JP6368971B2

JP6368971B2 - 超精密形状測定装置

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Publication number: JP6368971B2
Application number: JP2014206784A
Authority: JP
Inventors: 尚史津村; 和人山内
Original assignee: JTEC Corp
Current assignee: JTEC Corp
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2016075603A

Description

本発明は、超精密形状測定装置に係わり、例えば大型放射光施設やＸ線自由電子レーザーで発生させた硬Ｘ線から軟Ｘ線を集光させるための斜入射光学系に用いるＸ線ミラーの反射面の全体形状を超精密に測定することが可能な超精密形状測定装置に関する。

大型放射光施設（SPring-８等）やＸ線自由電子レーザー（SACLA等）で発生させた硬Ｘ線から軟Ｘ線を集光させるための斜入射光学系には、平面ミラーあるいは平面に近い形状の球面ミラーや非球面ミラー等の各種のＸ線ミラーが使われている。このＸ線ミラーの反射面の全体形状を超精密に測定することは、このような用途に用いるＸ線ミラーを製造する上でも必須である。通常、Ｘ線ミラーは、反射面の全体にわたってナノレベルの形状精度が要求される。Ｘ線ミラーの製造には、先ずＳｉ単結晶ブロックや石英ガラス等のＸ線光学材料を前加工して反射面を設計形状に近い状態にした後、反射面の形状を精密に測定し、設計形状と測定形状の差から加工量のプロファイルを算出し、その加工量データに基づいて数値制御加工を行い、これを繰り返す方法がとられている。

平面あるいは平面に近い形状のＸ線ミラーの反射面の形状を超精密に測定する装置として、中長周期の空間波長領域における高精度計測が可能なフィゾー型干渉計は最適である。しかし、フィゾー型干渉計は、高精度に研磨された参照面を基準として被測定物表面の形状を測定するので、測定範囲は参照面の大きさ（視野）に制限され、つまり参照面よりも寸法が大きい長尺のＸ線ミラーの場合は一括形状測定ができない。更に、フィゾー型干渉計は、視野内であっても、参照面と被測定物表面間の角度が１×１０^-４radを超えると、フリンジパターンが高密度となり、表面プロファイルデータが取得できなくなるという原理的な制限もある。ところで、より小さく輝度の高いＸ線集光ビームを実現するためには、入射角度が大きく、より急峻な形状、あるいは入射角は小さくても長尺の形状のＸ線ミラー、すなわち開口数の大きな楕円ミラーを設計し作製する必要がある。

そこで、本出願人は、特許文献１で開示される超精密形状測定装置を提案し、長尺のＸ線ミラーや急峻な反射面を有するＸ線ミラーの形状計測に用い、反射面の全体形状を１ｎｍ程度の精度で測定可能にした。つまり、特許文献１には、略水平に配した被測定物の被測定面を、光軸を略鉛直に向けたフィゾー型干渉計で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定するための超精密形状測定装置であって、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物と、基準平面ミラーとを、フィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、被測定物を主傾斜ステージ上にＸステージを介して保持し、基準平面ミラーを主傾斜ステージ上に設けた副傾斜ステージ上に保持した配置とした超精密形状測定装置が開示されている。

特許文献１に開示された超精密形状測定装置を用いて被測定物の被測定面の形状を測定するには、次の各ステップによって行う。つまり、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物を対象とし、前記被測定面の一部と形状データが既知の基準平面とを並べてフィゾー型干渉計で同時に計測して部分形状データと、ヌルフリンジ状態の基準平面の角度情報とを取得するステップ１と、前記被測定面のみを平行移動させるステップ２と、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定面と基準平面を同時に傾斜させて、先行取得した部分形状データに隣接する測定領域の部分形状データと、基準平面の傾斜角度を取得するステップ３と、基準平面の傾斜角度が一定値を超えた場合又は常に該基準平面のみを逆方向に傾斜させてヌルフリンジ状態に復帰させ、その復帰させた傾斜角度を先行取得した部分形状データとの相対角度として取得するステップ４と、前記ステップ１〜４を繰り返した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理をするステップ５とによる。

前述の特許文献１に記載の超精密形状測定装置は、Ｘ線ミラーをその反射面を上向きにし、ベッセル点で３点支持された姿勢で形状が測定される。ここで、ベッセル点とは、均等荷重の梁を２点で支持したときに、梁の中立軸上の両端間距離に与えるたわみの影響が最小になる支持位置であり、梁の長さをＬとすれば、その両端から０．２２×Ｌの位置である。この場合、フィゾー型干渉計が鉛直方向に配置されているので、この方式の超精密形状測定装置を「縦型」と呼ぶことにする。ところで、Ｘ線集光光学系には、通常ＫＢ（Kirkpatrick-Baez）ミラーが使われている。ＫＢミラーは、２枚の楕円ミラーを光軸に沿って前後に配置し且つ互いに反射面が直交するように配置して構成されている。通常は、反射面を水平方向（反射面は上向き）に配向した水平楕円ミラーと、反射面を鉛直方向（反射面は横向き）に配向した鉛直楕円ミラーを、ミラーマニピュレーターのホルダーにベッセル点で３点支持して使用する。

