JP2017044633A - 形状計測装置、形状計測方法及び部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状計測のサイクルタイムの短縮化を図る。
【解決手段】ステージ装置１０３は、ステージユニット１２０とＺステージ１２５とを有する。ステージユニット１２０は、θｚ回転ステージ１２２とθｙ回転ステージ１２４とを有する。θｙ回転ステージ１２４は、回転中心軸１２４Ｃまわりに回転して、光軸１０１Ｃに対して被検物Ｗを傾斜可能に構成されている。θｚ回転ステージ１２２は、θｙ回転ステージ１２４により傾斜され、各円上部分領域に光が照射されるよう非球面軸ＷＣまわりに被検物Ｗを回転させる。Ｚステージ１２５は、シャックハルトマンセンサの共役面上に部分領域が移動するよう、ステージユニット１２０を光軸１０１Ｃと平行な方向に直動させる。ステージユニット１２０は、円Ｃ２２上の点において被検面ＷＡに対し垂直な法線ＷＮと非球面軸ＷＣとの交点ＷＩと、回転中心軸１２４Ｃとが一致するよう構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸対称面の面形状を計測する形状計測装置、形状計測方法及び部品の製造方法に関する。

近年、カメラ、光学ドライブ等の光学機器において、軸対称面として、大開角又は大口径の軸対称非球面を有する光学部品が多用されている。これらの光学機器の高精度化に伴い、光学部品の形状も高精度化が求められている。このような大開角又は大口径の軸対称非球面の光学部品の高精度な形状を実現するためには、光学部品の形状を高精度に計測し、設計形状との差を求め、そのデータを用いて修正加工することが必要となる。

大開角又は大口径の光学部品の形状計測手法として、干渉計を用いたスティッチング計測が提案されている（特許文献１）。この方法では、大開角の光学部品を複数の計測領域に分割し、それぞれの分割した部分領域の形状を干渉計で計測する。このようにして計測した複数の部分領域の形状を繋ぎ合わせる（スティッチング）ことにより、被検面の形状を全面に亘って取得する。各部分領域の形状を計測するには、光学部品（被検物）を移動させるステージが必要となる。このステージとして、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の直動ステージと、θｘ（Ｘ軸まわりの回転）、θｙ（Ｙ軸まわりの回転）、θｚ（Ｚ軸まわりの回転）の回転ステージとを有する６軸方向に駆動するステージを用いるのが一般的である。部分領域の切り替えをこの６軸方向に駆動するステージを用いて行い、全ての部分領域の形状測定を行う。この方法であれば、光学系の開角を上回る開角を持つ光学部品であっても、光学部品の形状を計測することができる。

特表２０１１−５１８３２２号公報

軸対称面を有する光学部品を高速で量産するためには、形状計測も高速で行う必要がある。しかし、特許文献１に記載の方法では、計測する部分領域を切り替える際、光学部品を駆動する駆動軸の数が多かった。即ち、部分領域を切り替える際、光軸に対して光学部品を傾斜させる傾斜ステージ（θｙ回転ステージ）と、光軸と平行な方向に直動させる直動ステージ（Ｚステージ）と、光軸と直交する方向に直動させる直動ステージ（Ｘステージ）の駆動が必要であった。例えば、光学部品の中心軸を中心とする部分領域から中心軸を中心とする円上の点を中心とする部分領域を計測対象とする際、部分領域が計測位置に移動するように、傾斜ステージの駆動のほか、光軸に平行な方向及び直交する方向の２軸の駆動が必要であった。

特に、近年、軸対称非球面を有する光学部品は、さらに開角と非球面量が増している。このような光学部品に特許文献１のようなスティッチング計測手法を導入した場合、部分領域を切り替える際に、２軸の直動ステージの駆動量が大きくなっていた。そのため、特許文献１に記載の方法では、測定する部分領域を切り替えるための駆動軸が多く、且つ、駆動する駆動量が大きかったため、各部分領域への移動するための駆動時間が長くなり、形状計測のサイクルタイムが長くなるという問題があった。

そこで、本発明は、形状計測のサイクルタイムの短縮化を図ることを目的とする。

本発明の形状計測装置は、計測光を照射する光源と、軸対称面である被検面を有する被検物が搭載され、前記被検面の中心軸を中心とする円上の複数の点のそれぞれを中心とする複数の円上部分領域を含む前記被検面の複数の部分領域に、順次、前記計測光が照射されるよう、前記被検物を移動させるステージ装置と、前記複数の部分領域からのそれぞれの反射光を検出する検出部と、前記ステージ装置の駆動を制御して前記ステージ装置に前記被検物を移動させて、前記検出部に検出されたそれぞれの前記反射光の波面から前記各部分領域の部分形状データを算出して、前記各部分形状データを繋ぎ合せることにより、前記被検物の被検面の形状を計測する処理部と、を備え、前記ステージ装置は、回転中心軸まわりに回転して、前記計測光の光軸に対して前記被検物を傾斜可能に構成された傾斜ステージと、前記被検物を支持し、前記傾斜ステージにより傾斜され、前記各円上部分領域に前記計測光が照射されるよう前記中心軸まわりに前記被検物を回転させる回転ステージと、を有するステージユニットと、前記検出部の共役面上に前記部分領域が移動するよう、前記ステージユニットを前記光軸と平行な方向に直動させる直動ステージと、を有しており、前記ステージユニットは、前記円上の点において前記被検面に対し垂直な法線と前記中心軸との交点と、前記回転中心軸とが一致するよう構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、スティッチング測定において、形状計測のサイクルタイムが短くなる。

第１実施形態に係る形状計測装置を示す模式図である。 第１実施形態において被検面上での部分領域の配置を示す模式図である。 （ａ）は被検物とステージ装置との位置関係を示す正面図であり、（ｂ）は被検物とステージ装置との位置関係を示す側面図である。 第１実施形態に係る形状計測装置を用いて被検面をスティッチング計測する流れを示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は第１実施形態における形状計測方法の各工程を説明するためのステージ装置の模式図である。 （ａ）はθｙ回転ステージを駆動する前の状態を示す被検物の模式図であり、（ｂ）はθｙ回転ステージを傾斜角度θだけ駆動した後の状態を示す被検物Ｗの模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置を示す正面図である。 （ａ）は第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置の一部を示す正面図である。（ｂ）は第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置の一部を示す側面図である。 第２実施形態における形状計測装置において被検物を傾斜させた状態を示すステージ装置の模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は第３実施形態において被検面上での部分領域の配置を示す模式図である。 第３実施形態に係る形状計測装置のステージ装置を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は第３実施形態における形状計測方法の各工程を説明するためのステージ装置の模式図である。 第４実施形態に係る形状計測装置を示す模式図である。 （ａ）は比較例のステージ装置の構成においてθｙ回転ステージを駆動する前の状態を示す被検物の模式図である。（ｂ）は比較例のステージ装置の構成においてθｙ回転ステージを傾斜角度θだけ駆動した後の状態を示す被検物の模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
（形状計測装置の概略構成）
図１は、第１実施形態に係る形状計測装置を示す模式図である。第１実施形態において、被検物Ｗは、例えばレンズやミラー等の光学部品（光学素子）であり、その表面が被検面ＷＡである。被検面ＷＡは、軸対称面、より具体的には軸対称非球面である。また、図１中、Ｚ軸は、被検面ＷＡに照射する計測光の光軸１０１Ｃと平行な方向、Ｘ軸は、Ｚ軸に直交する方向、Ｙ軸は、ＸＺ軸に直交する方向である。

