JP6030346B2 - 形状測定機 - Google Patents

Description

本発明は形状測定機に関し、測定対象物の表面形状を高精度に測定する装置に関する。

従来、測定対象物（ワーク）の表面形状を高精度に測定する装置としては、測定すべきワーク表面の凹凸の大きさによって様々なものがある。例えば、ワーク表面の粗さを定量的に測定するためには表面粗さ測定機が利用され、ワークの原子レベルの凹凸を観察するためには走査型プローブ顕微鏡が用いられている。
これらの高精度な形状測定機では、ワークの表面をプローブで所定の走査方向へ走査し、走査方向の位置とワーク表面の変位との関係からワーク表面の形状を検出することが行われている。
このような走査には、ワーク表面を光学的に走査する方式が用いられているほか、カンチレバーで支持された微細なスタイラス（探針）でワーク表面をなぞり、カンチレバーの背面側（スタイラスおよびワークとは反対側）の特定部位に対して、その変位（スタイラス先端がワーク表面に追従した変位に対応）を光学的に検出する方式などが用いられている。

従来、形状測定機では、高精度化の要求に応じて様々な改良がなされている（特許文献１参照）。特許文献１において、本願発明者は、前述したワーク表面の走査における運動誤差に着目し、その影響の解消を図るべく独特な構成の形状測定機を提案している。
すなわち、前述した走査式の形状測定機では、ワーク表面を走査するために変位センサを移動させる走査機構が必要であり、走査機構における運動誤差の発生が避けられない。このような運動誤差は、スタイラスがワーク表面に追従して変位した量に加算されて変位センサで検出される。つまり、変位センサが検出する変位量は、本来のワーク表面の変位量に対して運動誤差分の影響を受けたものとなる。
これに対し、変位センサが、基準部材に対する測定対象部位の相対変位を検出する形式のもの、例えばレーザ干渉計などであれば、基準部材をワークに対して位置および姿勢が変化しないように保持することで、変位センサで検出されるデータにおける運動誤差の影響を相殺することができる。

特許文献１の発明では、前述のように基準部材をワークに対して位置および姿勢が変化しないように保持することで、走査機構の運動誤差の解消を図っている。
具体的には、ワークの表面に沿って基準部材となる参照鏡を支持し、参照鏡とワークとの間にカンチレバーでスタイラスを支持し、参照鏡のワークと反対側にレーザ干渉計を配置し、レーザ干渉計からのレーザ光を参照鏡で反射させて参照光とするとともに、参照鏡を透過してカンチレバー背面側の特定部位で反射させて測定光とする。そして、スタイラスおよびレーザ干渉計を走査機構でワーク表面および参照鏡に沿って移動させて走査し、レーザ干渉計で測定光と参照光との比較に基づいてワーク表面の変位を測定する。
このような構成では、ワーク表面を走査する際に、走査機構に運動誤差が生じても、その影響は測定光および参照光の両方に影響するため、これらの測定光および参照光の比較の際に相殺され、レーザ干渉計で得られるワーク表面の形状測定データとしては表れないようにすることができる。

特開２００８−５１６０２号公報

ところで、特許文献１に例示される変位センサは光波干渉式の変位計であり、なかでもレーザ光を用い参照鏡を測定光の光路上に配置するフィゾー型と呼ばれる構成とされている。
しかし、フィゾー型レーザ干渉計の場合、参照光の光路（参照光路、光源から参照鏡まで）の延長上に測定対象部位であるスタイラス背面が配置され、測定光の光路（測定光路、光源から測定対象部位まで）は参照光路を共用するとともに、参照鏡から測定対象部位までの区間だけ測定光路が参照光路よりも必然的に長くなる。この測定光路の参照光路に対する光路長差はデッドパスと呼ばれる。