しかし、従来の縦型の超精密形状測定装置でＫＢミラーを構成する前記鉛直楕円ミラーの形状を測定する場合、反射面を上向きにした姿勢で行うことになり、実際に使用する姿勢と形状を測定する姿勢とは異なることになる。つまり、鉛直楕円ミラーの反射面の形状を縦型の超精密形状測定装置で超精密に測定し、反射面の数値制御加工を繰り返し、その測定形状を設計形状にナノレベルの精度で近付けたとしても、鉛直楕円ミラーの自重によるたわみ量が無視できないので、実際の使用時の姿勢における反射面の形状精度をナノレベルで保証することができない。更に詳しくは、反射面を上に向けたＸ線ミラーをベッセル点で支持した状態で縦型の超精密形状測定装置で形状計測を行うと、ベッセル点で支持した部分以外の反射面は下方に撓んだ形状になるので、ベッセル点で支持した部分の加工量が必然的に多くなる。このＸ線ミラーを使用する際に、反射面を上向きにした姿勢でベッセル点で支持すれば、反射面の形状は計測結果と同じになるが、反射面を横向きにした姿勢でベッセル点で支持すれば、ベッセル点に対応する反射面が僅かに凹んだ形状になり、長尺のＸ線ミラーにおいては設計形状からの誤差が無視できなくなる。

特許第５０７０３７０号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、大型放射光施設やＸ線自由電子レーザーで発生させた硬Ｘ線から軟Ｘ線を集光させるための斜入射光学系に用いるＸ線ミラーの反射面の全体形状を、ナノ若しくはサブナノオーダーの精度で超精密に測定することが可能であり、特にメートル級の長尺Ｘ線ミラーの全体形状を超精密に測定することができ、また１×１０^-４radを超えるような傾斜部分を有する急峻な形状の被測定物の表面形状を超精密に測定することができることは勿論、反射面を鉛直方向に配向して使用するＸ線ミラーを、使用時の姿勢と同じ姿勢で形状を超精密に測定することができる横型の超精密形状測定装置を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、略鉛直に配した被測定物の被測定面を、光軸を略水平に向けたフィゾー型干渉計で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定するための超精密形状測定装置であって、主支持架台の内部に副支持架台を配置するとともに、該副支持架台の上下部を前記主支持架台に対して鉛直方向に回動軸芯を持つ十字バネでそれぞれ連結してヨーイング軸を形成し、前記主支持架台に対して副支持架台をヨーイング可能とし、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物と、基準平面ミラーとをフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、前記被測定物を前記副支持架台の載置板上にＸステージを介して保持し、前記基準平面ミラーを前記副支持架台の載置板上に設けた少なくともヨーイング可能な傾斜ステージ上に保持した配置としたことを特徴とする超精密形状測定装置を構成した（請求項１）。

ここで、前記主支持架台は、上板と下板を複数の主支柱で上下に間隔を隔てて固定した剛構造であり、前記副支持架台は、前記主支持架台の上板と下板の間に収まる大きさを有し、天板と前記載置板を複数の副支柱で上下に間隔を隔てて固定した剛構造であり、前記主支持架台の上板の下面に固定した固定体と前記副支持架台の天板との上面に固定した可動体の間を前記十字バネで連結するとともに、前記主支持架台の下板の上面に固定した固定体と前記副支持架台の載置板の下面に固定した可動体の間を前記十字バネで連結し、リニアアクチュエータの本体部を前記主支持架台に固定するとともに、押圧部を前記副支持架台に固定した可動体の側面に圧接して、ヨーイング駆動してなることが好ましい（請求項２）。

また、前記主支持架台の上板の下面近傍に前記副支持架台の天板の上面に固定した吊板を接触することなく配置し、該吊板から上方に前記ヨーイング軸と同心状に垂設した吊支棒を前記主支持架台の上板の開口を通して上方へ貫通させるとともに、該開口の上部に前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受と前記吊支棒の先端に設けた係止リングとの間に圧縮コイルバネを配置して前記副支持架台の荷重を上方から支持してなることがより好ましい（請求項３）。

また、前記副支持架台の載置板の下面に、前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受を介して押上板を回転可能に配置するとともに、前記主支持架台の下板と該押上板の間に複数の圧縮コイルバネを配置して前記副支持架台の荷重を下方から支持してなることもより好ましい（請求項４）。

そして、前記Ｘステージの可動台にＸ軸方向に延びる基台を固定し、該基台の一側部にＸ軸方向に間隔を隔てて立設した一対の支持アームの上端部に、ヒンジ部の屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジを介して一対の可動アームを吊下げ状態で連結するとともに、該両可動アームの下端に前記基台に接触しないように被測定物ホルダーを固定し、前記可動台にリニアアクチュエータの本体部を固定するとともに、前記被測定物ホルダーの中間部に設けた受部にリニアアクチュエータの押圧部を圧接し、被測定物ホルダーに保持した被測定物をローリング可能としてなることが好ましい（請求項５）。

