の回転角度を求めることができる。

ガルバノミラー２０５の回転角度とディテクタ２０６で検出されるミラー素子３０１で反射された光の光量（光量値）との関係を説明する。本実施形態では、光源からの光を、ファイバなどを介して計測ヘッド１０４に導光しているため、ディテクタ２０６の検出面の上でエアリーパターンを形成する。ここで、ガルバノミラー２０５の回転によるディテクタ２０６の検出面の中心とエアリーパターンの中心とのずれ量（即ち、ディテクタ２０６の検出面の中心と検出面におけるミラー素子３０１で反射された光の入射位置とのずれ量）をｄとする。また、ディテクタ２０６の検出面で検出されるエアリーパターンの積分領域の半径（即ち、ディテクタ２０６の検出面に入射するミラー素子３０１で反射された光の半径）をａとし、ディテクタ２０６の検出面における位置座標を（ｘ，ｙ）とする。この場合、ディテクタ２０６の検出面の中心とエアリーパターンの中心とのずれ量ｄとディテクタ２０６で検出される光量Ｉ_Ａｉｒｙとの関係は、以下の式（１）で表される。

式（１）において、Ｊ_１（ ）は第１種ベッセル関数を表し、ディテクタ２０６の検出面に入射する光はｙ方向にずれているものとしている。また、式（１）におけるずれ量ｄ及び積分領域の半径ａは、実際の系の変数で表すことができる。なお、実際の系の変数は、ミラー素子３０１の曲率半径Ｒ、ターゲット部材１０５に入射する光の半径（ビームスポット半径）ＢＳ、ディテクタ２０６の検出面の半径Ｒｄを含む。更に、実際の系の変数は、ガルバノミラー２０５からターゲット部材１０５までの距離ＷＤ１、ディテクタ２０６からターゲット部材１０５までの距離ＷＤ２も含む。

図４を参照して、実際の系の変数（Ｒ、ＢＳ、Ｒｄ、ＷＤ１、ＷＤ２）について説明する。図４は、ミラー素子３０１の曲率中心の直上から光を入射した場合におけるミラー素子３０１の断面を示す図である。

まず、ずれ量ｄと実際の系の変数（Ｒ、ＢＳ、Ｒｄ、ＷＤ１、ＷＤ２）との関係を説明する。ガルバノミラー２０５の回転角度θによるターゲット部材１０５（ミラー素子３０１）に入射する光のずれ量ｄ１は、ガルバノミラー２０５からターゲット部材１０５までの距離ＷＤ１を用いて、以下の式（２）で表される。

ミラー素子３０１の曲率半径Ｒを用いると、ミラー素子３０１に対して、垂直反射する位置からｄ１だけシフトした位置に垂直入射する光の反射角度θ_ｔは、以下の式（３）で表される。

また、ガルバノミラー２０５の回転角度θに対して、ミラー素子３０１で反射される光の反射角度θｒはθｒ＝２（２θ＋θ_ｔ）となる。従って、ミラー素子３０１で反射される光のずれ量ｄ２は、ディテクタ２０６からターゲット部材１０５までの距離ＷＤ２を用いて、以下の式（４）で表される。

従って、ガルバノミラー２０５の回転角度θに対して、ディテクタ２０６の検出面の中心とエアリーパターンの中心とのずれ量ｄは、以下の式（５）で表される。

次に、積分領域の半径ａと実際の系の変数（Ｒ、ＢＳ、Ｒｄ、ＷＤ１、ＷＤ２）との関係を説明する。ターゲット部材１０５に入射する光は、ＮＡが十分に小さい平行光であると仮定する。ディテクタ２０６の検出面の半径Ｒｄを用いると、ディテクタ２０６で検出される光のターゲット部材１０５における半径ｄ_Ａは、以下の式（６）で表される。これは、式（３）に示す反射角度θ_ｔで反射される光とディテクタ２０６の検出面の半径Ｒｄとが一致する関係から求められる。