形状計測装置１００は、光源１０１と、光学系１０２と、ステージ装置１０３と、検出部としてのシャックハルトマンセンサ１０４と、演算装置であるコンピュータ１０５とを備えている。

光源１０１は、装置光軸（光軸）１０１Ｃを中心とする軸対称な球面波の光（計測光）を出射（照射）する。

光学系１０２は、ビームスプリッタ１１１と、レンズ１１２，１１３とを有する。ビームスプリッタ１１１、レンズ１１２及びステージ装置１０３は、被検面ＷＡに照射される計測光の光軸１０１Ｃに沿って順次配置されている。ステージ装置１０３に搭載された被検物Ｗの被検面ＷＡには、光源１０１からの光が照射される。レンズ１１３及びシャックハルトマンセンサ１０４は、ビームスプリッタ１１１に対して光軸１０１Ｃに直交する方向に順次配置されている。

ステージ装置１０３は、スティッチング計測の際に、被検面ＷＡの複数の部分領域に順次光が照射されるよう、搭載された被検物Ｗの被検面ＷＡを移動させるものである。ステージ装置１０３は、コンピュータ１０５に接続されている。ステージ装置１０３は、コンピュータ１０５からの指令に基づき、被検物Ｗを図１に定義したＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ（Ｘ軸まわりの回転）、θｙ（Ｙ軸まわりの回転）、θｚ（Ｚ軸まわりの回転）の６軸方向に位置及び姿勢を調整するために駆動する。

ステージ装置１０３は、ステージユニット１２０と、ステージユニット１２０を光軸１０１Ｃと平行な方向（Ｚ軸方向）に直動させる直動ステージであるＺステージ１２５とを有する。また、ステージ装置１０３は、ステージユニット１２０を光軸１０１Ｃに直交し、互いに直交する２軸であるＸＹ軸方向に直動させる直動微動ステージであるＸＹ微動ステージ１２６を有する。また、ステージ装置１０３は、ステージユニット１２０をＸＹ軸まわりに傾斜させる傾斜微動ステージであるαβ微動ステージ１２７を有する。

ステージユニット１２０は、被検物Ｗを支持する支持台としてのサンプル支持台１２１を有する。被検物Ｗは、サンプル支持台１２１上に設置される。サンプル支持台１２１の上面には、不図示の位置決めピンが複数本（例えば２本）設置されており、被検物Ｗの側面を不図示の位置決めピンに付き当ててサンプル支持台１２１に設置することにより、所定の機械精度で被検物Ｗの取付が可能となっている。

また、ステージユニット１２０は、サンプル支持台１２１を支持し、回転中心軸１２２Ｃまわりに回転して、被検物Ｗを被検物Ｗの中心軸である非球面軸ＷＣまわりに回転させる回転ステージであるθｚ回転ステージ１２２を有する。θｚ回転ステージ１２２の回転中心軸１２２Ｃは、被検物Ｗの非球面軸ＷＣに対し平行となっている。

また、ステージユニット１２０は、θｚ回転ステージ１２２を支持するステージ支持台１２３と、ステージ支持台１２３を支持して、回転中心軸１２４Ｃまわりに回転して被検物Ｗを傾斜させる傾斜ステージであるθｙ回転ステージ１２４と、を有する。θｙ回転ステージ１２４の回転中心軸１２４Ｃは、Ｙ軸に対し平行となっている。

シャックハルトマンセンサ１０４は、レンズアレイであるマイクロレンズアレイ１３１と、撮像センサ（撮像素子）１３２と、を有する。マイクロレンズアレイ１３１は、入射光を分割した光を集光して複数の光のスポットを形成する複数のマイクロレンズ（レンズ）１３３を有する。複数のレンズ１３３は、図１に示すＹＺ平面内においてアレイ状（正方状）に等間隔に配列されている。撮像センサ１３２は、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサである。

コンピュータ１０５は、処理部であるＣＰＵ１４１と、記憶部であるメモリ１４２と、を有している。コンピュータ１０５には、表示部であるモニタ１０６が接続されている。

光源１０１から出射された光は、ビームスプリッタ１１１を通過し、レンズ１１２を透過して収束光となる。この収束光は、被検物Ｗの被検面ＷＡで反射される。被検面ＷＡで反射された光は、再びレンズ１１２を透過し、ビームスプリッタ１１１で反射されてレンズ１１３で平行光に変換され、シャックハルトマンセンサ１０４に入射する。レンズ１１２、ビームスプリッタ１１１及びレンズ１１３により、被検面ＷＡはシャックハルトマンセンサ１０４のマイクロレンズアレイ１３１に結像されている。

シャックハルトマンセンサ１０４のマイクロレンズアレイ１３１に入射した光はそれぞれのマイクロレンズ１３３で集光され、撮像センサ１３２上に光スポット群を形成する。光スポット群のデータはコンピュータ１０５に取り込まれ、それぞれの光スポットの光量重心から光スポットの位置が求められ、モニタ１０６に結果が表示される。

この際、マイクロレンズアレイ１３１に入射する波面が平面波であれば、光スポットの位置はマイクロレンズ１３３各々の光軸１３３Ｃになる。被検面ＷＡは、マイクロレンズアレイ１３１に対し、レンズ１１２，１１３、ビームスプリッタ１１１を介して結像関係にあり、マイクロレンズアレイ１３１の共役面に配置されることとなる。よってマイクロレンズアレイ１３１の一つの要素（マイクロレンズ１３３）は、被検面ＷＡの一つの領域に対応している。また、被検面ＷＡが大きな非球面量を有する場合であっても、シャックハルトマンセンサ１０４にはそのダイナミックレンジに収まる波面が入射することとなる。

被検面ＷＡの一つの領域に投射している球面波からの差であるスロープエラーがあるとその一つの領域のスロープエラーの平均値に依存して、その一領域に対応するレンズアレイ１３１の光スポット位置が基準位置からずれる。基準位置はあらかじめ参照平面波を用いて基準となる光スポットが撮像センサ１３２上でどの位置あるのかを校正データとして取得してある。この参照平面による基準光スポット位置と被検面ＷＡからの反射した光スポット位置とを比較して入射光の波面収差を求めることで被検面ＷＡの基準からの誤差を計算する。光スポットの基準位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。測定原器からの反射光を基準とした場合、測定結果は原器形状からの差分になる。

（スティッチング計測の概要と部分領域の配置についての説明）
第１実施形態における被検面ＷＡは、大開角の凸状の軸対称非球面である。第１実施形態では、レンズ１１２の面積と光のパワーを抑制することで、被検面ＷＡに照射される収束光の開角を抑制し、光を照射する面積を被検面ＷＡよりも小さくする。形状計測時には、被検物Ｗをステージ装置１０３で走査しながら被検面ＷＡにおける複数の部分領域を照明する。