更に、前記載置板には前記Ｘステージと平行してＸ方向リニア駆動機構を設けるとともに、該リニア駆動機構で前記可動台と該可動台上の機構部の荷重とにバランスするカウンターウエイトを前記可動台と逆方向に駆動し、前記載置板上の重心の変動を抑制してなることがより好ましい（請求項６）。

そして、前記基準平面ミラーの傾斜ステージは、前記フィゾー型干渉計の参照面と対向する位置で前記載置板上に配置し、Ｘ軸方向に間隔を隔てて前記載置板に固定した一対の倒Ｌ字形の支持アームの先端部間に支持板を固定し、該支持板の上位に平行に配置した傾動板の一端部をヒンジ部の屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジを介して連結するとともに、前記支持アームに本体部を固定したリニアアクチュエータの押圧部を前記傾動板の遊端側下面に圧接してローリング可能とし、更に前記傾動板の上面に固定した垂直板の一端部にヒンジ部の屈曲中心線をＺ軸方向に向けた弾性ヒンジを介してミラー支持部材を連結するとともに、前記垂直板に本体部を固定したリニアアクチュエータの押圧部を前記ミラー支持部材の背面に延設した受部に圧接し、該ミラー支持部材に保持した基準平面ミラーをヨーイング可能とし、前記弾性ヒンジのヒンジ部の屈曲中心線が前記基準平面ミラーの反射面中心を通るように設定してなるのである（請求項７）。

また、前記弾性ヒンジのヒンジ部の屈曲中心線から半径方向に伸ばした線に直交する接線方向に、前記リニアアクチュエータの押圧部の駆動方向を設定し、該押圧部と前記受部を常に点接触させてなることも好ましい（請求項８）。

また、各駆動部に変位を検出する変位センサーを設けてなることも好ましい（請求項９）。

以上にしてなる本発明の超精密形状測定装置は、略鉛直に配した被測定物の被測定面を、光軸を略水平に向けたフィゾー型干渉計で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定するための超精密形状測定装置であって、主支持架台の内部に副支持架台を配置するとともに、該副支持架台の上下部を前記主支持架台に対して鉛直方向に回動軸芯を持つ十字バネでそれぞれ連結してヨーイング軸を形成し、前記主支持架台に対して副支持架台をヨーイング可能とし、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物と、基準平面ミラーとをフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、前記被測定物を前記副支持架台の載置板上にＸステージを介して保持し、前記基準平面ミラーを前記副支持架台の載置板上に設けた少なくともヨーイング可能な傾斜ステージ上に保持した配置としたので、反射面を鉛直方向に配向して使用するＸ線ミラー等の被測定物を、使用時の姿勢と同じ姿勢で形状を超精密に測定することができる。そして、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物でも、フィゾー型干渉計で部分形状データを取得しつつ、隣接する部分形状データ間の相対角度を、基準平面ミラーを利用して精度よく取得でき、それらを用いてスティッチング処理をすることにより、フィゾー型干渉計の精度で全体形状を測定することができる。また、同一の視野内で被測定面がフィゾー型干渉計で形状を一括計測できないような急峻な傾斜あるいは曲率を有する場合でも１ｎｍ程度の精度で全体形状を測定することができる。例えば、長さが５０ｃｍを超える細長い形状の平面ミラーあるいは平面に近い形状の曲面ミラー、例えば楕円ミラー、球面ミラー、非球面ミラー又は円筒ミラー等のＸ線ミラーの反射面の全体形状を、１ｎｍ程度の精度で測定できるので、このようなＸ線ミラーを製造してSPring-8等の大型放射光施設やＸ線自由電子レーザーで発生させた硬Ｘ線から軟Ｘ線を、よりスポット径を小さく且つより高輝度に集光させるために供することができ、工学分野は勿論、医学や薬学分野においても放射光の利用レベルを高めることができる。

また、本発明の超精密形状測定装置は、駆動部に十字バネや弾性ヒンジを用いているので、微小角度を高精度に調節できる。ところで、本発明では長尺の被測定物を計測する必要性から高精度な送り機構とガイド機構を有する重いＸステージを副支持架台の載置板上に設けるが、主支持架台に対して副支持架台の荷重を圧縮コイルバネの弾性力で受ける構造であるので、十字バネに加わる荷重を最小限に抑制することができ、主支持架台に対して副支持架台をスムーズ且つ精度よくヨーインングさせることができる。また、長尺で重量のある被測定物を含む可動部のＸ軸方向の変位に対し、その逆方向にリニア駆動機構でカウンターウエイトを駆動するので、重心の変動を最小限に抑制することができ、それにより十字バネによるヨーイング駆動が常に安定である。