従って、ターゲット部材１０５に入射する光の半径（エアリーパターンの第１暗環）ＢＳを式（６）に代入することで、積分領域の半径ａは、以下の式（７）で表される。

なお、ディテクタ２０６の検出面の前（入射面側）にアパーチャを配置し、必要な光のみを選択するように積分領域の半径ａを調整してもよい。

式（５）及び式（７）を式（１）に代入することによって、ガルバノミラー２０５の回転角度θに対して、ディテクタ２０６で検出される光量の理想値、即ち、理想光量Ｉ_Ａｉｒｙを算出することができる。

ディテクタ２０６で検出される光量が最大光量となるときのガルバノミラー２０５の回転角度を０とすると、最大光量とガルバノミラー２０５の回転角度がθ１であるときにディテクタ２０６で検出される光量との比率εは、以下の式（８）で表される。

例えば、実際の系の変数を、Ｒ＝１０ｍｍ、ＢＳ＝１５μｍ、Ｒｄ＝０．５ｍｍ、ＷＤ１＝１５０ｍｍ、ＷＤ２＝１５０ｍｍとすると、ｘ方向のずれ量ｄと光量Ｉ_Ａｉｒｙとの関係は、式（１）から図５の実線で示される。また、図５には、従来技術（即ち、ターゲット部材が平面ミラー（Ｒ＝∞、Ｒｄ＝０．００３ｍｍ）である場合）におけるｘ方向のずれ量と理想光量Ｉ_Ａｉｒｙとの関係も点線で示している。また、図５では、横軸に比率εを採用し、縦軸にｘ方向のずれ量ｄを採用している。

図５を参照するに、本実施形態では、ディテクタ２０６で検出される光量が最大光量に対して半減する（ε＝０．５）ときのずれ量ｄは０．２μｍであり、ガルバノミラー２０５の回転角度θは０．６７μｒａｄとなる。一方、従来技術では、ディテクタ２０６で検出される光量が最大光量に対して半減するときのずれ量ｄは６．４μｍであり、ガルバノミラー２０５の回転角度θは２２μｒａｄとなる。このように、本実施形態では、従来技術と比較して、ターゲット部材１０５に照射する光の位置ずれに対するディテクタ２０６で検出される光量の変化が約３０倍に大きくなっていることがわかる。従って、本実施形態では、ガルバノミラー２０５の回転角度を高精度に検出することができるため、ガルバノミラーの回転角度（のずれ）を高精度に校正することが可能となる。

図６を参照して、上述したようなガルバノミラーの回転角度の校正の原理、即ち、ターゲット部材１０５を用いたガルバノミラー２０４及び２０５の校正について具体的に説明する。ここでは、特に、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度を校正するための校正値を求める処理について説明する。また、図６に示すように、ターゲット部材１０５には、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射された光が照射される領域に凹面のシリンドリカルミラー６０１が構成されている。但し、シリンドリカルミラー６０１は、ディテクタ２０６で検出される光量が変化するように構成されていればよく、凸面のシリンドリカルミラーであってもよい。シリンドリカルミラー６０１は２次元状に配置され、シリンドリカルミラー６０１の軸はｘ方向及びｙ方向を含む複数の方向を向いている。また、シリンドリカルミラー６０１の曲率中心の位置（座標）は、接触式の３次元座標測定器（ＣＭＭ）を用いて高精度に校正されている。このように、ターゲット部材１０５に構成されているシリンドリカルミラー６０１の反射面の領域は、計測ヘッド１０４に対して、予め決められた位置（計測位置）に位置決めされている。換言すれば、シリンドリカルミラー２０５の反射面は、ガルバノミラー（走査部材）２０４に対して位置決めされている。