コンピュータ１０５のＣＰＵ１４１は、ステージ装置１０３の駆動を制御してステージ装置１０３に被検物Ｗを移動させて、検出部であるシャックハルトマンセンサ１０４に、複数の部分領域からのそれぞれの反射光を検出させる。ＣＰＵ１４１は、シャックハルトマンセンサ１０４に検出されたそれぞれの反射光の波面から各部分領域の部分形状データを算出して、各部分形状データを繋ぎ合せることにより、被検物Ｗの被検面ＷＡの形状を計測する。

第１実施形態では、一括で照明される部分領域の半径が、被検面ＷＡの半径の１／２程度の場合について示す。図２は、第１実施形態において被検面上での部分領域の配置を示す模式図である。第１実施形態では、複数の部分領域には、被検物Ｗにおける被検面ＷＡの非球面軸ＷＣを中心とする部分領域（中心部分領域）ＳＡ１１が含まれている。部分領域ＳＡ１１の中心を点Ｐ１１とする。点Ｐ１１は被検面ＷＡの頂点である。また、複数の部分領域には、非球面軸ＷＣを中心とする円上（円Ｃ２２上）の複数の点Ｐ２１〜Ｐ２８のそれぞれを中心とする複数の部分領域（円上部分領域）ＳＡ２１〜ＳＡ２８が含まれている。円Ｃ２２の半径ｒ_０は、被検面ＷＡの半径の２／３程度である。

即ち、各部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８の中心点Ｐ２１〜Ｐ２８は、円Ｃ２２上に配置され、かつ非球面軸ＷＣを中心に４５°ずつ回転した位置に等角度間隔に配置されている。各部分領域ＳＡ１１，ＳＡ２１〜ＳＡ２８を計測する際には、各部分領域の中心点Ｐ１１，Ｐ２１〜Ｐ２８が光軸１０１Ｃと一致することとなる。このような部分領域ＳＡ１１，ＳＡ２１〜ＳＡ２８の配置であれば、それぞれの形状を繋ぎ合わせることで被検面ＷＡ全面の形状データを得ることができる。

また、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８は、被検面ＷＡが対称性を持つθｚ方向に沿って配置されており、かつ回転中心軸１２２Ｃは、被検面ＷＡの対称軸である非球面軸ＷＣと一致している。したがって、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８に対しては、θｚ回転ステージ１２２を駆動するだけで、被検面ＷＡを非球面軸ＷＣ中心に回転させ、光軸１０１Ｃと非球面軸ＷＣとの関係を保ちつつ部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８を切り替えることが可能となる。

このように、θｙ回転ステージ１２４は、回転中心軸１２４Ｃまわりに回転して、光軸１０１Ｃに対して被検物Ｗを傾斜可能に構成されている。また、θｚ回転ステージ１２２は、被検物Ｗを支持し、θｙ回転ステージ１２４により傾斜され、各部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８に光源１０１からの光が照射されるよう非球面軸ＷＣまわりに被検物Ｗを回転させる。

なお、第１実施形態では、９つの部分領域の形状データを繋ぎ合わせる場合について示すが、部分領域の数はこれに限定されない。計測精度を向上したい場合には部分領域の数を増やせばよいし、計測時間を短縮したい場合には部分領域の数を減らせばよい。

（被検物とステージ装置との配置についての説明）
図３（ａ）は、被検物Ｗとステージ装置１０３との位置関係を示す正面図であり、図３（ｂ）は、被検物Ｗとステージ装置１０３との位置関係を示す側面図である。第１実施形態では、ステージユニット１２０は、円Ｃ２２上の点、例えば点Ｐ２１〜Ｐ２８において、被検面ＷＡに対し垂直な法線ＷＮと非球面軸ＷＣとの交点ＷＩと、回転中心軸１２４Ｃとが一致するよう構成されている。

具体的には、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとが一致するようステージユニット１２０の各部１２１〜１２３が設計されている。そして、サンプル支持台１２１は、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとが一致する状態で被検物Ｗを支持する。更に、ステージ支持台１２３は、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとが一致する状態でθｙ回転ステージ１２４に固定されている。したがって、θｙ回転ステージ１２４を回転させたときには、被検物Ｗは、回転中心軸１２４Ｃ（交点ＷＩ）を中心に回転して傾くこととなる。

ここで、「一致する」とは、被検物Ｗの設計形状に対して一致することであり、その際には以下の式で定義される誤差量Δが許容される。

Δ＝δＸ_１Ｒ／ｒ_０

ここで、Ｒは点Ｐ２１〜Ｐ２８における半径方向の曲率半径、δＸ_１はＸＹ微動ステージ１２６の可動量を表す。一般的な直動ステージでは、δＸ_１は１０［ｍｍ］程度となっている。以下、「一致する」とは、この意味で用いる。

ステージ装置１０３は、θｙ回転ステージ１２４が所定の傾斜角度（第１実施形態では０°）のとき、つまり、非球面軸ＷＣが光軸１０１Ｃと平行となる傾斜角度のとき、非球面軸ＷＣと光軸１０１Ｃとが一致するよう構成されている。

部分領域ＳＡ１１を計測する際のθｙ回転ステージ１２４の姿勢を初期姿勢（第１実施形態では傾斜角度０°）とする。ステージ１２４が初期姿勢のとき非球面軸ＷＣと光軸１０１Ｃとが一致するよう、ステージ装置１０３が被検物Ｗの設計形状に基づき設計されている。

スティッチング計測においては、θｙ回転ステージ１２４により光軸１０１Ｃに対して被検物Ｗを傾斜させて部分領域ＳＡ１１から部分領域ＳＡ２１に光の照射領域を切り替える。その際に、Ｚステージ１２５により、シャックハルトマンセンサ１０４の共役面上に部分領域ＳＡ２１が移動するよう、ステージユニット１２０（つまり、被検物Ｗ）を光軸１０１Ｃと平行な方向に直動させる。つまり、Ｚステージ１２５の可動範囲は、被検面ＷＡ上の点における法線を光軸１０１Ｃに一致させたときに、被検面ＷＡ上の点をシャックハルトマンセンサ１０４の共役面に移動できる範囲に設定されている。

部分領域ＳＡ１１を計測する際のＺステージ１２５の位置を初期位置とする。Ｚステージ１２５の位置が初期位置のときは、シャックハルトマンセンサ１０４の共役面上に部分領域ＳＡ１１が位置する。Ｚステージ１２５の初期位置は、被検物Ｗの設計形状から求めることができる。

したがって、部分領域ＳＡ１１を計測する際には、ステージ装置１０３の各ステージを初期の位置姿勢にすることで、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとが一致する。また、部分領域ＳＡ１１の中心点Ｐ１１における法線（非球面軸ＷＣ）と光軸１０１Ｃとが一致し、部分領域ＳＡ１１と共役面とが一致する。部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８を計測する際にθｙ回転ステージ１２４を回転させたときには、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８の中心点Ｐ２１〜Ｐ２８における法線ＷＮと光軸１０１Ｃとが一致する。

以上の関係になるように、ステージ装置１０３の構成要素の大きさを鑑みて事前に設計しておく。また、ステージ装置１０３の各構成要素をねじ等により締結し、装置備えつけの要素として組み立てを行う。