測定対象のＸ線ミラー、基準平面ミラー及びフィゾー型干渉計の参照面との位置関係を示した簡略配置図である。同じく測定原理を示す説明図である。本発明の超精密形状測定装置の全体斜視図である。主支持架台に対して副支持架台をヨーイング駆動する機構部を示す部分斜視図である。十字バネによるヨーイング機構部を示す部分斜視図である。十字バネによるヨーイング機構部の主要部を示す分解斜視図である。十字バネによるヨーイング機構部の下部構造を示す斜視図である。十字バネによるヨーイング機構部の下部構造を示す平面図である。十字バネの拡大斜視図である。副支持架台の荷重を弾性的に支持する機構を示す部分斜視図である。副支持架台の荷重を弾性的に支持する機構の上部構造を一部破断して示した部分斜視図である。副支持架台の荷重を弾性的に支持する機構の下部構造を一部破断して示した部分斜視図である。副支持架台に組み込んだ超精密形状測定装置の主要機構部を示す斜視図である。同じくフィゾー型干渉計を省略した超精密形状測定装置の主要機構部を示す斜視図である。Ｘステージ上に設けた被測定物を保持し、ローリング駆動する構造を示す側面図である。基準平面ミラーを保持し、ヨーイングとローリング駆動する傾斜ステージの斜視図である。同じく支持アームを省略した傾斜ステージの部分斜視図である。同じく支持アームを省略した傾斜ステージの側面図である。同じく支持アームとミラー支持部材を省略した傾斜ステージの部分斜視図である。

本発明の超精密形状測定装置は、原理的には曲面であればどのような形状でも測定可能であるが、好ましくは曲率半径が５０〜１００ｍｍよりも大きな被測定曲面を有し、長さが１ｍ程度までの長尺の曲面ミラーを対象としている。例えば、被測定面としては、円柱面（円筒面）、楕円柱面（楕円筒面）、放物柱面、双曲柱面、楕円体面等があり、主に凹面形状のＸ線ミラーを対象としている。

本発明では、長尺のＸ線ミラーの全長に渡って部分形状データを取得できるように、傾斜ステージ機構と、その長手方向に平行移動させるためのＸステージ機構とを組み合わせたシステムとなっている。そして、それぞれの機構は現時点で最高レベルの精度が出せるように工夫している。それにより、１ｍ程度までの長さを有するＸ線ミラーの反射面形状を１ｎｍ程度の精度で測定でき、また反射面に１×１０^-４radを超えるような傾斜部分を有していても形状を計測できる。それには、Ｘ線ミラーのフィゾー型干渉計の参照面に対する傾斜角度を調整するとともに、長手方向に平行移動させることにより、各場所における部分形状データを取得する。そして、各部分形状データを高精度につなぎ合わせることで全体形状を得るのである。その際、スティッチング角度を一般的に用いられている部分形状データ間の重合領域の誤差を最小にすることにより求める方法ではなく、表面プロファイル測定時に高精度に測定された基準平面ミラーの傾斜角度を利用した方法により求めている。そして、スティッチング角度を高精度に測定するために、ミラーの傾斜角度を１×１０^-８radの精度で測定可能なシステムとした。

本実施形態で使用したフィゾー型干渉計は、ＺＹＧＯ社のGPI HP-HRであり、最大計測領域は２００ｍｍφである。ここで、Ｘ線ミラーの反射面が非球面や円筒面であっても、１×１０^-４radを超えるような傾斜部分がなければ、視野内の形状を一括で測定可能であれば、約１０ｍｍ以上の長中空間波長領域において、１ｎｍ以下の高い精度で形状の測定が可能である。原理的に、フィゾー型干渉計では、数ｍｍ以下の短空間波長領域（高周波）の計測に適しないので、短空間波長領域の計測に適したマイケルソン型顕微干渉計による計測結果を組み合わせて形状の評価をすることが望ましい。但し、代表的なマイケルソン型顕微干渉計であるＺＹＧＯ社のNew View 100HRの最大計測領域は５．１ｍｍ×４．８ｍｍであるので、狭い領域の顕微測定データを更に多数スティッチングする必要があり、このスティッチング処理にはフィゾー型干渉計による全体形状データによって傾き角を補正することにより、全空間波長領域に渡って高精度に形状を測定することができる。

本発明の超精密形状測定方法の要旨は、被測定物の被測定面をフィゾー型干渉計で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得した後、隣接する部分形状データを重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定する超精密形状測定方法であって、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物を対象とし、前記被測定面の一部と形状データが既知の基準平面とを並べてフィゾー型干渉計で同時に計測して部分形状データと、ヌルフリンジ状態の基準平面の角度情報とを取得するステップ１と、前記被測定面のみを平行移動させるステップ２と、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定面と基準平面を同時に傾斜させて、先行取得した部分形状データに隣接する測定領域の部分形状データと、基準平面の傾斜角度を取得するステップ３と、基準平面の傾斜角度が一定値を超えた場合又は常に該基準平面のみを逆方向に傾斜させてヌルフリンジ状態に復帰させ、その復帰させた傾斜角度を先行取得した部分形状データとの相対角度として取得するステップ４と、前記ステップ１〜４を繰り返した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理をするステップ５と、を有することにある。