このようなデッドパスがあると、光源の安定性が測定誤差に影響するという問題がある。
すなわち、測定対象に変位がなくても、レーザの周波数変動によって見かけ上の光路差が発生する要因となり、測定誤差として現れる。
具体的には、レーザ干渉計による測長においては、光源であるレーザの周波数安定度と前述したデッドパスの長さとに応じて、その見かけ上の光路長が変化する。
例えば、レーザの周波数安定度が１×１０^−６の場合、デッドパスが１００ｍｍあると、見かけ上の光路長の変化量は１×１０^−６×１００×１０^−３ｍ＝１００×１０^−９ｍ＝１００ｎｍと計算される。
このようなレーザ光の周波数安定度に応じた見かけ上の光路長の変化が、測定対象に変位がなくてもレーザの周波数変動によって１００ｎｍの誤差が発生する要因となる。

このようなレーザ光の周波数安定度に起因する測定誤差を低減するためには、デッドパスを短くするか、あるいは周波数安定度の高い周波数安定化レーザを用いることが考えられる。
しかし、これらの対応には、それぞれ以下のような問題がある。
デッドパスに関して、フィゾー型では、参照鏡とスタイラス背面との間に、レーザ光をカンチレバー背面側に集光するためのレンズや波長板などの光学素子を配置する必要がある。これらの光学素子やそのホルダを収容するスペースが必要であるため、参照鏡とスタイラス背面との間の距離となるデッドパスを数ｍｍ程度まで短縮することは困難である。

レーザ光の周波数安定度に関して、現在でも周波数安定度が１×１０^−９程度のレーザ光源が市販されており、これらを用いることができる。しかし、これらの安定度が高いレーザ光源は、いずれも１００万円程度と高価である。
一方、安価な半導体レーザ方式のレーザ光源の周波数安定度は１×１０^−３、周波数安定化されていないＨｅ−Ｎｅレーザの周波数安定度は１×１０^−６程度であるため、測定誤差への影響を小さくするにはデッドパスを著しく短くする必要があり、前述のような光学素子の設置スペースが必要なフィゾー型の構成を採用することができない。

前述のように、特許文献１の構成では、光源の安定性が測定誤差に影響するデッドパスの問題がある。さらに、前述した特許文献１で例示される装置においては、参照鏡の支持に伴う次のような問題がある。
すなわち、特許文献１の発明では、基準部材である参照鏡をワークに対して位置および姿勢が変化しないように保持するために、ワークをベース上に載置するとともに、ベースに保持部材である複数の支柱を介して参照鏡を支持しており、ワークが参照鏡で覆われる状態で配置される。
このような構成では、ワーク表面の測定できる領域は、参照鏡を支持する複数の支柱で囲われた領域に制限されるという問題がある。

本発明の目的は、走査時の運動誤差が解消できるとともに、デッドパスに起因する誤差を解消でき、かつ測定領域の制約を緩和できる形状測定機を提供することにある。

本発明は、形状を測定すべき表面を有するワークに対して相対位置が固定された固定部材と、前記固定部材に支持されかつ前記固定部材に対して前記ワークの表面に沿った走査方向へ移動可能な走査部材と、前記固定部材に設けられ前記走査方向に沿って前記ワークの表面の変位を検出する干渉計とを有し、前記干渉計は、光源と、前記走査部材に設置されて前記光源からの光を参照光と測定光とに分割する偏光ビームスプリッタと、前記固定部材に対して固定された参照鏡と、前記測定光の光路として前記偏光ビームスプリッタから前記ワークに向かう測定光路と、前記参照光の光路として前記偏光ビームスプリッタから前記参照鏡に至る参照光路とを有し、前記測定光路の光路長と前記参照光路の光路長との差が所定の許容誤差以下であり、前記所定の許容誤差は、前記測定機に求められる測定精度を前記光源の波長安定度で割ったものと等しい値として定義されることを特徴とする。

本発明において、所定の許容誤差としては、測定機として要求される測定精度を、使用する光源の波長安定度で割った値であることが好ましい。
例えば、１ｎｍ以下の測定精度を実現することを目指す場合、使用する光源の波長安定度が１０^−６であれば、前述した所定の許容誤差は、１ｎｍ／１０^−６＝１０^６ｎｍ＝１ｍｍとなり、前述した前記測定光路の光路長と前記参照光路の光路長との差が１ｍｍ以下であれば所期の測定精度を確保することができる。
本発明において、干渉計の他の構成として、偏光ビームスプリッタに参照光および測定光となる光を供給する光源を用いるとともに、参照光および測定光を再び合成して干渉させる検出装置を用いることが望ましい。例えば、光源としてレーザ光を用い、偏光ビームスプリッタで参照光路と測定光路とを分離する構成は、いわゆるマイケルソン型もしくはトワイマン・グリーン型のレーザ干渉計として具体化することができる。

