JP5491435B2

JP5491435B2 - Measuring device

Info

Publication number: JP5491435B2
Application number: JP2011040837A
Authority: JP
Inventors: 諭史久保; いたる藤田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2012177620A

Description

本発明は、被検物の被検面の形状を計測する計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus that measures the shape of a test surface of a test object.

レンズやミラーなどの光学素子や金型などの被検物の形状（表面形状）を計測する際に３次元計測装置（以下、「計測装置」とする）が従来から使用されている。計測装置は、一般に、計測ヘッド（プローブ）と被検物との距離を一定に維持しながら計測ヘッドを駆動（走査）し、計測ヘッドと基準面との位置関係から被検物の形状を計測する（特許文献１及び２参照）。 Conventionally, a three-dimensional measuring device (hereinafter referred to as “measuring device”) has been used to measure the shape (surface shape) of an object such as an optical element such as a lens or a mirror or a mold. In general, a measurement device drives (scans) the measurement head while keeping the distance between the measurement head (probe) and the test object constant, and measures the shape of the test object from the positional relationship between the measurement head and the reference surface. (See Patent Documents 1 and 2).

図７は、従来の計測装置（特許文献１に開示された計測装置）の構成を示す概略図である。かかる計測装置は、互いに直交する３軸（即ち、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）方向に駆動可能なステージ６０１にＺアーム６２３を介して取り付けられた計測ヘッド６０２によって、定盤６３０の上に保持された被検物６０３を計測する。定盤６３０には、基準ミラー６０４、６０５及び６０６が互いに直交するように配置されている。また、ステージ６０１には、レーザ干渉計６１０、６１１及び６１２と、レーザ干渉計からのレーザ光を基準ミラーに反射させる反射ミラー６１３及び６１４が配置されている。 FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of a conventional measurement device (a measurement device disclosed in Patent Document 1). Such a measuring device is mounted on a surface plate 630 by a measuring head 602 attached to a stage 601 that can be driven in directions of three axes orthogonal to each other (that is, an X axis, a Y axis, and a Z axis) via a Z arm 623. The held object 603 is measured. On the surface plate 630, reference mirrors 604, 605 and 606 are arranged so as to be orthogonal to each other. The stage 601 is provided with laser interferometers 610, 611, and 612 and reflection mirrors 613 and 614 that reflect the laser light from the laser interferometer to the reference mirror.

図７に示す計測装置では、レーザ干渉計６１１が基準ミラー６０６までの距離を測定することで計測ヘッド６０２のＺ軸方向の位置を決定する。また、レーザ干渉計６１０が反射ミラー６１３を経由して基準ミラー６０４までの距離を測定し、レーザ干渉計６１２が反射ミラー６１４を経由して基準ミラー６０５までの距離を測定することで計測ヘッド６０２のＸＹ平面における位置を決定する。この際、各レーザ干渉計の測定軸（レーザ光軸）６２０、６２１及び６２２の交点を計測基準点に一致させることで、計測ヘッド６０２の姿勢が変化してもアッベ誤差が生じないようにしている。また、３つの測定軸６２０、６２１及び６２２を互いに直交させ、測定軸６２２と、計測ヘッド６０２の計測軸と、ステージ６０１のＺ軸とを重ねている。 In the measurement apparatus illustrated in FIG. 7, the laser interferometer 611 determines the position of the measurement head 602 in the Z-axis direction by measuring the distance to the reference mirror 606. Further, the laser interferometer 610 measures the distance to the reference mirror 604 via the reflection mirror 613, and the laser interferometer 612 measures the distance to the reference mirror 605 via the reflection mirror 614. Is determined in the XY plane. At this time, the intersection of the measurement axes (laser optical axes) 620, 621, and 622 of each laser interferometer is made coincident with the measurement reference point so that no Abbe error occurs even if the posture of the measurement head 602 changes. Yes. The three measurement axes 620, 621, and 622 are orthogonal to each other, and the measurement axis 622, the measurement axis of the measurement head 602, and the Z axis of the stage 601 are overlapped.

また、特許文献２に開示された技術では、計測ヘッドに追従して駆動される５つのレーザ干渉計を計測ヘッドの周辺に配置して計測ヘッドの姿勢変化を測定している。これにより、計測基準点を含むＸＹ平面内に反射ミラーを配置することなく、アッベ誤差を補正しながら被検物の形状を計測することができる。 In the technique disclosed in Patent Document 2, five laser interferometers driven following the measurement head are arranged around the measurement head to measure the posture change of the measurement head. As a result, the shape of the test object can be measured while correcting the Abbe error without arranging a reflection mirror in the XY plane including the measurement reference point.

特許第３６７８８８７号公報Japanese Patent No. 3678877 特開平１０−０１９５０４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-019504

従来の計測装置では、計測基準点を計測する３つのレーザ干渉計のうち２つのレーザ干渉計の測定軸６２０及び６２１が計測ヘッド６０２の計測軸及びステージ６０１のＺ軸に直交している。そのため、レーザ干渉計からの光を、基準ミラー６０４に向けて反射する反射ミラー６１３と基準ミラー６０５に向けて反射する反射ミラー６１４とが計測基準点を含むＸＹ平面内に配置されることになる。 In the conventional measurement apparatus, the measurement axes 620 and 621 of two laser interferometers out of three laser interferometers that measure the measurement reference point are orthogonal to the measurement axis of the measurement head 602 and the Z axis of the stage 601. Therefore, the reflection mirror 613 that reflects the light from the laser interferometer toward the reference mirror 604 and the reflection mirror 614 that reflects the light toward the reference mirror 605 are arranged in the XY plane including the measurement reference point. .

例えば、被検物６０３の形状を計測する際に計測ヘッド６０２の横方向へのストロークが必要となる場合（例えば、被検物６０３が大口径レンズなどである場合）を考える。この場合、被検物６０３と反射ミラー６１３及び６１４との干渉を防止するために、計測ヘッド６０２（の計測位置）と反射ミラー６１３及び６１４のそれぞれとの間の距離を被検物６０３のＸ軸方向及びＹ軸方向の幅よりも長くしなければならない。具体的には、Ｚアーム６２３をＸ軸方向及びＹ軸方向に長くすることが必要となる。 For example, consider a case where a stroke in the lateral direction of the measuring head 602 is required when measuring the shape of the test object 603 (for example, when the test object 603 is a large-diameter lens or the like). In this case, in order to prevent interference between the test object 603 and the reflection mirrors 613 and 614, the distance between the measurement head 602 (measurement position thereof) and each of the reflection mirrors 613 and 614 is set to X of the test object 603. It must be longer than the width in the axial direction and the Y-axis direction. Specifically, it is necessary to lengthen the Z arm 623 in the X axis direction and the Y axis direction.