フィゾー型干渉計は、被測定面が平面形状であれば、１ｎｍの精度で形状を測定できる。これは、正確に言うならば、被測定面と参照面間の距離を１ｎｍで測定していることを意味している。計測されたデータは、平面補正処理され、計測データとして表示される。ここで、平面補正処理しないデータには、参照面と、基準平面ミラー間の姿勢関係の情報が含まれていることになる。各点における計測精度が１ｎｍであり、例えば１００ｍｍの測定範囲を考えると、参照面と基準平面ミラー間の傾斜角度は、１ｎｍ／１００ｍｍ＝１×１０^-８radの精度で測定することができる。また、２点のみの計測ではなく、面データとしてデータを取得できるので、極めて精度よく、かつ、再現性よく角度を測定することが可能となる。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明の装置の概念図、図２は本発明の測定原理を示している。図中符号１は被測定物、２は参照面、３は基準平面ミラーをそれぞれ示している。本発明の超精密形状測定装置は、図１及び図３に示すように、略鉛直に配した被測定物１の被測定面を、光軸を略水平に向けたフィゾー型干渉計４で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定するための超精密形状測定装置であって、主支持架台５の内部に副支持架台６を配置するとともに、該副支持架台６の上下部を前記主支持架台５に対して鉛直方向に回動軸芯を持つ十字バネ７，８でそれぞれ連結してヨーイング軸を形成し、前記主支持架台５に対して副支持架台６をヨーイング可能とし、被測定面の短辺がフィゾー型干渉計４の参照面２の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物１と、基準平面ミラー３とをフィゾー型干渉計４の参照面２に対して略平行に並べるとともに、前記被測定物１を前記副支持架台６の載置板９上にＸステージ１０を介して保持し、前記基準平面ミラー３を前記副支持架台６の載置板９上に設けた少なくともヨーイング可能な傾斜ステージ１１上に保持した配置としたものである。

ここで、図１及び図３に示すように、前記被測定物１（Ｘ線ミラー）の長手方向をＸ軸とし、該Ｘ軸に直交する水平方向をＹ軸とし、鉛直方向をＺ軸としている。また、Ｚ軸を中心とした回転をヨーイング（θで示している）、Ｘ軸を中心とした回転をローリング（φで示している）とする。尚、前記フィゾー型干渉計の光軸はＹ軸である。

上述の基本構造としたことにより、前記主支持架台５に対して副支持架台６をヨーイング操作するとともに、前記傾斜ステージ１１を操作して前記ステップ１におけるＸ線ミラー１と基準平面ミラー３の初期アライメントを行い、前記Ｘステージ１０を操作して前記ステップ２におけるＸ線ミラー１の平行移動を行い、前記主支持架台５に対して副支持架台６をヨーイング操作して前記ステップ３におけるＸ線ミラー１と基準平面ミラー３を同時に傾斜させ、前記傾斜ステージ１１を操作して前記ステップ４における基準平面ミラー３の傾斜角度を初期状態に復帰させることになる。尚、前記Ｘ線ミラー１と基準平面ミラー３の反射面は略同じ鉛直面になるように平行に接近させて上下に配置し、フィゾー型干渉計で同時に計測できるようにする。

図２に基づいて、細長いＸ線ミラー１の反射面の全体形状を測定する手順を簡単に説明する。本発明では測定対象が１ｍ程度までの長尺のＸ線ミラー１であるので、測定対象のＸ線ミラー１及び基準平面ミラー３の傾斜操作と、Ｘ線ミラー１の長手方向への行移動操作によって、長手方向の一端部から他端部へ順次部分形状データと、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得していくことになる。具体的には、以下のステップで形状測定を行う。

（ステップ１）
先ず、Ｘ線ミラー１の一端を含む端部領域をフィゾー型干渉計で測定できるように、Ｘステージ１０の可動台１２の位置を初期設定した後、副支持架台６をヨーイング操作してフリンジが適度の間隔で現われるようにし、初期座標を決定する。それから、傾斜ステージ１１を操作して基準平面ミラー３がヌルフリンジ状態になるように調節する。その状態で、フィゾー型干渉計４で同時に計測してＸ線ミラー１の部分形状データとヌルフリンジ状態の基準平面ミラー３の角度情報とを取得する（図３（ａ）参照）。図中符号Ｍは、Ｘ線ミラー１の部分形状データを取得した範囲を示している。尚、Ｘ線ミラー１と基準平面ミラー３の反射面は略同じ高さ位置にあるが、表示上の理由で上下にずらして示している。以下同様である。

（ステップ２）
前記ステップ１の配置で、フィゾー型干渉計の視野内でＸ線ミラー１の部分形状データを取得し終わると、Ｘステージ１０を操作してＸ線ミラー１のみを平行移動させ、ステップ１で測定した領域に隣接する領域を視野内に位置させる（図３（ｂ）参照）。

（ステップ３）
測定しようとする領域のフリンジが観察可能な状態になるように、副支持架台６をヨーイング操作して、フィゾー型干渉計４の参照面２に対してＸ線ミラー１と基準平面ミラー３を同時に傾斜させて、先行取得した部分形状データに隣接する測定領域の部分形状データと、基準平面ミラー３の傾斜角度を取得する（図３（ｃ）参照）。