このような本発明では、レーザ光源等からの光が偏光ビームスプリッタで参照光および測定光に分割される。参照光は参照光路を通り参照鏡で反射されて検出部に戻され、測定光は測定光路を通り、ワーク表面またはワーク表面に接触するスタイラスもしくはカンチレバーの特定部位に反射されて検出部に戻され、検出部において参照光および測定光の干渉状態からワーク表面の変位を検出することができる。従って、走査部材を走査方向に移動させることでワーク表面の走査が行われ、走査方向のワーク表面の形状を測定することができる。
ここで、本発明では、参照鏡は固定部材に対して固定されており、参照鏡とワークとは相対位置が固定されている。このため、走査部材の移動に伴って運動誤差が生じても、この運動誤差はワークおよび参照鏡に対して等しく影響する。従って、参照光および測定光の干渉にあたって運動誤差の影響は互いに相殺され、走査に伴う運動誤差の影響を解消することができる。
また、本発明では、測定光路（偏光ビームスプリッタからワーク表面またはワーク表面に接触するスタイラスもしくはカンチレバーの特定部位まで）の光路長と、参照光路（偏光ビームスプリッタから参照鏡まで）の光路長とが、互いに略等しく、つまり測定光路の光路長と参照光路の光路長との差が所定の許容誤差以下とされているため、各々の光路長差であるデッドパスが実質的に生じない。このため、デッドパスに起因する誤差の影響を解消することができる。
さらに、本発明では、測定光路と参照光路とを分離し、参照鏡がワークから離れた位置に設置できるため、ワークに対する測定領域を制約することがない。

本発明において、前記参照鏡は、前記参照光路に向かう反射面が前記走査方向と平行に配置されていることが望ましい。
なお、参照光路において、適宜光学素子を補って偏光ビームスプリッタからの光軸を方向変換し、参照鏡に直角に入射しかつ反射光が同光路を戻るように配置することが望ましい。
このような本発明では、走査を行う際に、偏光ビームスプリッタおよび参照光路が走査部材とともに移動しても、測定光路の光路長変化量と参照光路の光路長変化量とが同じになるため、常にデッドパス一定の干渉光路を提供することができる。

本発明において、前記走査部材に固定端を支持されたカンチレバーと、前記カンチレバーの自由端に設置されて先端が前記ワークの表面に接触可能なスタイラスとを有し、前記測定光は、前記偏光ビームスプリッタから前記カンチレバーの前記スタイラスと反対側の特定部位で反射されることが望ましい。
このような本発明では、カンチレバーおよびスタイラスを用いることで、ワーク表面で測定光を直接反射させる必要がなく、ワーク表面の反射特性等に影響されることなく、確実な測定光を得ることができる。

本発明において、前記干渉計は、前記光源としてガスレーザ光源または半導体レーザ光源を用いるレーザ干渉計であることが望ましい。
本発明では、デッドパスが解消されるため、ガスレーザ光源または半導体レーザ光源による比較的安定性の低いレーザ光を用いても高精度を確保でき、形状測定機としてのコストを低減することができる。

本発明において、前記干渉計は、前記光源としてレーザ光よりも干渉性が低い低可干渉性光源を用いる干渉計であることが望ましい。
本発明では、デッドパスが解消されるため、フィゾー型干渉計では用いることができない低可干渉性光源、例えば高輝度発光ダイオード等であっても、これを光源として干渉測定を行うことができ、形状測定機としてのコストを低減することができる。