（計測手順の説明）
次に、第１実施形態の計測手順の前準備について説明する。被検物Ｗの被検面ＷＡの形状計測を行うにあたっては、以下の作業を事前に行っておく。前述したとおり、被検物Ｗに合わせた部分領域の数と各部分領域の配置を決定する。そして、ステージ装置１０３の準備を行う。これは、前述したとおり、定めた部分領域の配置によって決定されるステージ装置１０３の設計と組み立てを行う。計測対象の被検物Ｗの設計形状や部分領域の位置に応じて、ステージ装置１０３に対する被検物Ｗの位置関係が決まる。故に、計測対象の被検面ＷＡの設計形状及び部分領域の位置に合わせて、ステージ装置１０３の各部、例えばサンプル支持台１２１やステージ支持台１２３を設計しておく。つまり、ステージユニット１２０が、被検物Ｗの設計形状に対応して構成された専用ステージで構成されている。なお、ステージ１２２，１２４，１２５，１２６，１２７は、被検物の設計形状が変わっても共通のものを使用してもよい。

次に、第１実施形態の形状計測方法（部品の製造方法）について説明する。図４は、第１実施形態に係る形状計測装置を用いて被検面をスティッチング計測する流れを示すフローチャートである。図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１実施形態における形状計測方法の各工程を説明するためのステージ装置の模式図である。より具体的には、図５（ａ）は、図４のステップＳ１０１，Ｓ１０２を説明するためのステージ装置の模式図である。図５（ｂ）は、図４のステップＳ１０３を説明するためのステージ装置の模式図である。図５（ｃ）は、図４のステップＳ１０４を説明するためのステージ装置の模式図である。図５（ｄ）は、図４のステップＳ１０５を説明するためのステージ装置の模式図である。

まず、ワークを加工して被検物（部品）Ｗを製作する（Ｓ１００）。ステップＳ１００で製作した部品を被検物Ｗとし、形状計測装置１００を用いて被検物Ｗの形状を計測する（Ｓ１０１〜Ｓ１０６）。

以下、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６の形状計測方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、被検物Ｗをサンプル支持台１２１上に設置する（Ｓ１０１）。なお、ステージ装置１０３の各ステージ１２２，１２４，１２５，１２６，１２７は、被検物Ｗの設計形状データに基づく初期の位置及び姿勢（メモリ１４２に格納された位置及び姿勢）に、部分領域ＳＡ１１の測定に先立ち、移動させる。第１実施形態では、サンプル支持台１２１に被検物Ｗを搭載する前に、各ステージを移動させておくが、サンプル支持台１２１に被検物Ｗを搭載した後、各ステージを移動させてもよい。

サンプル支持台１２１には、前述したように、上面に不図示の位置決めピンが複数本（例えば２本）設置されている。被検物Ｗの側面を位置決めピンに付き当ててサンプル支持台１２１に設置することにより、光軸１０１Ｃと被検物Ｗの非球面軸ＷＣとを一致させ、かつ交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとを一致させた状態での取付が可能となっている。

続いて、被検面ＷＡの部分領域ＳＡ１１の測定を行う（Ｓ１０２）。ステージ装置１０３は前述したとおりの位置関係で、設計・組み立てがなされている。このため、被検物Ｗをステージ装置１０３に搭載した段階で、部分領域ＳＡ１１がシャックハルトマンセンサ１０４の共役面におおよそ合っている。

つまり、最初の部分領域ＳＡ１１を測定する際の各ステージの初期の位置姿勢のデータが予めメモリ１４２に格納されており、ＣＰＵ２４１は、メモリ１４２に格納された位置及び姿勢のデータに基づいて、各ステージを動作させる。これにより、非球面軸ＷＣ（点Ｐ１１における法線）と光軸１０１Ｃとが一致し、部分領域ＳＡ１１が共役面と一致する。

この状態で、シャックハルトマンセンサ１０４に入射する反射光をモニタしながら、被検面ＷＡの位置をアライメントする。具体的には反射光波面が設計波面と一致するようにＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ軸方向に微動ステージ１２６，１２７及びＺステージ１２５を駆動する。また、設計波面は、光学シミュレーション等で事前に計算しておく。Ｚ方向の位置調整については、被検面ＷＡの高さを測長機で測長しながら行ってもよい。これにより、部分領域ＳＡ１１がシャックハルトマンセンサ１０４の共役面上に高精度にアライメントされる。アライメント後、部分領域ＳＡ１１からの反射光の波面計測を行い、その結果から部分領域ＳＡ１１の形状を算出する。

続いて、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８を測定するために、図５（ｂ）に示すように、ステージ装置１０３を駆動する（Ｓ１０３，Ｓ１０４）。具体的には、θｙ回転ステージ１２４を駆動し（Ｓ１０４）、Ｚステージ１２５を駆動する（Ｓ１０４）。

ここで、傾斜角度θを図５（ａ）に示すように定義する。すなわちθは、円Ｃ２２上での被検面ＷＡの法線ＷＮの、非球面軸ＷＣに対する傾斜角度であり、ｒ_０の値と被検面ＷＡの設計形状から算出することができる。この傾斜角度θは、予め計算しておき、図１に示すメモリ１４２に記憶（格納）させておく。

ステップＳ１０３について具体的に説明すると、θｙ回転ステージ１２４を図５（ａ）に示す傾斜角度θだけ駆動して、図５（ｂ）に示すように被検面ＷＡを傾斜させる。θｙ回転ステージ１２４の駆動により、被検面ＷＡにおける円Ｃ２２上の法線ＷＮが光軸１０１Ｃに一致する。

図６（ａ）は、θｙ回転ステージ１２４を駆動する前の状態を示す被検物Ｗの模式図であり、図６（ｂ）は、θｙ回転ステージ１２４を傾斜角度θだけ駆動した後の状態を示す被検物Ｗの模式図である。被検物Ｗは、交点ＷＩが回転中心軸１２４Ｃと一致するようにステージ装置１０３に搭載されている。即ち、ステージ装置１０３のステージユニット１２０が、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとが一致するように構成されている。そのため、θｙ方向の回転駆動のみで法線ＷＮを光軸１０１Ｃに一致させることができる。よって、ＣＰＵ１４１は、ステップＳ１０３において、メモリ１４２から傾斜角度θのデータを読出し、この傾斜角度θだけθｙ回転ステージ１２４を駆動する（図５（ｂ））。

ここで、比較例として、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとがずれている場合について説明する。図１４（ａ）は、比較例のステージ装置の構成において、θｙ回転ステージを駆動する前の状態を示す被検物Ｗの模式図である。図１４（ｂ）は、比較例のステージ装置の構成において、θｙ回転ステージを傾斜角度θだけ駆動した後の状態を示す被検物Ｗの模式図である。

図１４（ａ）に示すように、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとがずれている。この被検物Ｗの配置において、図１４（ｂ）に示すように被検物Ｗを回転中心軸１２４Ｃまわりにθｙ方向に回転させた場合、法線ＷＮと光軸１０１Ｃとは平行となるが、一致しない。即ち、交点ＷＩと回転中心軸１２４Ｃとがずれているために、光軸１０１Ｃと法線ＷＮにＸ軸方向のずれδＸ_２が生じる。

δＸ_２が微動ＸＹステージ１２７の可動量δＸ_１を上回る場合、円Ｃ２２上の部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８を測定するためには、δＸ_２を打ち消すようなＸ軸方向に駆動するリニアステージ（Ｘ軸粗動ステージ）を必要とする。即ち、法線ＷＮが光軸１０１Ｃに一致するように、被検物Ｗを平行移動させる必要がある。