（ステップ４）
基準平面ミラー３の傾斜角度が一定値を超えた場合又は常に、該基準平面ミラー３のみを逆方向に傾斜させてヌルフリンジ状態に復帰させ、その復帰させた傾斜角度を先行取得した部分形状データとの相対角度として取得する（図３（ｄ）参照）。ここで、ステップ３とステップ４で測定した傾斜角度は、Ｘ線ミラー１を傾斜させる毎に基準平面ミラー３をヌルフリンジ状態に復帰させる場合には一致するが、複数回Ｘ線ミラー１を傾斜させた後、基準平面ミラー３の傾斜角度が一定値を超えたときにヌルフリンジ状態に復帰させる場合には、複数回のＸ線ミラー１の傾斜角度の和が本ステップ４で測定した傾斜角度に一致する。従って、原理的にはステップ３で測定する個々の部分形状データに対応する傾斜角度のみで良いが、本ステップ４で測定した傾斜角度を利用することにより、角度測定における累積誤差を少なくすることができる。

前記ステップ１〜４を繰り返して、Ｘ線ミラー１の全長に渡って部分形状データと、隣接する部分形状データ間の相対角度を測定する。

（ステップ５）
隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理をして全体形状を形成する。ここで、得られた全体形状のデータは、Ｘ線ミラー１の反射面を修正、仕上げ加工するときのＮＣデータとなる。

ここで、前記ステップ１において、フィゾー型干渉計４の視野内で前記Ｘ線ミラー１の傾斜角度若しくは曲率が大きくて形状データを取得できない領域がある場合、前記ステップ２を実行しないでステップ３とステップ４を繰り返して、フィゾー型干渉計４の視野内の略全域で部分形状データを取得する。その後に、ステップ２を実行して次の領域の測定を実行するのである。

次に、図３〜図１９に基づいて、本発明の超精密形状測定装置の詳細を説明する。図３は、本発明の装置の全体斜視図であり、装置全体が防振台１３の上に構築されている。尚、防振台１３の下部構造は省略している。先ず、前記防振台１３の上にＹテージ１４が設けられ、その上に前記主支持架台５を設置している。前記防振台１３には前記フィゾー型干渉計４が保持台１５を介して設置されており、前記Ｙテージ１４を操作することにより、参照面２とＸ線ミラー１及び基準平面ミラー３との距離を大まかに調節し、微調節はフィゾー型干渉計４に備わっている調節機能で行う。

図３〜図５に示すように、前記主支持架台５は、上板１６と下板１７を複数の主支柱１８，…で上下に間隔を隔てて固定した剛構造であり、前記副支持架台６は、前記主支持架台５の上板１６と下板１７の間に収まる大きさを有し、天板１９と前記載置板９を複数の副支柱２０，…で上下に間隔を隔てて固定した剛構造である。そして、前記主支持架台５の上板１６の下面に固定した固定体２１と前記副支持架台６の天板１９との上面に固定した可動体２２の間を前記十字バネ７で連結するとともに、前記主支持架台５の下板１７の上面に固定した固定体２３と前記副支持架台６の載置板９の下面に固定した可動体２４の間を前記十字バネ８で連結し、リニアアクチュエータ２５の本体部２５Ａを前記主支持架台５に固定するとともに、押圧部２５Ｂを前記副支持架台６に固定した可動体２４の側面に圧接して、ヨーイング駆動するのである。尚、前記リニアアクチュエータ２５による副支持架台６のヨーイング駆動は、前記主支持架台５の上板１６の下面側で行ってもよい。

ここで、図６〜８に示すように、前記固定体２１、可動体２２、固定体２３及び可動体２４は、それぞれ二つの部材を直交状態で連結して強度を高め、それぞれには鉛直方向に向いた直角エッジが形成され、該直角エッジを利用して前記十字バネ７，８を取付けるのである。前記十字バネ７，８は、図９に示すように、複数の板バネ２６，…を交互に直交させて上下に配置し、両端部をそれぞれ固定板２７で挟んで前記固定体２１、可動体２２、固定体２３及び可動体２４の対応面にボルト止めする。また、図６に示すように、前記主支持架台５の上板１６の下面に固定した固定体２１の上部で前記十字バネ７の近傍部分には切欠部２８を形成し、また前記副支持架台６の載置板９の下面に固定した可動体２４の上部で前記十字バネ８の近傍部分にも切欠部２９を形成し、前記上板１６の下面と十字バネ７の間と前記載置板９の下面と十字バネ８の間にそれぞれ空間を設けている。また、前記リニアアクチュエータ２５の本体部２５Ａは、前記載置板９の上面に突設した取付台３０に固定し、該取付台３０から突出したリニアアクチュエータ２５の押圧部２５Ｂを前記副支持架台６に固定した可動体２４の側面に当接し、該取付台３０と可動体２４とを引張コイルバネ３１で引き付けて、常に押圧部２５Ｂが可動体２４の側面に点接触している状態を維持する。

前記副支持架台６には、重量のある装置の主要部分が組み込まれるため、全体の重量は約２００ｋｇにもなり、前記十字バネ７，８に過大な荷重が加わるので、それを低減するために圧縮コイルバネによる荷重軽減機構が設けられている（図３及び図４参照）。図１０は、主支持架台５と副支持架台６及び圧縮コイルバネによる荷重軽減機構のみを取り出して示したものであり、副支持架台６の上部に上荷重軽減機構３２と下部に下荷重軽減機構３３が設けられている。