本発明の一実施形態の構成を示す模式図。 前記図１の実施形態の動作を示す模式図。 本発明の他の実施形態を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、形状測定機１０は、レーザ干渉計２０（詳細後述）を用いてワーク１の表面２の形状を測定するものである。
ワーク１は基礎９上に設置されたテーブル８に支持され、形状測定機１０は基礎９上の異なる位置に設置されたコラム７に支持されており、ワーク１と形状測定機１０とは基礎９を介して相対位置が固定されている。本実施形態において、ワーク１の表面２はＸ軸およびＹ軸に平行であり、Ｚ軸は表面２に直交する方向とされている。
本実施形態の形状測定機１０は、後述するように、Ｙ軸方向を走査方向として、レーザ干渉計２０によりワーク１の表面２を走査し、走査位置に応じたＺ軸方向の変位を検出することにより、表面２の形状を測定するものである。

形状測定機１０は、固定部材１１、走査部材１２、走査機構１３および接触機構１４を備えている。
固定部材１１は、剛性を有する基板あるいは筐体の一部により形成され、コラム７に支持され、そのＹ軸およびＺ軸に沿った表面にレーザ干渉計２０を構成する要素の一部が配置される。
走査部材１２は、走査機構１３によって固定部材１１の表面に支持され、レーザ干渉計２０の要素の要部が配置されるとともに、走査機構１３によって走査方向であるＹ軸方向へ移動される。

走査機構１３は、高精度な直線性を有するＹ軸方向のガイド機構１３１を有し、走査部材１２はこのガイド機構１３１を介して固定部材１１に支持され、Ｙ軸方向の任意位置へと移動可能である。
ガイド機構１３１には、シャフト１３２およびカップリング１３３を介してモータ１３４が接続されている。
シャフト１３２は、ガイド機構１３１の移動側部分と高精度な送りねじ機構を介して接続されている。

カップリング１３３は、シャフト１３２の軸方向の偏心、傾きおよび伸縮等の変形を吸収しつつモータ１３４の回転力をシャフト１３２に伝達可能である。
モータ１３４は、図示しない制御装置により制御され、その回転力によりシャフト１３２を回転させ、ガイド機構１３１に支持された走査部材１２を走査方向であるＹ軸方向へ駆動することができる。

接触機構１４は、先端がワーク１の表面２に接触されるスタイラス１４１を有し、このスタイラス１４１はカンチレバー１４２の先端（自由端）に固定されている。カンチレバー１４２の基端（固定端）は弾性ヒンジ１４４を介して走査部材１２に支持されている。
カンチレバー１４２の背面側には、レーザ干渉計２０で変位測定する測定対象として特定部位１４３が設定されている。特定部位１４３は、スタイラス１４１のちょうど反対側とされ、スタイラス１４１の先端がワーク１の表面２の凹凸に弾性ヒンジ１４４により追従してＺ軸方向に変位した際には、同じ変位を反映するものとされている。
従って、スタイラス１４１でワーク１の表面２に接触させた状態で、走査機構１３により走査部材１２を走査方向に移動させることで、レーザ干渉計２０でスタイラス１４１の変位を検出すれば、ワーク１の表面２の凹凸として検出することができる。

レーザ干渉計２０は、レーザ光源２１、光路素子群２２、参照鏡２３および位相検出器２４を有する。
レーザ光源２１は、干渉測定用のレーザ光を供給するものであり、既存の半導体レーザまたはガスレーザ（Ｈｅ−Ｎｅレーザなど）といった周波数安定度が比較的低いが安価なレーザ光源である。レーザ光源２１で生成されたレーザ光は、レンズ２１１を通して光路素子群２２に供給される。
位相検出器２４も既存の構成であり、後述する光路素子群２２および参照鏡２３で構成される光路により得られた参照光および測定光に対し、その合成光の干渉光強度を計測することで測定対象の変位を検出するものである。

このうち、参照鏡２３および位相検出器２４は固定部材１１に支持されており、ワーク１に対する相対位置が固定されている。
一方、レーザ光源２１および光路素子群２２は走査部材１２に設置されており、ワーク１に対する走査を行うために走査機構１３で移動される。