第１実施形態においては、θｙ回転ステージ１２４の回転後、Ｚステージ１２５によりＺ軸方向の駆動を行う（Ｓ１０４）。Ｚ軸方向の駆動量は、図６（ｂ）にδＺ_１で示す。δＺ_１は、部分領域中心と共役面とのＺ軸方向のずれ分である。故に、駆動量δＺ_１は、θｙ回転ステージ１２４の回転中心軸１２４Ｃと被検面ＷＡの頂点との距離（回転半径）Ｒ_１を用いて、
δＺ_１＝Ｒ_１−（Ｒ_１−Ｚ_０）／ｃｏｓθ
となる。ここで、Ｚ_０は、頂点（中心点）Ｐ１１と中心点Ｐ２１〜Ｐ２８との非球面軸ＷＣの方向の距離である。駆動量δＺ_１は、被検物Ｗの設計形状データに基づいて予め計算しておき、図１に示すメモリ１４２に記憶（格納）させておく。

よって、ＣＰＵ１４１は、ステップＳ１０４において、メモリ１４２から駆動量δＺ_１のデータを読出し、この駆動量δＺ_１だけＺステージ１２５を駆動する（図５（ｃ））。つまりＣＰＵ１４１は、部分領域ＳＡ２１の反射光をシャックハルトマンセンサ１０４に検出させる際に、Ｚステージ１２５を駆動量δＺ_１の分、移動させて、シャックハルトマンセンサ１０４の共役面上に部分領域ＳＡ２１を移動させる。

続いて、円Ｃ２２上の各部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８の測定を行う（Ｓ１０５）。θｚ回転ステージ１２２を図５（ｄ）に示すように回転させることで、円Ｃ２２上にある各部分領域ＳＡ１２１〜ＳＡ１２８の中心点Ｐ２１〜Ｐ２８が光軸１０１Ｃにおおよそ一致する位置まで移動させる。移動後は、シャックハルトマンセンサ１０４に入射する反射光をモニタしながら、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８における被検面の位置を、部分領域ＳＡ１１で行った方法と同様の方法で、微動ステージ１２６，１２７によりアライメントする。アライメント後、被検面ＷＡの波面計測を行い、その結果から、その部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８の形状を算出する。全ての部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８について、θｚ回転ステージ１２２を駆動し、同様の工程を実施し、各部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８の形状測定を実施する。

最後に、形状計測した部分領域ＳＡ１１〜ＳＡ２８を繋ぎ合せ、被検面ＷＡの形状を求める（Ｓ１０６）。その後、被検物Ｗの計測形状と設計形状との誤差を求め、誤差が許容値を超える場合、誤差に基づき、被検物Ｗを修正加工する。

以上、第１実施形態によれば、ステップＳ１０３，Ｓ１０４におけるステージ装置１０３の駆動により、被検面ＷＡにおける円Ｃ２２上の点Ｐ２１〜Ｐ２８をシャックハルトマンセンサ１０４の共役面に合わせることができる。また、１つの回転機構（θｙ回転ステージ１２４）で被検物の回転（θｙ方向）と横方向（Ｘ軸方向）の２軸の位置合わせを同時に行うことができる。したがって、被検物Ｗの位置の微調整用のＸ軸方向の微動機構（ＸＹ微動ステージ１２６）を除き、部分領域の中心点の法線ＷＮを光軸１０１Ｃと一致させるためにＸ軸方向の粗調整用の駆動機構（Ｘ粗動ステージ）を必要としない。また、Ｚステージ１２５の駆動量δＺ_１は、部分領域の位置での非球面量とほぼ同様である。そのため、位置調整するＺステージ１２５はδＺ_１（≒非球面量）程度のストロークを持っていれば十分であり、駆動量δＺ_１は、比較例におけるＺ軸方向の駆動量δＺ_２よりも小さい。したがって、スティッチング測定において、形状計測のサイクルタイムが短くなる。

なお、第１実施形態では、非球面形状を半径の異なる球面の集合体として捉えることにより、最適な回転中心軸がｒ_０の値に応じて変化することを見出した。この発見に基づき、ｒ_０の値から交点ＷＩの位置を求めて、回転中心軸１０４Ｃの位置を決定するような方策に至っている。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る形状計測装置について説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置を示す正面図である。第２実施形態における形状計測装置は、第１実施形態における形状計測装置とステージ装置の構成が異なり、それ以外の構成は第１実施形態と同様の構成である。また、部分領域の数及び配置は第１実施形態と同じであり、計測手順においても、第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態と異なる点について説明する。

第２実施形態におけるステージ装置２０３は、下部ステージ部２３０と、下部ステージ部２３０に対して着脱可能なステージユニット２２０とを有する。下部ステージ部２３０は、Ｚステージ２２５と、ＸＹ微動ステージ２２６と、αβ微動ステージ２２７とを有している。下部ステージ部２３０において、上段から下段に向かって、Ｚステージ２２５，ＸＹ微動ステージ２２６，αβ微動ステージ２２７の順に配置されている。ステージユニット２２０は、下部ステージ部２３０の最上段にあるＺステージ２２５に対して着脱可能に構成されている。図７（ａ）は、ステージユニット２２０をＺステージ２２５に対して装着した状態を図示している。図７（ｂ）は、ステージユニット２２０をＺステージ２２５から取り外した状態を図示している。

なお、下部ステージ部２３０におけるステージ２２５，２２６，２２７の積載順はこれに限定するものではなく、どのような積載順であってもよい。Ｚステージ２２５は、最上段でなくてもよく、中段や最下段であってもよい。その場合、Ｚステージ２２５には、微動ステージを介してステージユニット２２０が着脱されることとなる。

ステージユニット２２０は、θｙ方向とθｚ方向に回転する駆動機構である。図８（ａ）は、第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置の一部を示す正面図であり、図８（ｂ）は、第２実施形態に係る形状計測装置のステージ装置の一部を示す側面図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）には、ステージ装置２０３のステージユニット２２０を図示しており、図８（ａ）はステージユニット２２０をＹ軸方向から見た図であり、図８（ｂ）はステージユニット２２０をＸ軸方向から見た図である。

ステージユニット２２０は、被検物Ｗを支持するサンプル支持台２２１と、サンプル支持台２２１（即ち被検物Ｗ）を非球面軸ＷＣまわりに回転させる回転ステージであるθｚ回転ステージ２２２とを有する。また、ステージユニット２２０は、Ｙ軸に平行な回転中心軸２２４Ｃまわりに回転して、θｚ回転ステージ２２２（即ち被検物Ｗ）を傾斜させる傾斜ステージであるθｙ回転ステージ２２４を有する。

サンプル支持台２２１上には、不図示の位置決めピンが複数本（例えば２本）設置されている。被検物Ｗの側面を位置決めピンに付き当てて被検物Ｗをサンプル支持台２２１に設置することにより、所定の機械精度での被検物Ｗの取付が可能となっている。サンプル支持台２２１は、θｚ回転ステージ２２２に取り付けられている。θｚ回転ステージ２２２は、非球面軸ＷＣと平行な回転中心軸まわりであるθｚ方向に回転することで、サンプル支持台２２１（即ち被検物Ｗ）を被検物Ｗの非球面軸ＷＣまわりに回転させる。