まず、定盤１０１に配置されたターゲット部材１０５の位置を計測し、計測ヘッド１０４を計測位置に移動させる。具体的には、ターゲット部材１０５に形成された平面ミラー６０３の直上に計測ヘッド１０４を移動させ、平面ミラー６０３に垂直に光を照射し、平面ミラー６０３で反射された光を検出することで、計測ヘッド１０４から平面ミラー６０３までの距離を求める。この際、ターゲット部材１０５に形成された３つ以上の平面ミラー６０３のそれぞれと計測ヘッド１０４との距離を求め、ターゲット部材１０５のｚ方向の位置及び傾き（θｘ、θｙ）を計測する。次いで、ターゲット部材１０５に形成されたＸアライメントマーク６０４及びＹアライメントマーク６０５のそれぞれの直上に計測ヘッド１０４を移動させる。Ｘアライメントマーク６０４及びＹアライメントマーク６０５は、本実施形態では、段差で構成されているが、反射膜などで構成してもよい。例えば、ｘ軸方向のアライメントに用いられるＸアライメントマーク６０４に光を照射すると、Ｘアライメントマーク６０４で反射された光の光量（測長値）は、図７に示すように、ターゲット部材１０５におけるｘ軸方向の位置に応じて変化する。図７を参照するに、Ｘアライメントマーク６０４で反射された光の光量が大きく変化する位置からＸアライメントマーク６０４の位置を特定することができる。図７では、横軸にターゲット部材１０５におけるｘ軸方向の位置を採用し、縦軸にＸアライメントマーク６０４で反射された光の光量を採用している。このように、Ｘアライメントマーク６０４及びＹアライメントマーク６０５を用いることで、ターゲット部材１０５の位置（ｘｙ平面上の位置）を計測する。そして、かかるターゲット部材１０５の位置に基づいて、計測ヘッド１０４を計測位置に移動させる。本実施形態では、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関してはターゲット部材１０５の中央の位置、ｚ軸方向に関してはターゲット部材１０５から距離ＷＤだけ離れた位置を計測ヘッド１０４の計測位置とする。この際、ターゲット部材１０５から計測ヘッド１０４、詳細には、ガルバノミラー２０４までの距離も一義的に決まる。

計測ヘッド１０４を計測位置に移動させたら、ターゲット部材１０５のシリンドリカルミラー６０１の基準位置（曲率中心の位置）に光が照射されるようにガルバノミラー２０５を回転させる。そして、この状態において、シリンドリカルミラー６０１で反射された光の光量（の変化）をディテクタ２０６で検出する。図８は、ディテクタ２０６で検出されるシリンドリカルミラー６０１で反射された光の光量の一例を示す図である。図８では、横軸にターゲット部材１０５におけるｘ軸方向の位置を採用し、縦軸にシリンドリカルミラー６０１で反射された光の光量を採用している。図８を参照するに、シリンドリカルミラー６０１の曲率中心の位置で光量が最大（最大光量）となる。かかる最大光量に対応する位置（ｘ座標）からガルバノミラー２０５の反射点のｘ軸方向の位置までの距離をＬ_ｘ１とすると、ガルバノミラー２０５の回転角度θ_ｘ１は、以下の式（９）で表される。

また、シリンドリカルミラー６０１の曲率中心のｘ軸方向の位置からガルバノミラー２０５の反射点のｘ軸方向の位置までの基準距離をＬ_ｘ０とすると、ガルバノミラー２０５の基準角度θ_ｘ０は、以下の式（１０）で表される。なお、シリンドリカルミラー６０１の曲率中心のｘ軸方向の位置は、上述したＣＭＭを用いた校正において得られている。

基準角度θ_ｘ０と回転角度θ_ｘ１との差分Δθ_ｘ（＝θ_ｘ１−θ_ｘ０）がガルバノミラー２０５の回転角度の校正値（補正値）となる。この校正値を、ターゲット部材１０５に形成された全てのシリンドリカルミラー６０１について算出することで、ガルバノミラー２０５で反射された光が照射される２次元領域において、ガルバノミラー２０５の回転角度を高精度に校正することが可能となる。具体的には、処理部１０６のメモリなどに校正値を保持し、ガルバノミラー２０５の回転角度を走査角度ごとに校正することで、ガルバノミラー２０５で反射された光の実照射位置を高精度に制御することができる。