しかしながら、上述したように、計測ヘッドとレーザ干渉計の間に存在する部材（例えば、Ｚアーム）を長く（大型化）すると、環境温度の変化によって部材が変形（膨張又は収縮）し、計測ヘッドとレーザ干渉計との相対位置が変化しやすくなってしまう。また、計測ヘッドに対するレーザ干渉計の固有振動数が低くなるため、計測ヘッドの駆動時の慣性力、ステージガイドからの振動、床からの振動などによって、計測ヘッドとレーザ干渉計との間の姿勢差が生じやすくなってしまう。従って、従来の計測装置では、計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合に、被検物の形状を高精度に計測することができないという問題がある。 However, as described above, when a member (for example, Z arm) existing between the measurement head and the laser interferometer is lengthened (enlarged), the member is deformed (expanded or contracted) due to a change in environmental temperature, and the measurement head And the relative position of the laser interferometer are likely to change. In addition, since the natural frequency of the laser interferometer with respect to the measurement head is lowered, the posture between the measurement head and the laser interferometer is caused by inertial force when driving the measurement head, vibration from the stage guide, vibration from the floor, etc. Differences are likely to occur. Therefore, the conventional measuring apparatus has a problem that the shape of the test object cannot be measured with high accuracy when a stroke in the lateral direction of the measuring head is required.

また、特許文献２に開示された技術では、高価なレーザ干渉計が５つも必要となり、計測装置の高コスト化を招いてしまう。 In the technique disclosed in Patent Document 2, as many as five expensive laser interferometers are required, leading to an increase in cost of the measuring apparatus.

そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、装置の高コスト化を抑えながら、被検面の形状を高精度に計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems of the conventional technique, and an exemplary object of the present invention is to provide a technique capable of measuring the shape of the test surface with high accuracy while suppressing the increase in cost of the apparatus. And

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検物の被検面の形状を計測する計測装置であって、前記被検物を保持する保持面を含む保持部と、前記被検面の形状を計測するための基準となる基準位置を含み、前記被検面と前記基準位置との間の距離を計測する距離計測部と、前記基準位置が前記被検面に沿うように前記距離計測部を駆動する駆動部と、前記駆動部によって駆動される前記距離計測部の前記基準位置を測定する位置測定部と、前記距離計測部によって計測された前記被検面と前記基準位置との間の距離と前記位置測定部によって測定された前記基準位置とに基づいて前記被検面の形状を算出する処理部と、を有し、前記位置測定部は、前記距離計測部に配置されて互いに異なる測定軸を有する第１のレーザ干渉計、第２のレーザ干渉計及び第３のレーザ干渉計と、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計のそれぞれからの光をそれぞれ反射する第１の反射ミラー、第２の反射ミラー及び第３の反射ミラーと、前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーで反射されて前記測定軸に沿って入射するそれぞれの光を反射して、前記測定軸に沿って前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーに導く第１の基準ミラー、第２の基準ミラー及び第３の基準ミラーとを含み、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーで反射されたそれぞれの光は、前記第１の反射ミラー、前記第２の反射ミラー及び前記第３の反射ミラーを介して、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計に戻り、前記第１のレーザ干渉計の原点と前記第１の基準ミラーとの間の距離、前記第２のレーザ干渉計の原点と前記第２の基準ミラーとの間の距離及び前記第３のレーザ干渉計の原点と前記第３の基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準位置を測定し、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーは、前記第１の基準ミラー、前記第２の基準ミラー及び前記第３の基準ミラーの法線が前記保持面を含む面に交差するように配置されており、前記第１のレーザ干渉計、前記第２のレーザ干渉計及び前記第３のレーザ干渉計の測定軸の延長線が前記基準位置で交差することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a measuring apparatus according to one aspect of the present invention is a measuring apparatus that measures the shape of a test surface of a test object, and includes a holding unit that holds the test object A distance measurement unit that measures a distance between the test surface and the reference position, and a reference position that is the reference surface for measuring the shape of the test surface; A driving unit that drives the distance measuring unit along the position, a position measuring unit that measures the reference position of the distance measuring unit driven by the driving unit, and the test surface measured by the distance measuring unit And a processing unit that calculates the shape of the test surface based on the distance between the reference position and the reference position measured by the position measurement unit, and the position measurement unit includes the distance A first label which is arranged in the measurement unit and has different measurement axes. The interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer, and the light reflected from each of the first laser interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer, respectively. The first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror that are reflected by the first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror and along the measurement axis A first reference mirror, a second reference mirror that reflects each incident light and guides it to the first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror along the measurement axis; Each of the lights reflected by the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror is included in the first reference mirror and the second reflection mirror. A mirror and the third reflecting mirror To, the first laser interferometer, the second back to the laser interferometer and the third laser interferometer, the distance between the first origin and the first reference mirror of a laser interferometer Measuring the distance between the origin of the second laser interferometer and the second reference mirror and measuring the distance between the origin of the third laser interferometer and the third reference mirror. A reference position is measured, and the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror are the same as the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror. The line is arranged so as to intersect a plane including the holding surface, and an extension line of a measurement axis of the first laser interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer is the reference line. It is characterized by intersecting at a position .

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。 Further objects and other aspects of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.

本発明によれば、例えば、装置の高コスト化を抑えながら、被検面の形状を高精度に計測する技術を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a technique for measuring the shape of a surface to be measured with high accuracy while suppressing an increase in cost of the apparatus.

本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of the measuring device as one side surface of this invention. 図１に示す計測装置の構成を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the structure of the measuring device shown in FIG. 図１に示す計測装置の計測ヘッドの近傍を示す図である。It is a figure which shows the vicinity of the measurement head of the measuring apparatus shown in FIG. 図１に示す計測装置の計測ヘッドの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the measurement head of the measuring device shown in FIG. 図１に示す計測装置の各レーザ干渉計の測定原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement principle of each laser interferometer of the measuring device shown in FIG. 図１に示す計測装置の計測ヘッドの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the measurement head of the measuring device shown in FIG. 従来の計測装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional measuring device.

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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図１は、本発明の一側面としての計測装置１の構成を示す概略斜視図である。図２は、計測装置１の構成を示す概略側面図である。図３（ａ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＺ平面図である。図３（ｂ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＹ平面図である。図３（ｃ）は、計測装置１の計測ヘッド１４１の近傍を示すＸＺ平面図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of a measuring apparatus 1 as one aspect of the present invention. FIG. 2 is a schematic side view showing the configuration of the measuring device 1. FIG. 3A is an XZ plan view showing the vicinity of the measurement head 141 of the measurement apparatus 1. FIG. 3B is an XY plan view showing the vicinity of the measurement head 141 of the measurement apparatus 1. FIG. 3C is an XZ plan view showing the vicinity of the measurement head 141 of the measurement apparatus 1.

計測装置１は、光学素子や金型などの被検物の被検面の形状（表面形状）を計測する３次元計測装置である。基台１００の上には、Ｘ軸方向に沿ってＸ軸ステージガイド１１０が固定されている。Ｘ軸ステージガイド１１０には、Ｘ軸ステージ１１１がＸ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｘ軸ステージ１１１は、Ｘ軸ステージ駆動用モータ１１２及びボールネジ１１３によって駆動される。 The measuring device 1 is a three-dimensional measuring device that measures the shape (surface shape) of a test surface of a test object such as an optical element or a mold. An X-axis stage guide 110 is fixed on the base 100 along the X-axis direction. An X-axis stage 111 is supported by the X-axis stage guide 110 so as to be driven (slidable) in the X-axis direction. The X axis stage 111 is driven by an X axis stage driving motor 112 and a ball screw 113.