光路素子群２２は、偏光ビームスプリッタ２２１、λ／４波長板２２２，２２４、ミラー２２３，２２６および集光レンズ２２５を有する。
前述したレーザ光源２１で生成されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２２１に入射される。
偏光ビームスプリッタ２２１では、入射されたレーザ光の一部を透過させるとともに、他の一部を反射させ、これにより入射されたレーザ光を２つに分割する。
本実施形態では、分割された２つのレーザ光をそれぞれ参照光および測定光として用い、各々を互いに別の参照光路Ｐｒおよび測定光路Ｐｍを通すようにしており、これによりいわゆるマイケルソン型あるいはトワイマン・グリーン型の干渉計が構成される。

偏光ビームスプリッタ２２１を透過したレーザ光源２１からのレーザ光は、ＹＺ平面内の偏光となっており、λ／４波長板２２２を通り、ミラー２２３で反射されて参照鏡２３に至る。参照鏡２３で反射されたレーザ光は、ミラー２２３で反射されて再び偏光ビームスプリッタ２２１に戻り、λ／４波長板を２回透過してＸＹ平面内の偏光となるため、今度は反射されてミラー２２６へと送られる。
この経路を通るレーザ光が参照光とされ、偏光ビームスプリッタ２２１からミラー２２３を経て参照鏡２３に至る光路が参照光路Ｐｒとされる。ここで、参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒは、偏光ビームスプリッタ２２１からミラー２２３までの光路長Ｌｒ２と、ミラー２２３から参照鏡２３までの光路長Ｌｒ１との和（Ｌｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２）とされている。

なお、参照鏡２３は、参照面である反射面がワーク１の表面２と平行になるように配置され、この状態で固定部材１１によって支持されている。
これにより、走査部材１２が走査方向へ移動しても、走査部材１２に設置されたミラー２２３と固定部材１１に設置された参照鏡２３の表面との距離（光路長Ｌｒ１）は変動することがない。そして、ミラー２２３と偏光ビームスプリッタ２２１は同じ走査部材１２上に設定され、その距離（光路長Ｌｒ２）は常に一定である。
以上から、参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２は走査部材１２が走査方向へ移動しても一定である。

偏光ビームスプリッタ２２１で反射されたレーザ光源２１からのレーザ光は、ＸＹ平面内の偏光となっており、λ／４波長板２２４を通り、集光レンズ２２５で集光されて前述したカンチレバー１４２の特定部位１４３に照射される。特定部位１４３で反射されたレーザ光は再び偏光ビームスプリッタ２２１に戻り、λ／４波長板を２回透過してＹＺ平面内の偏光となるため、今度はこれを透過してミラー２２６へと送られる。
この経路を通るレーザ光が測定光とされ、偏光ビームスプリッタ２２１から特定部位１４３に至る光路が測定光路Ｐｍとされる。ここで、測定光路Ｐｍの光路長Ｌｍは、偏光ビームスプリッタ２２１から特定部位１４３までの光路長で与えられる。

本実施形態においては、測定光路Ｐｍの光路長Ｌｍと、前述した参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒ（Ｌｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２）が略等しくなるように、参照鏡２３の位置、走査部材１２とワーク１の表面２との距離などが調整されている。
具体的には、光路長Ｌｍおよび光路長Ｌｒは、互いの光路長の差が所定の許容誤差（本実施形態では１ｍｍ）以下となるように調整されている。
所定の許容誤差としては、測定機として要求される測定精度を、使用する光源の波長安定度で割った値を用いる。例えば、１ｎｍ以下の測定精度を実現することを目指す場合、使用するレーザ光源２１の波長安定度が１０^−６であれば、前述した所定の許容誤差は、１ｎｍ／１０^−６＝１０^６ｎｍ＝１ｍｍとなる。従って、測定光路Ｐｍの光路長Ｌｍと参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒとの差が１ｍｍ以下であれば、所期の測定精度を確保することができる。
これにより、測定光路Ｐｍと参照光路Ｐｒとの間には、光路長差（デッドパス）が実質的に生じることがない。
なお、参照光路Ｐｒにおいて、参照鏡２３に入射され反射されるレーザ光の方向は、測定光路Ｐｍの特定部位１４３に対する入射・反射と同じ方向および同じ向き（図中下向き、−Ｚ方向）とされている。