このように、ガルバノミラー２０５の回転角度を校正するための校正値を求める処理としては、以下の３つの処理（第１処理、第２処理及び第３処理）を行えばよい。第１処理は、ターゲット部材１０５のシリンドリカルミラー６０１の基準位置に光が照射されるようにガルバノミラー２０５を回転させた状態において、シリンドリカルミラー６０１で反射された光の光量をディテクタ２０６で検出する。第２処理は、ディテクタ２０６で検出した光量に基づいて、第１処理においてシリンドリカルミラー６０１に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する。第３処理は、第２処理で算出した実照射位置とシリンドリカルミラー６０１の基準位置との差分からガルバノミラー２０５の回転角度を校正するための校正値を求める。

また、本実施形態では、シリンドリカルミラー６０１を２次元状に形成しているため、ｘ軸方向の誤差とｙ軸方向の誤差とが組み合わさって発生する回転角度のずれも検出することができる。換言すれば、シリンドリカルミラー６０１を２次元状に形成することで、シリンドリカルミラー６０１を１次元状に形成する場合よりも高精度にガルバノミラー２０５の回転角度を校正することが可能となる。

本実施形態の計測装置１によれば、ガルバノミラー２０５の回転角度のずれを高精度に校正することが可能であり、被検体ＭＴに対して計測ヘッド１０４から照射される光（ガルバノミラー２０５で反射された光）の位置を高精度に制御することができる。従って、計測装置１は、被検体ＭＴの形状を高精度に計測することができる。

また、図９に示すように、回転ステージ１０３によって計測ヘッド１０４が９０度回転した場合を考える。この場合、自重などの変形などに起因して回転ステージ１０３、計測ヘッド１０４、及び、ガルバノミラー２０４及び２０５は、図６に示す状態とは異なる状態となるため、図６に示す状態とは異なる回転角度のずれがガルバノミラー２０４及び２０５に発生する。従って、図９に示すように、ターゲット部材１０５をｘｙ平面に平行に配置して、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度を校正する必要がある。なお、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度の校正については、図６に示すｚ軸方向が図９に示すｙ軸方向に、図６に示すｘｙ平面が図９に示すｘｚ平面に置換されるだけであるため、ここでの詳細な説明は省略する。

また、ターゲット部材１０５には、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射された光が照射される領域に、図１０に示すような位相シフト素子７０１及び平面ミラー７０２が構成されていてもよい。位相シフト素子７０１は、左側の領域７０１ａと右側の領域７０１ｂとの間の光路長差（を有する段差）によって、λ／４の位相差を発生させる。従って、ターゲット部材１０５に照射された光は、位相シフト素子７０１を透過して平面ミラー７０２で反射され、位相シフト素子７０１の領域７０１ａと領域７０１ｂとでλ／２の位相差を発生する。

位相シフト素子７０１の上で光を走査させると、位相シフト素子７０１の中心位置（領域７０１ａと領域７０１ｂとの境界）に到達したときに、ディテクタ２０６で検出される光量が０となる。これは、位相シフト素子７０１の領域７０１ａを通過した光と位相シフト素子７０１の領域７０１ｂを通過した光とが位相差によって光量を打ち消し合うからである。従って、図１０に示すような位相シフト素子７０１及び平面ミラー７０２が構成されたターゲット部材１０５は、従来技術と比較して、２倍の敏感度を得ることができる。