Ｘ軸ステージ１１１の上には、Ｙ軸方向に沿ってＹ軸ステージガイド１２０が固定されている。Ｙ軸ステージガイド１２０には、Ｙ軸ステージ１２１がＹ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｙ軸ステージ１２１は、Ｙ軸ステージ駆動用モータ１２２及びボールネジ１２３によって駆動される。 A Y-axis stage guide 120 is fixed on the X-axis stage 111 along the Y-axis direction. A Y-axis stage guide 120 supports a Y-axis stage 121 so that it can be driven (slid) in the Y-axis direction. The Y-axis stage 121 is driven by a Y-axis stage driving motor 122 and a ball screw 123.

Ｙ軸ステージ１２１の上には、Ｚ軸方向に沿ってＺ軸ステージガイド１３０が固定されている。Ｚ軸ステージガイド１３０には、Ｚ軸ステージ１３１がＺ軸方向に駆動（スライド）可能に支持されている。Ｚ軸ステージ１３１は、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２及びボールネジ１３３によって駆動される。 A Z-axis stage guide 130 is fixed on the Y-axis stage 121 along the Z-axis direction. A Z-axis stage 131 is supported on the Z-axis stage guide 130 so as to be driven (slidable) in the Z-axis direction. The Z-axis stage 131 is driven by a Z-axis stage driving motor 132 and a ball screw 133.

Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２には、かかるモータの回転角を検出するエンコーダ１３４が設けられている。また、Ｚ軸ステージ１３１には、Ｚアーム１４０を介して計測ヘッド１４１が取り付けられている。計測ヘッド１４１は、後述するように、被検物１０３の被検面１０３ａの形状を計測するための基準となる基準点（基準位置）１４２を含み、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を計測する距離計測部として機能する。 The Z-axis stage drive motor 132 is provided with an encoder 134 that detects the rotation angle of the motor. A measuring head 141 is attached to the Z-axis stage 131 via a Z arm 140. As will be described later, the measuring head 141 includes a reference point (reference position) 142 that serves as a reference for measuring the shape of the test surface 103a of the test object 103, and is between the test surface 103a and the reference point 142. It functions as a distance measuring unit that measures the distance.

Ｘ軸ステージ１１１、Ｙ軸ステージ１２１及びＺ軸ステージ１３１は、各ステージガイド、各駆動用モータ、各ボールネジなどと協同して、計測ヘッド１４１をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に３次元的に駆動することができる。また、Ｘ軸ステージ１１１、Ｙ軸ステージ１２１及びＺ軸ステージ１３１は、本実施形態では、被検面１０３ａを計測する際に、基準点１４２が被検面１０３ａに沿うように計測ヘッド１４１を駆動する駆動部として機能する。 The X-axis stage 111, the Y-axis stage 121, and the Z-axis stage 131 cooperate with each stage guide, each drive motor, each ball screw, and the like to move the measuring head 141 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. It can be driven dimensionally. In this embodiment, the X-axis stage 111, the Y-axis stage 121, and the Z-axis stage 131 drive the measurement head 141 so that the reference point 142 is along the test surface 103a when measuring the test surface 103a. Functions as a drive unit.

ベース定盤１５０の上には、被検物１０３を保持する保持面１０２を含む保持部１０１が配置される。保持部１０１は、例えば、保持面１０２において被検物１０３を静電吸着する静電チャックで構成される。保持部１０１は、被検物１０３の被検面１０３ａを計測ヘッド１４１に対向させて被検物１０３を保持する。 On the base surface plate 150, a holding unit 101 including a holding surface 102 that holds the test object 103 is disposed. The holding unit 101 is configured by, for example, an electrostatic chuck that electrostatically attracts the test object 103 on the holding surface 102. The holding unit 101 holds the test object 103 with the test surface 103 a of the test object 103 facing the measurement head 141.

ベース定盤１５０の上に固定されたフレーム１５１には、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２が配置されている。第１の基準ミラー１８０は、第１の反射ミラー１７０を介して第１のレーザ干渉計１６０から照射される光を反射する。第２の基準ミラー１８１は、第２の反射ミラー１７１を介して第２のレーザ干渉計１６１から照射される光を反射する。第３の基準ミラー１８２は、第３の反射ミラー１７２を介して第３のレーザ干渉計１６２から照射される光を反射する。第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２は、Ｚアーム１４０を介して計測ヘッド１４１に配置され、互いに異なる測定軸を有する。また、各レーザ干渉計は、第１のレーザ干渉計１６０の測定軸１９０、第２のレーザ干渉計１６１の測定軸１９１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定軸１９２が計測ヘッド１４１の基準点１４２で交差するように配置される。 A first reference mirror 180, a second reference mirror 181, and a third reference mirror 182 are disposed on the frame 151 fixed on the base surface plate 150. The first reference mirror 180 reflects light emitted from the first laser interferometer 160 via the first reflection mirror 170. The second reference mirror 181 reflects light emitted from the second laser interferometer 161 via the second reflection mirror 171. The third reference mirror 182 reflects the light emitted from the third laser interferometer 162 via the third reflection mirror 172. The first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162 are disposed on the measurement head 141 via the Z arm 140 and have different measurement axes. Each laser interferometer is configured such that the measurement axis 190 of the first laser interferometer 160, the measurement axis 191 of the second laser interferometer 161, and the measurement axis 192 of the third laser interferometer 162 are the reference points of the measurement head 141. 142 so as to cross each other.

第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２と、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２とは、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置を測定する位置測定部として機能する。具体的には、各レーザ干渉計の原点と各基準ミラーとの間の距離を測定することで、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置が測定（決定）される。なお、かかる距離は、第１のレーザ干渉計１６０の原点と第１の基準ミラー１８０との間の距離、第２のレーザ干渉計１６１の原点と第２の基準ミラー１８１との間の距離及び第３のレーザ干渉計１６２の原点と第３の基準ミラー１８２との間の距離を含む。 The first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, the third laser interferometer 162, the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are a measurement head. It functions as a position measuring unit that measures the position of the reference point 142 of 141. Specifically, the position of the reference point 142 of the measuring head 141 is measured (determined) by measuring the distance between the origin of each laser interferometer and each reference mirror. This distance is the distance between the origin of the first laser interferometer 160 and the first reference mirror 180, the distance between the origin of the second laser interferometer 161 and the second reference mirror 181, and The distance between the origin of the third laser interferometer 162 and the third reference mirror 182 is included.