θｙ回転ステージ２２４は、θｚ回転ステージ２２２を支持する支持部材２６５と、支持部材２６５の回転中心軸２２４Ｃの方向の両側に設けられた被案内部材であるローラ２６６とを有する。また、θｙ回転ステージ２２４は、交点ＷＩと回転中心軸２２４Ｃとが一致するようにローラ２６６を案内する案内部材である一対のＲガイド２６３を有する。各Ｒガイド２６３には、ローラ２６６が嵌ってローラ２６６を案内する溝２６３Ａが形成されている。

一対のＲガイド２６３は、互いに間隔をあけてベース部材２６４に固定されている。一対のＲガイド２６３の間には支持部材２６５が配置され、一対のＲガイド２６３の互いに対向する側の面には、所定の曲率をもった溝２６３Ａが形成されている。溝２６３Ａには、支持部材２６５に設けられたローラ２６６が嵌め込まれており、ローラ２６６が溝２６３Ａに案内されて移動することで、支持部材２６５が回転中心軸２２４Ｃまわりに回転し、支持部材２６５（即ち被検物Ｗ）が傾斜することとなる。Ｒガイド２６３には、不図示のストッパ機構が備え付けられており、所定の＋θｙ方向位置で駆動を止めることができる機構となっている。

なお、第２実施形態では、θｙ回転ステージ２２４が、曲率を持った溝が形成されたＲガイドとローラとを有する場合について説明したが、これに限定するものではなく、レール等を用いても同様の駆動機構を備えることができる。

ベース部材２６４のＲガイド２６３が固定された側の面とは反対側の面（底面）には、Ｖ溝が形成された複数（第２実施形態では３つ）のブロック２６７が取り付けられている。３つのブロック２６７は、各々、間隔が１２０°等配となるように配置されている。

Ｚステージ２２５上には、球２７１と球２７１をＺステージ２２５上に固定する球座２７２とが配置されている。球２７１と球座２７２の３組がそれぞれ１２０°等配となるように、Ｚステージ２２５上に配置されている。

ステージユニット２２０の３つのブロック２６７と下部ステージ部２３０の３つの球２７１は、互いに位置が一致するように事前に設計・位置調整されている。これにより、図７（ａ）に示すように、下部ステージ部２３０上にステージユニット２２０を搭載することができる。また、球２７１とＶ溝が形成されたブロック２６７の組み合わせの関係により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の位置決めが可能となっている。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様、ステージ装置２０３のステージユニット２２０は、交点ＷＩと、回転中心軸２２４Ｃとが一致するよう構成されている。具体的には、交点ＷＩと回転中心軸２２４Ｃとが一致するようステージユニット２２０の各部が設計されている。

また、ステージ装置２０３は、θｙ回転ステージ２２４が所定の傾斜角度（第２実施形態では０°）のとき、つまり、非球面軸ＷＣが光軸１０１Ｃと平行となる傾斜角度のとき、非球面軸ＷＣと光軸１０１Ｃとが一致するよう構成されている。

Ｚステージ２２５の可動範囲は、被検面ＷＡ上の点における法線を光軸１０１Ｃに一致させたときに、被検面ＷＡ上の点をシャックハルトマンセンサ１０４（図１）の共役面に移動できる範囲に設定されている。

以上の関係になるように、ステージ装置２０３の構成要素の大きさを鑑みて事前に設計しておく。また、ステージ装置２０３の各構成要素にはそれぞれ突き当てピンなどの位置決め機構（不図示）が備え付けられており、ステージ装置２０３の構成要素が機械精度で組み立てられている。

形状計測方法（部品の製造方法）は、第１実施形態と同じである。ステージ装置の配置要件を満たした設計を行い、且つ、形状計測装置の組立を行った状態において、図２に示す部分領域ＳＡ１１の測定を行う。次に、θｙ回転ステージ２２４のθｙ方向の回転により、被検物Ｗを傾斜させる。

図９は、第２実施形態における形状計測装置において、被検物Ｗを傾斜させた状態を示すステージ装置の模式図である。ステージユニット２２０のＲガイド２６３には、不図示のストッパ機構が設けてあり、所望のθｙ回転位置までθｙ回転ステージ２２４が駆動するように予め設計されている。θｙ方向に回転後、第１実施形態と同様にＺステージ２２５によりＺ軸方向の位置調整を実施し、その後、微動ステージ２２６，２２７でアライメントし、部分領域ＳＡ２１〜ＳＡ２８のすべての計測を行う。最後の工程として計測した部分領域ＳＡ１１〜ＳＡ２８を繋ぎ合せ、被検面ＷＡの形状を求める。

第２実施形態のθｙ回転ステージ２２４においては、回転中心軸をステージから離れた位置に設定できるので、コンパクトにステージを構成できるという利点がある。例えば、第１実施形態で用いているθｙ回転ステージ（図１）は、回転中心軸を内部に含む構成であるため、そのサイズは回転中心軸から被検面までの距離（≒被検物の曲率半径）を上回る。このような構成のθｙ回転ステージを曲率半径の大きい被検物の計測に適用しようとすると、ステージ装置１０３は巨大にならざるを得ない。また、ステージユニット２２０が取外・取付可能（着脱可能）なので、第１実施形態のステージ構成に比べて、被検物Ｗの設計形状が変わる毎の設計が簡易になるという利点もある。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る形状計測装置について説明する。第１及び第２実施形態においては、被検面ＷＡの半径に対し、一括で照明される部分領域の半径の比が１／２程度の場合について述べた（図２）。ところが、被検面ＷＡの半径に対する一括で照明される部分領域の半径の比がこれを下回る場合には、この部分領域の配置では全面を計測することができなくなる。即ち、傾斜ステージで部分領域を切り替える作業を複数回行う必要がある。第３実施形態では、傾斜ステージで部分領域を複数回切り替える場合について説明する。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、第３実施形態において被検面上での部分領域の配置を示す模式図である。

例えば、一括で照明される部分領域の半径が被検面の半径の１／３であれば、部分領域を図１０（ｄ）の破線で示すように配置すればよい。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）において、被検物Ｗは、凸状の非球面である被検面ＷＡをもつ光学部品（光学素子）であり、その中心軸が非球面軸ＷＣである。被検物Ｗにおいて、非球面軸ＷＣを測定中心とした場合、その測定中心を点Ｐ８１１とする。点Ｐ８１１を中心とした円内の領域が、部分領域ＳＡ８１１である（図１０（ａ））。非球面軸ＷＣを中心とする円Ｃ８２上に中心点Ｐ８２１〜Ｐ８２４を持つ４つの部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４を配置したとき、図１０（ｂ）のようになる。また、円Ｃ８２とは異なる径の円Ｃ８３上に中心点Ｐ８３１〜Ｐ８３８を持つ８つの部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８を配置したとき、図１０（ｃ）のようになる。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）の各段の部分領域を合わせると計１３個の部分領域を配置することになり、被検面ＷＡの全面を覆うことができる（図１０（ｄ））。第３実施形態では、部分領域を複数段（Ｃ１、Ｃ２）に分けた場合について説明する。