また、ターゲット部材１０５には、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射された光が照射される領域に、図１１に示すような凸面の円錐形状のミラー素子８０１が構成されていてもよい。ターゲット部材１０５の上で光をｘ軸に沿って走査すると、ミラー素子８０１の中心に対してｘ軸の正負で光の反射角度が大きく変化する。従って、ミラー素子８０１は、凸面の曲率を有するミラー素子３０１と同様に、従来技術と比較して、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度のずれに対する敏感度を向上させることができる。なお、ミラー素子８０１は、光が照射される位置に応じてディテクタ２０６で検出される光量が変化するように構成されていればよく、凹面の円錐形状を有していてもよいし、凹面又は凸面の角錐形状を有していてもよい。

また、ターゲット部材１０５には、ガルバノミラー２０４及び２０５で反射された光が照射される領域に、反射率分布を有する反射部材が構成されていてもよい。例えば、反射部材の中央付近の反射率を周りの反射率よりも高くすることで、光が照射される位置に応じてディテクタ２０６で検出される光量が変化するように構成することができる。従って、反射率分布を有する反射部材は、凸面の曲率を有するミラー素子３０１と同様に、従来技術と比較して、ガルバノミラー２０４及び２０５の回転角度のずれに対する敏感度を向上させることができる。

また、図１２に示すように、ターゲット部材１０５を保持して移動する微動ステージ９０１を用いることで、ガルバノミラーの回転角度を校正するための校正値をより高精度に（高分解能で）求めることが可能となる。

具体的には、まず、微動ステージ９０１に保持されたターゲット部材１０５をｘｙ平面に水平に配置して、上述したように、ガルバノミラーの回転角度を校正する。

次に、微動ステージ９０１をｘ軸方向に微少量ΔＬだけ移動させる。この状態におけるガルバノミラーの基準角度θ’_ｘ０は、以下の式（１１）で表される。

従って、微動ステージ９０１の移動の前後で、ｘ軸方向のガルバノミラーの角度に微小な差が生じるため、ガルバノミラーの回転角度を校正するための校正値をより細かい間隔の角度で求めることが可能となる。換言すれば、ターゲット部材１０５を保持した微動ステージ９０１を移動させる処理と、ターゲット部材１０５のミラー素子３０１で反射された光の光量をディテクタ２０６で検出する処理とを交互に複数回行うことで、校正値をより高精度に求めることができる。同様に、微動ステージ９０１をｙ軸方向に微少量だけ移動させることで、ｙ軸方向のガルバノミラーの回転角度を校正するための校正値をより細かい間隔の角度で求めることができる。

上述した実施形態では、光学装置の走査部材としてガルバノミラーを用いた場合について説明した。但し、走査部材としては、光束を偏角する機能を有する部材であればよく、ガルバノミラーの他に、ポリゴンミラーやプリズムを用いてもよい。また、音響工学素子（ＡＯＭ）を用いて光束を偏向（走査）させてもよい。ＡＯＭ結晶にピエゾ素子を用いて超音波（高周波）を加え、周波数を変えることで光束を走査することができる。

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 (12)

1. 走査部材を有して当該走査部材の回転によって物体の上で光を走査する光学装置を校正する校正装置であって、
   前記走査部材からの光が照射される領域を含むターゲット部材と、
   前記領域で反射された光の光量を取得する取得部と、
   前記走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う処理部と、を有し、
   前記領域は、光が照射される位置に応じて、前記取得部で取得される光量が変化するように非平面で構成され、
   前記処理部は、
   前記領域の基準位置に光が照射されるように前記走査部材を回転させた状態において、前記領域で反射された光の光量を前記取得部によって取得する第１処理と、
   前記第１処理で取得した光量に基づいて、前記第１処理において前記領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２処理と、
   前記第２処理で算出した実照射位置と前記領域の基準位置とから前記校正値を求める第３処理と、
   を行うことを特徴とする校正装置。
2. 前記領域は、凹面又は凸面を有するミラーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
3. 前記領域は、凹面又は凸面のシリンドリカルミラーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
4. 前記取得部は、前記領域で反射された光を検出する検出面を有する検出部を含み、
   前記検出面における位置座標を（ｘ，ｙ）、前記検出面の中心と前記検出面における前記領域で反射された光の入射位置とのずれ量をｄ、前記検出面に入射する前記領域で反射された光の半径をａ、第１種ベッセル関数をＪ_１（ ）とすると、
   前記領域に光が照射されたときに前記取得部で取得される理想光量Ｉ（ｄ、ａ）は、
   