本実施形態では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、それらの全ての法線が保持面１０２を含む面に交差し、且つ、互いに直交するように配置されている。また、各基準ミラーは、各レーザ干渉計からの光が照射される範囲内に反射面が位置するように配置される。例えば、各基準ミラーは、正方形形状の反射面を有し、反射面の対角線のうち１つの対角線がＺ軸方向に沿うように配置される。 In the present embodiment, the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 have their normals intersecting the plane including the holding surface 102 and orthogonal to each other. Is arranged. In addition, each reference mirror is arranged such that the reflection surface is positioned within the range irradiated with light from each laser interferometer. For example, each reference mirror has a square-shaped reflection surface, and one of the diagonal lines of the reflection surface is arranged along the Z-axis direction.

ここで、本実施形態における第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の配置について具体的に説明する。Ｘ軸ステージ１１１の駆動方向、Ｙ軸ステージ１２１の駆動方向及びＺ軸ステージ１３１の駆動方向にＸＹＺ座標を定義する。この場合、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２のそれぞれの法線ベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が以下で表されるように配置される。このように、Ｚアーム１４０（計測ヘッド１４１）の駆動範囲に第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２を配置しないことで、計測装置１の大型化を防止することができる。 Here, the arrangement of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 in the present embodiment will be specifically described. XYZ coordinates are defined in the driving direction of the X-axis stage 111, the driving direction of the Y-axis stage 121, and the driving direction of the Z-axis stage 131. In this case, the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are normal to the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182, respectively. The vectors (X, Y, Z) are arranged as shown below. In this way, the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are not arranged in the drive range of the Z arm 140 (measurement head 141), thereby preventing the measurement apparatus 1 from being enlarged. can do.

なお、ベース定盤１５０、フレーム１５１、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、熱膨張係数の低い材料（例えば、熱膨張係数５ｐｐｍ／Ｋのグラナイト材料など）で構成するとよい。これにより、環境温度の変化に起因する計測誤差を低減させることができる。 The base surface plate 150, the frame 151, the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are made of a material having a low thermal expansion coefficient (for example, a granite material having a thermal expansion coefficient of 5 ppm / K). Etc.). Thereby, the measurement error resulting from the change of environmental temperature can be reduced.

変位センサ２００は、計測ヘッド１４１の変位を検出する。変位センサ２００によって検出された計測ヘッド１４１の変位は、ならい制御部２０１に変位信号として入力される。ならい制御部２０１は、変位センサ２００からの変位信号が一定となるようにＺ軸ステージ１３１の位置を制御するための制御信号を生成し、かかる制御信号をモータ用アンプ２０２に入力する。モータ用アンプ２０２は、ならい制御部２０１からの制御信号に基づいて、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２を駆動する。 The displacement sensor 200 detects the displacement of the measurement head 141. The displacement of the measuring head 141 detected by the displacement sensor 200 is input to the follow control unit 201 as a displacement signal. The profile control unit 201 generates a control signal for controlling the position of the Z-axis stage 131 so that the displacement signal from the displacement sensor 200 becomes constant, and inputs the control signal to the motor amplifier 202. The motor amplifier 202 drives the Z-axis stage drive motor 132 based on the control signal from the profile control unit 201.

また、エンコーダ１３４によって検出されたＺ軸ステージ駆動用モータ１３２の回転角は、Ｚ軸ステージ１３１のＺ軸方向の位置を制御する位置制御部２０３に回転角信号として入力される。位置制御部２０３は、エンコーダ１３４からの回転角信号（即ち、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２の回転角）に基づいて、Ｚ軸ステージ１３１の位置を制御するための制御信号を生成し、かかる制御信号をモータ用アンプ２０２に入力する。モータ用アンプ２０２は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて、Ｚ軸ステージ駆動用モータ１３２を駆動する。 The rotation angle of the Z-axis stage drive motor 132 detected by the encoder 134 is input as a rotation angle signal to the position control unit 203 that controls the position of the Z-axis stage 131 in the Z-axis direction. The position control unit 203 generates a control signal for controlling the position of the Z-axis stage 131 based on the rotation angle signal from the encoder 134 (that is, the rotation angle of the Z-axis stage driving motor 132), and performs such control. The signal is input to the motor amplifier 202. The motor amplifier 202 drives the Z-axis stage driving motor 132 based on a control signal from the position control unit 203.

モータ用アンプ２０２に入力される制御信号（即ち、ならい制御部２０１又は位置制御部２０３からの制御信号）は、スイッチ２０４によって切り替えられる。かかるスイッチ２０４のスイッチ動作は、処理部２０９によって制御される。処理部２０９は、ＣＰＵやメモリなどを含み、計測装置１の各部（全体の動作）を制御する。また、処理部２０９は、本実施形態では、計測ヘッド１４１によって計測された被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離と上述した位置測定部によって測定された基準点１４２の位置とに基づいて被検面１０３ａの形状を算出する。 A control signal (that is, a control signal from the profile control unit 201 or the position control unit 203) input to the motor amplifier 202 is switched by the switch 204. The switch operation of the switch 204 is controlled by the processing unit 209. The processing unit 209 includes a CPU, a memory, and the like, and controls each unit (overall operation) of the measuring device 1. Further, in this embodiment, the processing unit 209 is based on the distance between the test surface 103a measured by the measuring head 141 and the reference point 142 and the position of the reference point 142 measured by the position measuring unit described above. Thus, the shape of the test surface 103a is calculated.

図４を参照して、計測ヘッド１４１の構成について説明する。図４に示す計測ヘッド１４１は、被検面１０３ａと基準点１４２とが非接触の状態で被検面１０３ａと１４２との間の距離を計測する非接触式の計測ヘッド（光プローブ）である。照明光学系は、ビームエキスパンダ４０１、ビームスプリッタ４０２及び対物レンズ４１０によって構成されている。受光光学系は、対物レンズ４１０、ビームスプリッタ４０２、結像レンズ４０５及びアパーチャ４０７によって構成されている。 The configuration of the measurement head 141 will be described with reference to FIG. The measurement head 141 shown in FIG. 4 is a non-contact type measurement head (optical probe) that measures the distance between the test surfaces 103a and 142 in a state where the test surface 103a and the reference point 142 are not in contact. . The illumination optical system includes a beam expander 401, a beam splitter 402, and an objective lens 410. The light receiving optical system includes an objective lens 410, a beam splitter 402, an imaging lens 405, and an aperture 407.

ビームエキスパンダ４０１からの光は、ビームスプリッタ４０２によって透過光と反射光とに分割される。透過光は、参照面４０４側に進み、反射光は、被検面１０３ａ側に進む。参照面４０４側に進んだ透過光は、参照面４０４で反射されて参照光となる。参照光は、ビームスプリッタ４０２で反射され、結像レンズ４０５側に進む。 Light from the beam expander 401 is split into transmitted light and reflected light by the beam splitter 402. The transmitted light travels to the reference surface 404 side, and the reflected light travels to the test surface 103a side. The transmitted light that has traveled toward the reference surface 404 is reflected by the reference surface 404 to become reference light. The reference light is reflected by the beam splitter 402 and proceeds to the imaging lens 405 side.