図１１は、第３実施形態に係る形状計測装置のステージ装置を示す模式図である。第３実施形態のステージ装置３０３は、第１実施形態のステージ装置１０３に対して非球面軸ＷＣの方向の位置を調整する調整ステージを追加した構成となっている。第３実施形態の形状計測装置において、ステージ装置３０３以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図１１に示すステージ装置３０３は、ステージユニット３２０と、Ｚステージ１２５と、ＸＹ微動ステージ１２６と、αβ微動ステージ１２７とを有する。

ステージユニット３２０は、サンプル支持台１２１と、θｚ回転ステージ１２２と、調整ステージ３２８と、ステージ支持台１２３と、θｙ回転ステージ１２４とを有する。

調整ステージ３２８は、θｚ回転ステージ１２２を支持し、非球面軸ＷＣと平行な方向に移動に移動して、θｚ回転ステージ１２２（即ち、被検物Ｗ）の非球面軸ＷＣと平行な方向の位置を調整する。調整ステージ３２８は、コンピュータ１０５（図１参照）に接続され、コンピュータ１０５からの指令に基づき駆動して、被検物Ｗの位置を調整する。

ステージ支持台１２３は、調整ステージ３２８を支持し、θｙ回転ステージ１２４に固定されている。したがって、調整ステージ３２８は、θｙ回転ステージ１２４と共に傾斜する。

第３実施形態では、調整ステージ３２８は、部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４を計測する際には、円Ｃ８２上の点における法線ＷＮ２と非球面軸ＷＣとの交点ＷＩ２と、回転中心軸１２４Ｃとが一致するように、θｚ回転ステージ１２２の位置を調整する。また、調整ステージ３２８は、部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８を計測する際には、円Ｃ８３上の点における法線ＷＮ３と非球面軸ＷＣとの交点ＷＩ３と、回転中心軸１２４Ｃとが一致するように、θｚ回転ステージ１２２の位置を調整する。第３実施形態では、調整ステージ３２８は、θｚ回転ステージ１２２の位置を調整することで、被検物Ｗの位置を調整する。図１１では、交点ＷＩ２と回転中心軸１２４Ｃとが一致している状態を図示している。

また、ステージ装置３０３は、θｙ回転ステージ１２４が所定の傾斜角度（第３実施形態では０°）のとき、つまり、非球面軸ＷＣが光軸１０１Ｃと平行となる傾斜角度のとき、非球面軸ＷＣと光軸１０１Ｃとが一致するよう構成されている。

Ｚステージ１２５の可動範囲は、被検面ＷＡ上の点における法線を光軸１０１Ｃに一致させたときに、被検面ＷＡ上の点をシャックハルトマンセンサ１０４（図１）の共役面に移動できる範囲に設定されている。

以上の関係になるように、ステージ装置３０３の構成要素の大きさを鑑みて事前に設計しておく。また、ステージ装置３０３の各構成要素にはそれぞれ突き当てピンなどの位置決め機構（不図示）が備え付けられており、ステージ装置３０３の構成要素が機械精度で組み立てられている。

形状計測方法（部品の製造方法）は、概ね第１実施形態に従う。第１実施形態においては、部分領域の分割の段数が２段（中心及び円Ｃ２２）であるのに対し、第３実施形態では、部分領域の分割の段数が３段（中心及び円Ｃ８２、円Ｃ８３）となっている。

次に、形状計測方法について説明する。図１１には、上述したステージ装置３０３の各構成要素の配置要件を満たした設計を行い、且つ、装置の組立を行った状態を示している。この状態、即ち、非球面軸ＷＣ（点Ｐ８１１の法線）が光軸１０１Ｃと一致し、Ｚステージ１２５にて部分領域ＳＡ８１１をシャックハルトマンセンサ１０４の共役面に移動させた状態で、部分領域ＳＡ８１１の測定を行う。

図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第３実施形態における形状計測方法の各工程を説明するためのステージ装置の模式図である。

部分領域ＳＡ８１１の測定後、図１２（ａ）に示すように、θｙ回転ステージ１２４のθｙ方向の回転により、円Ｃ８２上の点における法線ＷＮ２が光軸１０１Ｃと平行になる角度まで、被検物Ｗを傾斜させる。交点ＷＩ２と回転中心軸１２４Ｃとが一致しているため、法線ＷＮ２は光軸１０１Ｃと一致する。

θｙ回転ステージ１２４の回転後、Ｚステージ１２５によりＺ軸方向の駆動を行う。Ｚ軸方向の駆動量δＺ_１は、第１実施形態と同様、部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４の中心点と共役面とのＺ軸方向のずれ分である。

その後、第１実施形態と同様、微動ステージ１２６，１２７によりアライメントを実施後、部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４の測定を行う。その際、θｚ回転ステージ１２２で被検物Ｗを非球面軸ＷＣまわりに回転させ、部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４のすべてについて測定する。

円Ｃ８２上にある部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４を測定後、続いて、円Ｃ８３上にある部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８の測定を行う必要がある。円Ｃ８２上にある部分領域ＳＡ８２１〜ＳＡ８２４を測定後のステージ装置３０３の状態は、図１２（ｂ）に示す状態にある。

円Ｃ８３上の点における法線ＷＮ３と非球面軸ＷＣとの交点ＷＩ３は、θｙ回転ステージ１２４の回転中心軸１２４Ｃとずれた状態になっている。このずれを解消するように、図１２（ｃ）に示すように、調整ステージ３２８により被検物Ｗを非球面軸ＷＣの方向に移動させる。

次に、図１２（ｄ）に示すように、θｙ回転ステージ１２４のθｙ方向の回転により、円Ｃ８３上の点における法線ＷＮ３が光軸１０１Ｃと平行になる角度まで、被検物Ｗを傾斜させる。交点ＷＩ３と回転中心軸１２４Ｃとが一致しているため、法線ＷＮ３は光軸１０１Ｃと一致する。

θｙ回転ステージ１２４の回転後、Ｚステージ１２５によりＺ軸方向の駆動を行う。Ｚ軸方向の駆動量δＺ_１は、第１実施形態と同様、部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８の中心点と共役面とのＺ軸方向のずれ分である。

その後、第１実施形態と同様、微動ステージ１２６，１２７によりアライメントを実施後、部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８の測定を行う。その際、θｚ回転ステージ１２２で被検物Ｗを非球面軸ＷＣまわりに回転させ、部分領域ＳＡ８３１〜ＳＡ８３８のすべてについて測定する。

最後の工程として計測した部分領域ＳＡ８１１〜ＳＡ８３８の部分形状データを繋ぎ合せ、被検面ＷＡの形状を求める。

第３実施形態によれば、部分領域が図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示すように段数が多い場合においても、Ｘ粗動ステージによるＸ軸方向の大きなストロークを必要としないスティッチング測定が可能となる。

なお、第３実施形態において、傾斜ステージであるθｙ回転ステージ１２４の構成を、第２実施形態で説明したθｙ回転ステージ２２４としてもよい。この場合であっても、Ｘ軸方向の粗動ステージの必要がなく、且つ、Ｚ軸方向のストロークの小さい測定が可能となる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る形状計測装置について説明する。図１３は、第４実施形態に係る形状計測装置を示す模式図である。第１〜第３実施形態では、検出部としてシャックハルトマンセンサ１０４を用いた場合について説明したが、第４実施形態では、形状計測装置が干渉計の構成でスティッチング計測する場合について説明する。