偏光ビームスプリッタ２２１では、前述した通り、レーザ光源２１からのレーザ光の分割を行うとともに、測定光路Ｐｍからの測定光と参照光路Ｐｒからの参照光との合成を行う機能を兼ねる。偏光ビームスプリッタ２２１に戻った測定光および参照光が再び合成されることで、ミラー２２６へと送り出される合成光は互いに直交方向の偏光面を持つ。
位相検出器２４では、ミラー２２６を経て入射される合成光が干渉し、干渉強度を検出することで、走査位置に応じた測定光路Ｐｍの変動を検出し、走査位置に応じたワーク１の表面２の凹凸を測定することができる。

本実施形態においては、以上に述べた構成により、走査位置に応じたワーク１の表面２の凹凸を測定することができる。
この際、本実施形態の構成では、走査機構１３に起因する運動誤差が生じても、これを相殺し、測定結果への影響を解消することができる。

例えば、ワーク１の表面２を走査するために、走査機構１３（図１参照）により走査部材１２を走査方向であるＹ軸方向に移動させたとする。
図２において、移動前の走査部材１２（図中一点鎖線で表示）が、移動後の走査部材１２（図中実線で表示）へと移動させたとする。
ここで、走査部材１２が固定部材１１に対してＹ軸方向へ距離Ｄだけ移動するのは、走査のための本来の変位である。しかし、走査機構１３の運動誤差等により、走査部材１２は固定部材１１に対してＸ軸方向あるいはＺ軸方向へも変位することが避けられない。
このうち、Ｚ軸方向の運動誤差ΔＥは、レーザ干渉計２０で検出されるカンチレバー１４２の特定部位１４３の変位と同じ方向であり、測定光路Ｐｍの光路長変動として検出結果に影響することになる。

つまり、誤差がないとすると、測定光路Ｐｍの公称の光路長Ｌｍであるが、ワーク１の表面２の凹凸に追従してＲａだけ変動した（Ｌｍ”＝Ｌｍ−Ｒａ）とすると、レーザ干渉計２０では、参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒ（＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２）との比較から、凹凸の検出値ＲｄとしてＲｄ＝Ｌｒ−Ｌｍ”＝Ｌｒ−（Ｌｍ−Ｒａ）となり、前述のようにＬｒ＝Ｌｍと設定されているから、検出値Ｒｄ＝Ｒａとして検出することができる。
これに対し、図２に示すように、走査部材１２が固定部材１１に対してＺ軸方向に変位するような運動誤差ΔＥが生じると、測定光路Ｐｍの光路長はＬｍ’＝Ｌｍ−Ｒａ＋ΔＥとなり、Ｒｄ＝Ｌｒ−Ｌｍ’＝Ｌｒ−（Ｌｍ−Ｒａ＋ΔＥ）＝Ｒａ−ΔＥとなり、運動誤差であるΔＥの影響を含んでしまい、正確なＲｄ＝Ｒａを示さないことになる。

しかし、本実施形態では、参照鏡２３が固定部材１１に固定されているため、走査部材１２と固定部材１１との間の前述した運動誤差ΔＥは、参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒにも等しく影響することになる。
図２において、測定光路Ｐｍの光路長Ｌｍは、走査部材１２の移動（Ｘ軸方向に距離Ｄの移動）により、光路長Ｌｍ’＝Ｌｍ＋ΔＥとなる。
この移動の際、参照光路Ｐｒのうち、偏光ビームスプリッタ２２１からミラー２２３までの光路長Ｌｒ２に変動はないが、ミラー２２３から参照鏡２３までの光路長Ｌｒ１’は運動誤差ΔＥの影響を受けてＬｒ１’＝Ｌｒ１＋ΔＥとなる。従って、参照光路Ｐｒの光路長は移動前のＬｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２から移動後のＬｒ’＝Ｌｒ１’＋Ｌｒ２＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２＋ΔＥ＝Ｌｒ＋ΔＥとなる
従って、レーザ干渉計２０で検出される検出値Ｒｄは、Ｒｄ＝Ｌｒ’−Ｌｍ’＝（Ｌｒ＋ΔＥ）−（Ｌｍ−Ｒａ＋ΔＥ）＝Ｒａとなり、運動誤差ΔＥを相殺して正しい検出値Ｒｄ＝Ｒａを示すことになる。