前記上荷重軽減機構３２は、図１０及び図１１に示すように、前記主支持架台５の上板１６の下面近傍に前記副支持架台６の天板１９の上面に４本の支持脚３４，…で固定した吊板３５を接触することなく配置し、該吊板３５から上方に前記ヨーイング軸と同心状に垂設した吊支棒３６を前記主支持架台５の上板１６の開口３７を通して上方へ貫通させるとともに、該開口３７の上部に前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受３８と前記吊支棒３６の先端に設けた係止リング３９との間に圧縮コイルバネ４０を配置して前記副支持架台６の荷重を上方から吊り下げて支持するものである。ここで、前記吊支棒３６の先端にはネジを切っており、これにナット４１を螺合して圧縮コイルバネ４０の弾性力を調節できるようにしている。前記吊板３５は、前記切欠部２８による空間に位置し、前記各支持脚３４は、前記固定体２１及び可動体２２と干渉しない位置に設けている。

前記下荷重軽減機構３３は、図１０及び図１２に示すように、前記副支持架台６の載置板９の下面に、前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受４２を介して押上板４３を回転可能に配置するとともに、前記主支持架台５の下板１７と該押上板４３の間に複数の圧縮コイルバネ４４，…を配置して前記副支持架台６の荷重を下方から支持するものである。更に詳しくは、前記押上板４３の４隅には上下に貫通させてスリーブ４５を設け、前記下板１７の上面に垂設したガイド棒４６を前記スリーブ４５にスライド可能に嵌挿し、前記スリーブ４５とガイド棒４６を巻回するように前記圧縮コイルバネ４４を配置している。また、前記ガイド棒４６の上端は前記載置板９に形成した逃がし孔４７内に遊挿されている。前記押上板４３は、前記切欠部２９による空間に位置し、前記各圧縮コイルバネ４４は、前記固定体２３及び可動体２４と干渉しない位置に設けている。更に、前記主支持架台５の下板１７と副支持架台６の載置板９の間には、本装置の搬送時の振動を防止するために、前記下板１７と載置板９を固定する４本の仮支持棒４８，…が下荷重軽減機構３３の外側で前記固定体２３及び可動体２４と干渉しない位置に設けている。

そして、前記副支持架台６に組み込む装置主要部は、図１３〜図１９に示されている。先ず図１３〜図１５に示すように、前記副支持架台６の載置板９の上面には、Ｘ軸方向に延びた剛性の高いステージ支持部材４９の中央部を載置して固定し、該ステージ支持部材４９の上に前記Ｘステージ１０と後述のＸ方向リニア駆動機構５０を平行に設置している。前記Ｘステージ１０の可動台１２にＸ軸方向に延びる基台５１を固定し、該基台５１の一側部にＸ軸方向に間隔を隔てて立設した一対の支持アーム５２，５２の上端部に、ヒンジ部５３Ａの屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジ５３を介して一対の可動アーム５４，５４を吊下げ状態で連結するとともに、該両可動アーム５４，５４の下端に前記基台５１に接触しないように被測定物ホルダー５５を固定し、更に前記可動台１２にリニアアクチュエータ５６の本体部５６Ａを固定するとともに、前記被測定物ホルダー５５の中間部に設けた受部５７にリニアアクチュエータ５６の押圧部５６Ｂを圧接し、被測定物ホルダー５５に保持した被測定物（Ｘ線ミラー１）をローリング可能としている。ここで、前記弾性ヒンジ５３は、前記十字バネの構成部材と同様に板バネと一対の固定板で構成しているが、一体の削り出し部材を用いてもよい。また、前記被測定物ホルダー５５の上面には、Ｘ線ミラー１をベッセル点で３点支持できるように３個のピンを突設しているとともに、Ｘ線ミラー１の短辺、長辺を当止し、位置を微調節できる機構を設けている。

更に、図１３及び図１４に示すように、前記載置板９には前記Ｘステージ１０と平行してＸ方向リニア駆動機構５０を設けるとともに、該リニア駆動機構５０で前記可動台１２と該可動台１２上の機構部の荷重とにバランスするカウンターウエイト５８を前記可動台１２と逆方向に駆動し、前記載置板９上の重心の変動を抑制している。具体的には、前記リニア駆動機構５０は、前記ステージ支持部材４９の上に敷設したレール５９，５９と該レール５９，５９上を転動する可動体６０と、前記レール５９の外側に併設したモータ駆動の送りねじ機構６１とからなり、前記可動体６０にカウンターウエイト５８の中央部を固定し、送りねじ機構６１でＸ軸方向に移動できるようにしている。そして、前記Ｘステージ１０の可動台１２の動きと逆方向にカウンターウエイト５８を駆動し、Ｘ軸方向に対する重心位置が常に一定になるようにしている。理想的には、前記副支持架台６の重心位置が十字バネ７，８によるヨーイング軸に一致することであるが、被測定対象のＸ線ミラー１のサイズが異なるので、正確に重心を一致させることはできないが、ダミーの物体を被測定物ホルダー５５に装着して重量バランスを補正することが可能である。