一方、被検面１０３ａ側に進んだ反射光は、対物レンズ４１０に入射する。対物レンズ４１０に入射した光は、対物レンズ４１０の集光点４１１を曲率中心とする球面波に変換され、被検面１０３ａで反射される。なお、本実施形態では、対物レンズ４１０の集光点４１１を計測ヘッド１４１の基準点１４２と定義している。被検面１０３ａで反射された光のうち被検面１０３ａの法線方向に反射された光は、被検光として、対物レンズ４１０及びビームスプリッタ４０２を透過して結像レンズ４０５側に進む。 On the other hand, the reflected light traveling toward the test surface 103 a is incident on the objective lens 410. The light incident on the objective lens 410 is converted into a spherical wave whose center of curvature is the condensing point 411 of the objective lens 410, and is reflected by the test surface 103a. In the present embodiment, the condensing point 411 of the objective lens 410 is defined as the reference point 142 of the measuring head 141. Of the light reflected by the test surface 103a, the light reflected in the normal direction of the test surface 103a passes through the objective lens 410 and the beam splitter 402 as the test light and proceeds to the imaging lens 405 side.

参照光と被検光は干渉パターンを形成し、結像レンズ４０５を介して光検出部４０８に入射する。なお、対物レンズ４１０の集光点４１１と共役な位置に配置されたアパーチャ４０７（の開口部）によって、被検面１０３ａで反射された光のうち被検面１０３ａの法線方向に反射された光のみが光検出部４０８に入射し、その他の光は遮光される。 The reference light and the test light form an interference pattern and enter the light detection unit 408 through the imaging lens 405. The aperture 407 (opening thereof) arranged at a position conjugate with the condensing point 411 of the objective lens 410 was reflected in the normal direction of the test surface 103a out of the light reflected by the test surface 103a. Only light is incident on the light detection unit 408, and other light is blocked.

光検出部４０８は、アバランシェフォトダイオードやピンフォトダイオードなどのフォトダイオードで構成され、参照光と被検光との干渉パターンを光電変換して干渉信号として検出する。光検出部４０８で検出された干渉信号は、ケーブル（不図示）を介して、演算部４２０に入力される。演算部４２０は、光検出部４０８からの干渉信号を解析して参照光と被検光との間の光路長差を算出し、被検面１０３ａと集光点４１１（基準点１４２）との間の距離を求める。 The light detection unit 408 includes a photodiode such as an avalanche photodiode or a pin photodiode, and photoelectrically converts an interference pattern between the reference light and the test light and detects it as an interference signal. The interference signal detected by the light detection unit 408 is input to the calculation unit 420 via a cable (not shown). The calculation unit 420 analyzes the interference signal from the light detection unit 408, calculates the optical path length difference between the reference light and the test light, and calculates the difference between the test surface 103a and the focusing point 411 (reference point 142). Find the distance between.

図５を参照して、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定原理について説明する。なお、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２の測定原理は全て同じであるため、ここでは、第１のレーザ干渉計１６０を例に説明する。 The measurement principles of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162 will be described with reference to FIG. Since the measurement principles of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162 are all the same, the first laser interferometer 160 will be described as an example here. .

発振周波数が安定化され、垂直偏光成分と水平偏光成分とで周波数の異なるレーザ光５０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５１によって、垂直偏光成分と水平偏光成分とに分離される。ＰＢＳ５１で分離された一方の成分の光は、ＰＢＳ５１を透過してコーナーキューブ５２ａで反射され、ＰＢＳ５１を再び透過して光ファイバ５３に入射する。 The laser light 50 whose oscillation frequency is stabilized and whose frequencies are different between the vertical polarization component and the horizontal polarization component is separated into a vertical polarization component and a horizontal polarization component by a polarization beam splitter (PBS) 51. The light of one component separated by the PBS 51 is transmitted through the PBS 51 and reflected by the corner cube 52 a, passes through the PBS 51 again, and enters the optical fiber 53.

ＰＢＳ５１で分離された他方の成分の光は、ＰＢＳ５１で反射され、λ／４板５５によって直線偏光が円偏光に変換され、光ビーム５４ａを形成する。光ビーム５４ａは、第１の基準ミラー１８０で反射され、λ／４板５５によって円偏光が直線偏光に変換される。かかる光は、λ／４板５５を２回通過することによって直線偏光の偏光方向が９０°回転しているため、ＰＢＳ５１を透過してコーナーキューブ５２ｂで反射される。 The light of the other component separated by the PBS 51 is reflected by the PBS 51, and linearly polarized light is converted into circularly polarized light by the λ / 4 plate 55 to form a light beam 54a. The light beam 54 a is reflected by the first reference mirror 180, and the circularly polarized light is converted into linearly polarized light by the λ / 4 plate 55. Since such light passes through the λ / 4 plate 55 twice and the polarization direction of linearly polarized light is rotated by 90 °, it passes through the PBS 51 and is reflected by the corner cube 52b.

コーナーキューブ５２ｂで反射された光は、ＰＰＢ５１を再び透過し、λ／４板５５によって直線偏光が円偏光に変換され、光ビーム５４ｂを形成する。光ビーム５４ｂは、第１の基準ミラー１８０で反射され、λ／４板５５によって円偏光が直線偏光に変換される。かかる光は、λ／４板５５を２回通過することによって直線偏光の偏光方向が９０°回転しているため、ＰＢＳ５１で反射されて光ファイバ５３に入射する。 The light reflected by the corner cube 52b passes through the PPB 51 again, and the linearly polarized light is converted into circularly polarized light by the λ / 4 plate 55 to form a light beam 54b. The light beam 54 b is reflected by the first reference mirror 180, and the circularly polarized light is converted into linearly polarized light by the λ / 4 plate 55. Such light passes through the λ / 4 plate 55 twice, so that the polarization direction of the linearly polarized light is rotated by 90 °, so that it is reflected by the PBS 51 and enters the optical fiber 53.

光ファイバ５３では、第１の基準ミラー１８０で反射された光とコーナーキューブ５２ａで反射された光とが合成されて干渉パターンが形成される。かかる干渉パターンをフォトダイオードなどで構成された光検出部で干渉信号として検出し、かかる干渉信号を解析して両者の光路長差を算出することで、第１のレーザ干渉計１６０の原点と第１の基準ミラー１８０との間の距離が得られる。 In the optical fiber 53, the light reflected by the first reference mirror 180 and the light reflected by the corner cube 52a are combined to form an interference pattern. Such an interference pattern is detected as an interference signal by a light detection unit configured by a photodiode or the like, and the interference signal is analyzed to calculate a difference in optical path length between the two, whereby the origin of the first laser interferometer 160 and the first A distance from one reference mirror 180 is obtained.

処理部２０９による被検面１０３ａの形状の算出について説明する。計測ヘッド１４１からの光の集光点（即ち、対物レンズ４１０の集光点４１１）の位置座標（Ｘ_ｏ，Ｙ_ｏ，Ｚ_ｏ）は、以下の式１で表される。 Calculation of the shape of the test surface 103a by the processing unit 209 will be described. The position coordinates (X _o , Y _o , Z _o ) of the condensing point of the light from the measuring head 141 (that is, the condensing point 411 of the objective lens 410) is expressed by the following formula 1.