このように、本実施形態によれば、マイケルソン型のレーザ干渉計２０を構成し、その測定光で走査することで、ワーク１の表面２の形状測定を行うことができる。
本実施形態では、参照鏡２３は固定部材１１に対して固定されており、参照鏡２３とワーク１とは相対位置が固定されている。このため、走査部材１２の移動に伴って運動誤差ΔＥが生じても、この運動誤差ΔＥはワーク１に至る測定光路Ｐｍおよび参照鏡２３に至る参照光路Ｐｒに対して等しく影響する。従って、参照光および測定光の干渉にあたって運動誤差ΔＥの影響は互いに相殺され、走査に伴う運動誤差ΔＥの影響を解消することができる。

また、本実施形態では、測定光路Ｐｍ（偏光ビームスプリッタ２２１からカンチレバー１４２の特定部位１４３まで）の光路長Ｌｍと、参照光路Ｐｒ（偏光ビームスプリッタ２２１から参照鏡２３まで）の光路長Ｌｒ（＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２）とが、互いに等しくされているため、各々の光路長差であるデッドパスが生じない。このため、デッドパスに起因する誤差の影響を解消することができる。
例えば、本実施形態では、レーザ光源２１として、ガスレーザ光源または半導体レーザ光源による比較的安定性の低いレーザ光を用いているが、このようなレーザ光源を用いてもデッドパスでの誤差発生がないため、高精度を確保でき、形状測定機としてのコストを低減することができる。

さらに、本実施形態では、測定光路Ｐｍと参照光路Ｐｒとを分離し、参照鏡２３がワーク１から離れた位置に設置できるため、ワーク１を覆うような構造が不要であり、ワーク１に対する測定領域を制約することがない。

本実施形態では、参照鏡２３の参照面（参照光路Ｐｒに向かう反射面）を走査方向であるＹ軸方向と平行に配置したため、走査を行う際に、偏光ビームスプリッタ２２１および参照光路Ｐｒが走査部材１２とともに水平方向に移動しても、参照鏡２３の反射面が走査方向であるため、偏光ビームスプリッタ２２１から参照鏡２３に至る参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒが変化することがなく、常に一定の参照光路Ｐｒを提供することができる。

さらに、本実施形態では、走査部材１２およびレーザ干渉計２０を含む形状測定機１０としての構成を全て固定部材１１上にまとめ、これをコラム７に支持することでワーク１に対して相対位置を固定するようにした。このため、固定部材１１をコラム７から外してコラム７の別の位置に取り付ける、あるいはコラム７に対して移動させることで、基礎９上に固定されたワーク１に対して同様の形状測定を行うことができる。従って、巨大なワーク１であっても、これに沿ったコラム７を設置し、形状測定機１０を順次ずらして取り付けながら形状測定を繰り返してゆくことで、ワーク１全体の表面２についての形状測定を行うことができる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれる。
前述した図１の実施形態では、カンチレバー１４２およびスタイラス１４１を含む接触機構１４を用い、特定部位１４３で反射する測定光路Ｐｍを設定することで、ワーク１の表面２で測定光を直接反射させる必要がなく、ワーク１の表面２の反射特性等に影響されることなく、確実な測定光を得ることができるようにしていた。
これに対し、接触機構１４を用いずに、ワーク１の表面２で測定光を反射させる構成としてもよい。

図３において、本発明の他の実施形態の形状測定機１０Ａは、接触機構１４がない点で図１の実施形態と異なる。しかし、図３の実施形態における他の構成は図１と同様であり、共通の構成については同じ符号を付して重複する説明を省略する。
このような実施形態では、偏光ビームスプリッタ２２１からの測定光はワーク１の表面２の特定位置で反射され、偏光ビームスプリッタ２２１へ戻っており、従って偏光ビームスプリッタ２２１からワーク１の表面２の特定位置に至る光路が測定光路Ｐｍとされる。そして、本実施形態においても、図１の実施形態と同様な調整により、測定光路Ｐｍの光路長Ｌｍは、参照光路Ｐｒの光路長Ｌｒ（＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２）と略等しくされている。
このような本実施形態によっても、カンチレバー１４２およびスタイラス１４１による効果を除いて、図１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