   

   で表され、
   前記領域における校正値は、前記理想光量Ｉ（ｄ、ａ）から算出されることを特徴とする請求項２又は３に記載の校正装置。
5. 前記領域は、反射する光の位相差がλ／４となる光路長差を有する段差を含む素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
6. 前記領域は、凹面又は凸面の円錐形状のミラーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
7. 前記ターゲット部材には、複数の前記領域が２次元状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
8. 前記ターゲット部材を保持して移動するステージを更に有し、
   前記処理部は、前記ステージの移動と前記第１処理とを交互に複数回行うことを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
9. 走査部材を有して当該走査部材の回転によって物体の上で光を走査する光学装置を校正する校正装置であって、
   前記走査部材からの光が照射される領域を含むターゲット部材と、
   前記領域で反射された光の光量を取得する取得部と、
   前記走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う処理部と、を有し、
   前記領域は、光が照射される位置に応じて、前記取得部で取得される光量が変化する反射率分布を有する反射部材で構成され、
   前記処理部は、
   前記領域の基準位置に光が照射されるように前記走査部材を回転させた状態において、前記領域で反射された光の光量を前記取得部によって取得する第１処理と、
   前記第１処理で取得した光量に基づいて、前記第１処理において前記領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２処理と、
   前記第２処理で算出した実照射位置と前記領域の基準位置とから前記校正値を求める第３処理と、
   を行うことを特徴とする校正装置。
10. 前記光学装置は、前記走査部材と、前記物体で反射された光を検出する検出部とを含む計測ヘッドを有し、前記物体の形状を計測する計測装置であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の校正装置。
11. 走査部材を有して当該走査部材の回転によって物体の上で光を走査する光学装置を、前記走査部材からの光が照射される領域を含むターゲット部材を用いて校正する校正方法であって、
    前記領域の基準位置に光が照射されるように前記走査部材を回転させた状態において、前記領域で反射された光の光量を検出する第１ステップと、
    前記第１ステップで検出した光量に基づいて、前記第１ステップにおいて前記領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２ステップと、
    前記第２ステップで算出した実照射位置と、前記領域の基準位置とから前記走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める第３ステップと、を有し、
    前記領域は、光が照射される位置に応じて、検出される光量が変化するように非平面で構成されていることを特徴とする校正方法。
12. 物体の形状を計測する計測装置であって、
    走査部材と、
    前記走査部材を回転させて物体の上で光を走査する走査部と、
    前記走査部材からの光が照射される領域を含むターゲット部材と、
    前記物体で反射された光及び前記領域で反射された光を検出する検出部と、
    前記検出部で検出した前記物体で反射された光に基づいて前記物体の形状を算出する算出部と、
    前記走査部材の回転角度を校正するための校正値を求める処理を行う処理部と、を有し、
    前記領域は、光が照射される位置に応じて、前記検出部で検出される光量が変化するように非平面で構成され、
    前記処理部は、
    前記領域の基準位置に光が照射されるように前記走査部材を回転させた状態において、前記領域で反射された光の光量を前記検出部によって検出する第１処理と、
    前記第１処理で検出した光量に基づいて、前記第１処理において前記領域に対して光が実際に照射された実照射位置を算出する第２処理と、
    前記第２処理で算出した実照射位置と前記領域の基準位置とから前記校正値を求める第３処理と、
    を行うことを特徴とする計測装置。

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