上述したように、式１の右辺は、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置座標と等しい。（ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３）は、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値である。 As described above, the right side of Equation 1 is equal to the position coordinates of the reference point 142 of the measurement head 141. (L ₁ , l ₂ , l ₃ ) are measured values of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162.

処理部２０９は、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置座標（Ｘ_ｏ，Ｙ_ｏ，Ｚ_ｏ）から、被検面１０３ａと基準点１４２の位置との間の距離だけ離れ、且つ、設計上の被検面１０３ａの法線方向に被検面１０３ａの表面があるもとして形状を算出する。 The processing unit 209 is separated from the position coordinates (X _o , Y _o , Z _o ) of the reference point 142 of the measuring head 141 by a distance between the test surface 103a and the position of the reference point 142, and is designed. The shape is calculated assuming that the surface of the test surface 103a is in the normal direction of the test surface 103a.

以下、計測装置１の動作について説明する。なお、被検物１０３は、保持部１０１（保持面１０２）に保持されているものとする。 Hereinafter, the operation of the measuring apparatus 1 will be described. It is assumed that the test object 103 is held by the holding unit 101 (holding surface 102).

まず、Ｚ軸ステージ１３１を駆動して（即ち、計測ヘッド１４１を駆動して）、計測ヘッド１４１のＺ軸方向の位置を被検面１０３ａから所定の距離だけ離れた位置に制御する。次に、Ｘ軸ステージ１１１及びＹ軸ステージ１２１を駆動して、被検面１０３ａの計測ポイントの上に計測ヘッド１４１を駆動する（Ｓ２）。そして、変位センサ２００からの変位信号を観察し、計測ヘッド１４１と被検面１０３ａとの間の距離が所定の距離になるまで計測ヘッド１４１を駆動する（Ｓ３）。なお、これまでの駆動は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて行われる。 First, the Z-axis stage 131 is driven (that is, the measurement head 141 is driven), and the position of the measurement head 141 in the Z-axis direction is controlled to a position away from the test surface 103a by a predetermined distance. Next, the X-axis stage 111 and the Y-axis stage 121 are driven, and the measurement head 141 is driven on the measurement point of the test surface 103a (S2). Then, the displacement signal from the displacement sensor 200 is observed, and the measurement head 141 is driven until the distance between the measurement head 141 and the test surface 103a reaches a predetermined distance (S3). The driving so far is performed based on a control signal from the position control unit 203.

次いで、変位センサ２００からの変位信号が一定となるように、各ステージを駆動して計測ヘッド１４１の位置を制御する（Ｓ４）。かかる駆動は、ならい制御部２０１からの制御信号に基づいて行われる。 Next, each stage is driven to control the position of the measurement head 141 so that the displacement signal from the displacement sensor 200 is constant (S4). Such driving is performed based on a control signal from the profile control unit 201.

次に、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値を式１に代入して、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置（座標）を求める（Ｓ５）。そして、計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置と、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を処理部２０９のメモリに保存する。 Next, the measured values of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162 are substituted into Equation 1, and the position (coordinates) of the reference point 142 of the measuring head 141 is calculated. ) Is obtained (S5). Then, the position of the reference point 142 of the measuring head 141 and the distance between the test surface 103a and the reference point 142 are stored in the memory of the processing unit 209.

次いで、被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行したかどうか（即ち、計測ヘッド１４１によって被検面１０３ａの全ての領域を走査したかどうか）を判定する（Ｓ６）。被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行していない場合には、Ｓ４に戻る。また、被検面１０３ａの全ての被計測領域において計測を実行した場合には、各ステージを駆動して、計測ヘッド１４１を被検面１０３ａの上から退避させる（Ｓ７）。なお、かかる駆動は、位置制御部２０３からの制御信号に基づいて行われる。 Next, it is determined whether or not measurement has been performed in all the measurement areas of the test surface 103a (that is, whether or not all the areas of the test surface 103a have been scanned by the measurement head 141) (S6). If measurement has not been performed in all measurement areas of the test surface 103a, the process returns to S4. Further, when measurement is performed in all measurement areas of the test surface 103a, each stage is driven to retract the measurement head 141 from the test surface 103a (S7). Such driving is performed based on a control signal from the position control unit 203.

そして、処理部２０９のメモリに保存された計測ヘッド１４１の基準点１４２の位置、及び、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離に基づいて、被検面１０３ａの形状を算出する（Ｓ８）。 Then, the shape of the test surface 103a is calculated based on the position of the reference point 142 of the measurement head 141 stored in the memory of the processing unit 209 and the distance between the test surface 103a and the reference point 142 ( S8).

計測装置１においては、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に交差するように、各基準ミラーが配置されている。換言すれば、計測装置１では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２を計測ヘッド１４１の基準点１４２を含むＸＹ平面内に配置する必要がない。従って、計測装置１では、被検面の形状を計測する際に計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合にも、計測ヘッドとレーザ干渉計やミラーとの間の距離を被検物１０３の幅よりも短くすることができる（Ｚアームを大型化する必要がない）。 In the measurement apparatus 1, each reference mirror is arranged so that all the normal lines of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181, and the third reference mirror 182 intersect the plane including the holding surface 102. ing. In other words, in the measurement apparatus 1, it is not necessary to arrange the first reference mirror 180, the second reference mirror 181, and the third reference mirror 182 in the XY plane including the reference point 142 of the measurement head 141. Therefore, in the measuring apparatus 1, the distance between the measuring head and the laser interferometer or mirror is measured even when a horizontal stroke of the measuring head is required when measuring the shape of the test surface. The width can be shorter than 103 (no need to increase the size of the Z-arm).

その結果、環境温度の変化に起因する部材の変形（膨張又は収縮）が低減され、計測ヘッドとレーザ干渉計との相対位置を維持することが可能となる。また、計測ヘッドに対するレーザ干渉計の固有振動数を高くすることができるため、計測ヘッドの駆動時の慣性力、ステージガイドからの振動、床からの振動などに起因する計測ヘッドとレーザ干渉計との間の姿勢差が生じにくくなる。従って、計測装置１は、計測ヘッドの横方向へのストロークが必要となる場合であっても、被検物の形状を高精度に計測することができる。 As a result, the deformation (expansion or contraction) of the member due to the change in the environmental temperature is reduced, and the relative position between the measurement head and the laser interferometer can be maintained. In addition, since the natural frequency of the laser interferometer with respect to the measurement head can be increased, the measurement head and laser interferometer caused by the inertial force when driving the measurement head, vibration from the stage guide, vibration from the floor, etc. The posture difference between the two becomes difficult to occur. Therefore, the measuring device 1 can measure the shape of the test object with high accuracy even when the lateral stroke of the measuring head is required.