前記実施形態では、干渉計としてレーザ干渉計２０を用い、光源としてレーザ光源２１を用いたが、レーザ光よりも干渉性が低い高輝度発光ダイオードなどの低可干渉性光源を用いる干渉計としてもよい。
このような低可干渉性光源を用いる干渉計であっても、本発明に基づいて測定光路Ｐｍと参照光路Ｐｒの光路長が略等しく実質的にデッドパスがない構成とすれば、十分に干渉測定を行うことができ、低可干渉性光源である高輝度発光ダイオードの特徴である低ノイズ性を活かした測定を行うことができる。すなわち、高輝度発光ダイオードでは、光学素子間での多重反射などで発生する不要な光の干渉により発生する干渉ノイズを低減させることができ、測定誤差の原因となる干渉ノイズが少ない状態での高精度な測定を行うことができる。

１…ワーク
２…表面
７…コラム
８…テーブル
９…基礎
１０，１０Ａ…形状測定機
１１…固定部材
１２…走査部材
１３…走査機構
１３１…ガイド機構
１３２…シャフト
１３３…カップリング
１３４…モータ
１４…接触機構
１４１…スタイラス
１４２…カンチレバー
１４３…特定部位
１４４…弾性ヒンジ
２０…レーザ干渉計
２１…レーザ光源
２１１…レンズ
２２…光路素子群
２２１…偏光ビームスプリッタ
２２２，２２６…λ／４波長板
２２３，２２６…ミラー
２２５…集光レンズ
２３…参照鏡
２４…位相検出器
Ｄ…距離
Ｌｍ…測定光路の光路長
Ｌｒ，Ｌｒ１，Ｌｒ２…参照光路の光路長
Ｐｍ…測定光路
Ｐｒ…参照光路
Ｒｄ…検出値
ΔＥ…運動誤差

Claims (5)

1. 形状を測定すべき表面を有するワークに対して相対位置が固定された固定部材と、前記固定部材に支持されかつ前記固定部材に対して前記ワークの表面に沿った走査方向へ移動可能な走査部材と、前記固定部材に設けられ前記走査方向に沿って前記ワークの表面の変位を検出する干渉計とを有し、
   前記干渉計は、光源と、前記走査部材に設置されて前記光源からの光を参照光と測定光とに分割する偏光ビームスプリッタと、前記固定部材に対して固定された参照鏡と、前記測定光の光路として前記偏光ビームスプリッタから前記ワークに向かう測定光路と、前記参照光の光路として前記偏光ビームスプリッタから前記参照鏡に至る参照光路とを有し、前記測定光路の光路長と前記参照光路の光路長との差が所定の許容誤差以下であり、
   前記所定の許容誤差は、前記測定機に求められる測定精度を前記光源の波長安定度で割ったものと等しい値として定義されることを特徴とする形状測定機。
2. 請求項１に記載した形状測定機において、
   前記参照鏡は、前記参照光路に向かう反射面が前記走査方向と平行に配置されていることを特徴とする形状測定機。
3. 請求項１または請求項２に記載した形状測定機において、
   前記走査部材に固定端を支持されたカンチレバーと、前記カンチレバーの自由端に設置されて先端が前記ワークの表面に接触可能なスタイラスとを有し、
   前記測定光は、前記偏光ビームスプリッタから前記カンチレバーの前記スタイラスと反対側の特定部位で反射されることを特徴とする形状測定機。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載した形状測定機において、
   前記干渉計は、前記光源としてガスレーザ光源または半導体レーザ光源を用いるレーザ干渉計であることを特徴とする形状測定機。
5. 請求項１から請求項３の何れかに記載した形状測定機において、
   前記干渉計は、前記光源としてレーザ光よりも干渉性が低い低可干渉性光源を用いる干渉計であることを特徴とする形状測定機。

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