形状計測装置４００は、フィゾー干渉計で構成される。形状計測装置４００は、レーザ光源４０１を有し、レーザ光源４０１の光出射側には、ビームイクスパンダ４０２及び偏光ビームスプリッタ４０３が順次配置されている。

レーザ光源４０１から出射されたｐ偏光（平行光）が、複数のレンズで構成されたビームイクスパンダ４０２により太い平行光となる。その平行光が、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。平行光はｓ偏光であるので、偏光ビームスプリッタ４０３で９０°反射し、９０°折り曲げられる。その反射光が１／４波長板（λ／４板）４０４を透過することで円偏光となる。

１／４波長板４０４により円偏光となったビームは、複数のレンズと参照レンズ４０６とを有し、入射平行光を集光させると共に基準となる参照波面をつくる透過球面レンズ（ＴＳレンズ）４０５に入射する。

入射した平行光の一部は、参照レンズ４０６により反射して参照光となる。平行光の残りは、透過球面レンズ４０５を透過して集光され、被検物Ｗの部分領域に照射される。被検物Ｗから反射した反射光は、ＴＳレンズ４０５を通り、前述の参照光と干渉して干渉光となる。その干渉光は、１／４波長板４０４を透過することにより、ｐ偏光となり、偏光ビームスプリッタ４０３を通過する。

偏光ビームスプリッタ４０３を通過した干渉光は、結像レンズ４０８で、検出部としての撮像センサ４０９上に結像する。当該結像による干渉縞が撮像センサ４０９で撮像される。撮像センサ４０９は、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサである。

撮像センサ４０９には、処理部としてのＣＰＵ４１１及び記憶部としてのメモリ４１２を有するコンピュータ４１０が接続されており、撮像センサ４０９による撮像結果がコンピュータ４１０により取得される。

コンピュータ４１０には、表示部であるモニタ４１３が接続されている。被検物Ｗは、第１実施形態と同様の構成のステージ装置１０３に搭載されている。ＣＰＵ４１１は、ステージ装置１０３を第１実施形態と同様に動作させ、被検面ＷＡに光を照射する部分領域を切り替えて、複数の部分領域からの反射光（干渉光）の撮像結果を撮像センサ４０９から取得し、それぞれの波面データを求める。ＣＰＵ４１１は、それぞれの反射光（干渉光）の波面データから各部分領域の部分形状データを算出する。そして、ＣＰＵ４１１は、各部分形状データを繋ぎ合せることにより、被検物Ｗの被検面ＷＡの形状を計測する。

第４実施形態によれば、干渉計で構成された形状計測装置４００においても、ダイナミックレンジはシャックハルトマンセンサを用いた場合よりも狭いものの、第１実施形態と同様、スティッチング測定において、形状計測のサイクルタイムが短くなる。

なお、第４実施形態では、形状計測装置４００に適用されるステージ装置が、第１実施形態で説明したステージ装置１０３の場合について説明したが、これに限定するものではなく、第２〜第３実施形態で説明したステージ装置２０３，３０３としてもよい。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。

上記実施形態では、被検物が光学部品である場合について説明したが、光学部品に限定するものではない。また、被検面が軸対称非球面である場合について説明したが、これに限定するものではなく、例えば軸対称球面であってもよい。

１００…形状計測装置、１０１…光源、１０１Ｃ…光軸、１０３…ステージ装置、１０４…シャックハルトマンセンサ（検出部）、１２０…ステージユニット、１２２…θｚ回転ステージ（回転ステージ）、１２４…θｙ回転ステージ（傾斜ステージ）、１２４Ｃ…回転中心軸、１２５…Ｚステージ（直動ステージ）、１４１…ＣＰＵ（処理部）

Claims (12)

1. 計測光を照射する光源と、
   軸対称面である被検面を有する被検物が搭載され、前記被検面の中心軸を中心とする円上の複数の点のそれぞれを中心とする複数の円上部分領域を含む前記被検面の複数の部分領域に、順次、前記計測光が照射されるよう、前記被検物を移動させるステージ装置と、
   前記複数の部分領域からのそれぞれの反射光を検出する検出部と、
   前記ステージ装置の駆動を制御して前記ステージ装置に前記被検物を移動させて、前記検出部に検出されたそれぞれの前記反射光の波面から前記各部分領域の部分形状データを算出して、前記各部分形状データを繋ぎ合せることにより、前記被検物の被検面の形状を計測する処理部と、を備え、
   前記ステージ装置は、
   回転中心軸まわりに回転して、前記計測光の光軸に対して前記被検物を傾斜可能に構成された傾斜ステージと、前記被検物を支持し、前記傾斜ステージにより傾斜され、前記各円上部分領域に前記計測光が照射されるよう前記中心軸まわりに前記被検物を回転させる回転ステージと、を有するステージユニットと、
   前記検出部の共役面上に前記部分領域が移動するよう、前記ステージユニットを前記光軸と平行な方向に直動させる直動ステージと、を有しており、
   前記ステージユニットは、前記円上の点において前記被検面に対し垂直な法線と前記中心軸との交点と、前記回転中心軸とが一致するよう構成されていることを特徴とする形状計測装置。
2. 前記ステージユニットは、
   前記回転ステージに支持され、前記交点と前記回転中心軸とが一致する状態で前記被検物を支持する支持台を有することを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
3. 前記傾斜ステージは、
   前記回転ステージを支持する支持部材と、
   前記支持部材に設けられた被案内部材と、
   前記交点と前記回転中心軸とが一致するように前記被案内部材を案内する案内部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
4. 前記被案内部材は、前記支持部材に設けられたローラであり、
   前記案内部材には、前記ローラが嵌って前記ローラを案内する溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の形状計測装置。
5. 前記ステージユニットは、
   前記傾斜ステージと共に傾斜し、前記交点と前記回転中心軸とが一致するよう前記中心軸と平行な方向に前記被検物の位置を調整する調整ステージを有することを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
6. 前記ステージユニットが、前記直動ステージに対して着脱可能となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
7. 前記処理部は、前記部分領域の反射光を前記検出部に検出させる際に、前記直動ステージを、前記被検物の設計形状データに基づく駆動量の分、移動させて、前記検出部の共役面上に前記部分領域を移動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の形状計測装置。
8. 前記ステージ装置は、前記傾斜ステージが所定の傾斜角度のときに前記中心軸と前記光軸とが一致するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状計測装置。
9. 前記検出部が、シャックハルトマンセンサであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の形状計測装置。
10. 前記検出部が、前記部分領域の反射光と参照光との干渉光を撮像する撮像センサであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の形状計測装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状計測装置により被検物の形状を計測する形状計測方法であって、
    前記円上の点を中心とする前記円上部分領域の反射光を前記検出部に検出させる際に、前記ステージ装置により、前記円上の点の前記法線と前記光軸とを一致させる工程と、前記円上部分領域を、前記検出部の共役面上に移動させる工程とを有することを特徴とする形状計測方法。
12. ワークを加工して部品を製作する工程と、
    前記部品を被検物とし、請求項１１に記載の形状計測方法で前記被検物の形状を計測する工程と、を有することを特徴とする部品の製造方法。

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