なお、上述したように、本実施形態では、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２は、それらの全ての法線が保持面１０２を含む面に交差し、且つ、互いに直交するように配置されている。但し、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の配置は、これに限定されるものではない。例えば、直径１００ｍｍのガラス平面基板上に、高さ（Ｚ軸方向）１ｍｍ程度の複数の凸レンズを配列させた光学素子が被検物１０３である場合を考える。この場合、第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の有効面積（反射面の合計の面積）は、例えば、第１の配置パターン及び第２の配置パターンに応じて、以下のようになる。
（第１の配置パターン）第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に対して４５°となるように配置する場合：６．７×１０^４ｍｍ^２
（第２の配置パターン）第１の基準ミラー１８０、第２の基準ミラー１８１及び第３の基準ミラー１８２の全ての法線が保持面１０２を含む面に対して３０°となるように配置する場合：４．８×１０^４ｍｍ^２
第１の配置パターンに比べて、第２の配置パターンは、基準ミラーの有効面積を約３０％低減することができる。高い精度が要求される基準ミラーは高価であるため、有効面積を低減することによって計測装置１のコストを抑えることができる。このように、被検物１０３（被検面１０３ａ）の計測範囲を限定することができる場合には、保持面１０２を含む面に対する基準ミラーの法線の角度を適切に設定するとよい。 As described above, in the present embodiment, all of the normal lines of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 intersect the plane including the holding surface 102. And arranged so as to be orthogonal to each other. However, the arrangement of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 is not limited to this. For example, consider a case where the test object 103 is an optical element in which a plurality of convex lenses having a height (Z-axis direction) of about 1 mm are arranged on a glass flat substrate with a diameter of 100 mm. In this case, the effective area (total area of the reflecting surfaces) of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 is, for example, the first arrangement pattern and the second arrangement pattern. According to the following:
(First Arrangement Pattern) The first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are arranged so that all the normal lines are 45 ° with respect to the plane including the holding surface 102. Case: 6.7 × 10 ⁴ mm ²
(Second arrangement pattern) All the normal lines of the first reference mirror 180, the second reference mirror 181 and the third reference mirror 182 are arranged so as to be 30 ° with respect to the plane including the holding surface 102. Case: 4.8 × 10 ⁴ mm ²
Compared to the first arrangement pattern, the second arrangement pattern can reduce the effective area of the reference mirror by about 30%. Since the reference mirror that requires high accuracy is expensive, the cost of the measuring apparatus 1 can be reduced by reducing the effective area. As described above, when the measurement range of the test object 103 (test surface 103a) can be limited, the normal angle of the reference mirror with respect to the surface including the holding surface 102 may be appropriately set.

また、計測ヘッド１４１は、非接触式の計測ヘッドに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、被検面１０３ａと基準点１４２を含む接触部材（基準部材）３１１とが接触した状態で被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を計測する接触式の計測ヘッド１４１Ａであってもよい。計測ヘッド１４１Ａは、被検面１０３ａの反射率が低く、被検面１０３ａと基準点１４２との間の距離を非接触式の計測ヘッドで計測できない場合や被検面１０３ａに形成された穴の底を計測する場合などに有効である。 Further, the measurement head 141 is not limited to a non-contact type measurement head. For example, as shown in FIG. 6, a contact type that measures the distance between the test surface 103a and the reference point 142 in a state where the test surface 103a and the contact member (reference member) 311 including the reference point 142 are in contact with each other. The measurement head 141A may be used. The measurement head 141A has a low reflectivity of the test surface 103a, and the distance between the test surface 103a and the reference point 142 cannot be measured by a non-contact type measurement head or the hole formed in the test surface 103a. This is effective when measuring the bottom.

計測ヘッド１４１Ａにおいて、基準点１４２は、球体形状を有する接触部材３１１を予め定められた接触圧力で被検面１０３ａに押し付けた状態での接触部材３１１の中心位置で定義される。 In the measurement head 141A, the reference point 142 is defined by the center position of the contact member 311 in a state where the contact member 311 having a spherical shape is pressed against the test surface 103a with a predetermined contact pressure.

図６（ａ）は、接触部材３１１を予め定められた接触圧力で被検面１０３ａに押し付けた状態を示している。また、図６（ｂ）は、計測ヘッド１４１Ａを駆動した際に、シャフト３１２が被検面１０３ａから受ける力によって、筐体３００に対してＺ軸方向に変位した状態を示している。シャフト３１２は、筐体３００に対して、平行板バネ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ及び３１０ｄを介してＺ軸方向のみに変位可能に支持される。シャフト３１２の下端には、球体形状が高い精度で保証された接触部材３１１が取り付けられており、シャフト３１２の上端には、ミラー３２０が取り付けられている。変位センサ３２１は、例えば、レーザ干渉計を含み、ミラー３２０の位置を検出する。換言すれば、変位センサ３２１は、接触部材３１１の相対位置変化、即ち、基準点１４２の位置変化量３２２を検出する。 FIG. 6A shows a state where the contact member 311 is pressed against the test surface 103a with a predetermined contact pressure. FIG. 6B shows a state in which the shaft 312 is displaced in the Z-axis direction with respect to the housing 300 due to the force that the shaft 312 receives from the test surface 103a when the measuring head 141A is driven. The shaft 312 is supported by the housing 300 so as to be displaceable only in the Z-axis direction via parallel leaf springs 310a, 310b, 310c and 310d. A contact member 311 having a spherical shape guaranteed with high accuracy is attached to the lower end of the shaft 312, and a mirror 320 is attached to the upper end of the shaft 312. The displacement sensor 321 includes, for example, a laser interferometer and detects the position of the mirror 320. In other words, the displacement sensor 321 detects the relative position change of the contact member 311, that is, the position change amount 322 of the reference point 142.

処理部２０９による被検面１０３ａの形状の算出について説明する。接触部材３１１の中心（即ち、基準点１４２）の位置座標（Ｘ_ｐ，Ｙ_ｐ，Ｚ_ｐ）は、以下の式２で表される。但し、レーザ干渉計は、相対値を出力するため、厳密には、計測開始位置や装置の原点などを基準とした相対座標である。 Calculation of the shape of the test surface 103a by the processing unit 209 will be described. The position coordinates (X _p , Y _p , Z _p ) of the center of the contact member 311 (that is, the reference point 142) are expressed by the following formula 2. However, since the laser interferometer outputs a relative value, strictly speaking, the relative coordinates are based on the measurement start position, the origin of the apparatus, and the like.

式２の右辺の第１項は、上述した計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２である。（ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３）は、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値である。式２の右辺の第２項のＡは、変位センサ３２１の光軸方向をＺ軸方向とするローカル座標軸を、計測装置１の座標軸に変換する回転行列であって、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化に相当する。式２の右辺の第２項の（０，０，Ｚ_ｓ）は、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２からの接触部材３１１の相対位置変化であって、基準点１４２の位置変化量３２２に相当する。本実施形態では、Ｚ軸方向のみを計測しているため、基準点１４２の位置変化量３２２は、Ｚ軸方向の成分のみに値を有する。 The first term on the right side of Equation 2 is the reference point 142 of the measurement head 141A described above. (L ₁ , l ₂ , l ₃ ) are measured values of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162. A in the second term on the right side of Equation 2 is a rotation matrix that converts a local coordinate axis in which the optical axis direction of the displacement sensor 321 is the Z-axis direction into a coordinate axis of the measuring device 1, and changes the posture of the measuring head 141A. Equivalent to. The second term (0, 0, Z _s ) on the right side of Equation 2 is a relative position change of the contact member 311 from the reference point 142 of the measuring head 141A, and corresponds to the position change amount 322 of the reference point 142. . In this embodiment, since only the Z-axis direction is measured, the position change amount 322 of the reference point 142 has a value only in the component in the Z-axis direction.

ここでは、式２の右辺の第２項のＡを計測せず、単位ベクトルとみなしている。従って、Ａが単位ベクトル以外の値を有すると、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化による誤差、即ち、アッベ誤差が発生する。但し、実際には、計測ヘッド１４１Ａの姿勢変化は１０秒程度、Ｚ_ｓは３μｍ程度であるため、アッベ誤差が発生したとしてもその量は０．１５ｎｍ程度であり、無視することができる。 Here, A in the second term on the right side of Equation 2 is not measured and is regarded as a unit vector. Therefore, if A has a value other than the unit vector, an error due to a change in posture of the measuring head 141A, that is, an Abbe error occurs. However, actually, since the posture change of the measuring head 141A is about 10 seconds and Z _s is about 3 μm, even if an Abbe error occurs, the amount is about 0.15 nm and can be ignored.

処理部２０９は、接触部材３１１の中心の位置座標（Ｘ_ｐ，Ｙ_ｐ，Ｚ_ｐ）から、接触方向に設計上の接触部材の半径だけ離れた位置に被検面１０３ａの表面があるものとして形状を算出する。 The processing unit 209 assumes that the surface of the test surface 103a is located at a position away from the center position coordinates (X _p , Y _p , Z _p ) of the contact member 311 by the designed contact member radius in the contact direction. Calculate the shape.

計測ヘッド１４１Ａを用いた場合における計測装置１の動作について説明する。計測装置１の動作は、上述した計測装置１の動作と比較して、Ｓ３、Ｓ４及びＳ５の動作が異なる。
具体的には、Ｓ３では、Ｚ軸ステージ１３１を駆動して（即ち、計測ヘッド１４１Ａを駆動して）、被検面１０３ａに接触部材３１１が接触するまで計測ヘッド１４１Ａを駆動（下降）する。Ｓ４では、変位センサ３２１からの出力をモニターし、計測ヘッド１４１Ａと被検面１０３ａとの距離が所定の距離となるように、Ｚ軸ステージ１３１を駆動（下降）する。Ｓ５では、第１のレーザ干渉計１６０、第２のレーザ干渉計１６１及び第３のレーザ干渉計１６２のそれぞれの測定値を式２に代入して、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２の位置（座標）を求める。そして、計測ヘッド１４１Ａの基準点１４２の位置変化量３２２と、基準点１４２の位置とを処理部２０９のメモリに保存する。 An operation of the measuring apparatus 1 when the measuring head 141A is used will be described. The operation of the measurement device 1 is different from the operation of the measurement device 1 described above in the operations of S3, S4, and S5.
Specifically, in S3, the Z-axis stage 131 is driven (that is, the measurement head 141A is driven), and the measurement head 141A is driven (lowered) until the contact member 311 comes into contact with the test surface 103a. In S4, the output from the displacement sensor 321 is monitored, and the Z-axis stage 131 is driven (lowered) so that the distance between the measurement head 141A and the test surface 103a becomes a predetermined distance. In S5, the measured values of the first laser interferometer 160, the second laser interferometer 161, and the third laser interferometer 162 are substituted into Equation 2, and the position (coordinates) of the reference point 142 of the measuring head 141A is determined. ) Then, the position change amount 322 of the reference point 142 of the measurement head 141A and the position of the reference point 142 are stored in the memory of the processing unit 209.

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。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

Claims

A measuring device for measuring the shape of a test surface of a test object,
A holding unit including a holding surface for holding the test object;
A distance measuring unit that includes a reference position that serves as a reference for measuring the shape of the test surface, and that measures a distance between the test surface and the reference position;
A drive unit that drives the distance measuring unit so that the reference position is along the surface to be examined;
A position measuring unit for measuring the reference position of the distance measuring unit driven by the driving unit;
A processing unit that calculates a shape of the test surface based on a distance between the test surface measured by the distance measurement unit and the reference position and the reference position measured by the position measurement unit;
Have
The position measuring unit is
A first laser interferometer, a second laser interferometer and a third laser interferometer, which are arranged in the distance measuring unit and have different measurement axes;
A first reflection mirror, a second reflection mirror, and a third reflection mirror that respectively reflect light from each of the first laser interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer ; ,
The light reflected by the first reflecting mirror, the second reflecting mirror, and the third reflecting mirror and incident along the measurement axis is reflected, and the first light is reflected along the measurement axis. A reflection mirror, the second reflection mirror, and a first reference mirror that leads to the third reflection mirror, a second reference mirror, and a third reference mirror;
The lights reflected by the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror are transmitted through the first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror, respectively. To return to the first laser interferometer, the second laser interferometer and the third laser interferometer,
The distance between the origin of the first laser interferometer and the first reference mirror, the distance between the origin of the second laser interferometer and the second reference mirror, and the third laser interference Measuring the reference position by measuring the distance between the origin of the meter and the third reference mirror;
The normal lines of the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror are the normal lines of the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror. It is arranged so as to intersect the plane that contains it ,
The measuring apparatus , wherein an extension line of a measurement axis of the first laser interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer intersects at the reference position .

The distance measuring unit includes a non-contact type measurement head that measures a distance between the test surface and the reference position in a state where the test surface and the reference position are not in contact with each other. The measuring device according to claim 1.

The distance measuring unit includes a contact-type measuring head that measures a distance between the test surface and the reference position in a state where the test surface and a reference member including the reference position are in contact with each other. The measuring apparatus according to claim 1.

In the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror, normal lines of the first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror are orthogonal to each other. The measuring device according to claim 1, wherein the measuring device is arranged in a position.

5. The measurement according to claim 1, wherein the first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror are attached to the distance measurement unit. apparatus.

The driving unit drives the distance measuring unit in the X direction, the Y direction, and the Z direction orthogonal to each other,
The first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror have normal vectors (1 / √6, 1 / √2, −1 / √3) of the first reference mirror. And the normal vector of the second reference mirror satisfies (−√ (2/3), 0, −1 / √3), and the normal vector of the third reference mirror is (1 / √6 , −1 / √2, −1 / √3), the measuring device according to any one of claims 1 to 5.

The first reference mirror, the second reference mirror, and the third reference mirror are light beams from the first laser interferometer, the second laser interferometer, and the third laser interferometer, respectively. 7. The method according to claim 1, further comprising: a reflecting surface having a square shape for reflecting each of the reflecting surfaces, wherein one of the diagonal lines of the reflecting surface is arranged to be orthogonal to the holding surface. The measuring apparatus of any one of Claims.