次に、図１６〜図１９に基づいて前記基準平面ミラー３の傾斜ステージ１１を説明する。前記傾斜ステージ１１は、前記フィゾー型干渉計４の参照面２と対向する位置で前記載置板９上に配置し、Ｘ軸方向に間隔を隔てて前記載置板９に固定した一対の倒Ｌ字形の支持アーム６２，６２の先端部間に支持板６３を固定し、該支持板６３の上位に平行に配置した傾動板６４の一端部をヒンジ部６５Ａの屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジ６５を介して連結するとともに、前記支持アーム６２に本体部６６Ａを固定したリニアアクチュエータ６６の押圧部６６Ｂを前記傾動板６４の遊端側下面に圧接してローリング可能とし、更に前記傾動板６４の上面に固定した垂直板６７の一端部にヒンジ部６８Ａの屈曲中心線をＺ軸方向に向けた弾性ヒンジ６８を介してミラー支持部材６９を連結するとともに、前記垂直板６７に本体部７０Ａを固定したリニアアクチュエータ７０の押圧部７０Ｂを前記ミラー支持部材６９の背面に延設した受部７１に圧接し、該ミラー支持部材６９に保持した基準平面ミラー３をヨーイング可能とし、前記弾性ヒンジ６５，６８のヒンジ部６５Ａ，６８Ａの屈曲中心線が前記基準平面ミラー３の反射面中心を通るように設定している。ここで、前記リニアアクチュエータ６６の本体部６６Ａは、前記支持板６３の後方で前記支持アーム６２，６２間に固定した取付板７２に固定するとともに、前記垂直板６７の他端部と該取付板７２を引張コイルバネ７３で引き付けて、前記押圧部６６Ｂが傾動板６４の下面に点接触している状態を維持する。同様に、前記垂直板６７の他端部と受部７１を引張コイルバネ７４で引き付けて、前記押圧部６６Ｂが傾動板６４の下面に点接触している状態を維持する。

そして、前記弾性ヒンジ６５，６８のヒンジ部６５Ａ，６８Ａの屈曲中心線から半径方向に伸ばした線に直交する接線方向に、前記リニアアクチュエータ６６，７０の押圧部６６Ｂ，７０Ｂの駆動方向を設定し、該押圧部６６Ｂ，７０Ｂと前記傾動板６４及び受部７１を常に点接触させることが好ましい。

また、各駆動部には、変位を検出する変位センサーを設けるとともに、ストッパーを設けて十字バネや弾性ヒンジを保護している。また、変位量を高精度に計測できる変位センサーを用いることにより、例えば、検出感度が０．０１μｍの変位センサーを用い、前記ヒンジ部から変位センサーまでの距離を２０〜３０ｃｍとすれば、傾斜角度をサブμradの精度で検出することができる。

ここで、前記リニアアクチュエータ２５，５６，６６，７０は、０．０１２５μｍ／パルス（フルステップ）のものを用いており、ヒンジ部から２０〜３０ｃｍ離れた位置で駆動するので、分解能は約０．０６μradである。但し、ステッピングモータ駆動のリニアアクチュエータを用いれば、ステップを分割してフルステップを1/100ステップに設定を変えれば、ｎradのレベルの角度調節が可能になる能力を秘めている。

１被測定物（Ｘ線ミラー）、２参照面、
３基準平面ミラー、４フィゾー型干渉計、
５主支持架台、６副支持架台、
７十字バネ、８十字バネ、
９載置板、１０Ｘステージ、
１１傾斜ステージ、１２可動台、
１３防振台、１４Ｙテージ、
１５保持台、１６上板、
１７下板、１８主支柱、
１９天板、２０副支柱、
２１固定体、２２可動体、
２３固定体、２４可動体、
２５リニアアクチュエータ、２５Ａ本体部、
２５Ｂ押圧部、２６板バネ、
２７固定板、２８切欠部、
２９切欠部、３０取付台、
３１引張コイルバネ、３２上荷重軽減機構、
３３下荷重軽減機構、３４支持脚、
３５吊板、３６吊支棒、
３７開口、３８スラスト軸受、
３９係止リング、４０圧縮コイルバネ、
４１ナット、４２スラスト軸受、
４３押上板、４４圧縮コイルバネ、
４５スリーブ、４６ガイド棒、
４７逃がし孔、４８仮支持棒、
４９ステージ支持部材、５０リニア駆動機構、
５１基台、５２支持アーム、
５３弾性ヒンジ、５３Ａヒンジ部、
５４可動アーム、５５被測定物ホルダー、
５６リニアアクチュエータ、５６Ａ本体部、
５６Ｂ押圧部、５７受部、
５８カウンターウエイト、５９レール、
６０可動体、６１送りねじ機構、
６２支持アーム、６３支持板、
６４傾動板、６５弾性ヒンジ、
６５Ａヒンジ部、６６リニアアクチュエータ、
６６Ａ本体部、６６Ｂ押圧部、
６７垂直板、６８弾性ヒンジ、
６８Ａヒンジ部、６９ミラー支持部材、
７０リニアアクチュエータ、７０Ａ本体部、
７０Ｂ押圧部、７１受部、
７２取付板、７３引張コイルバネ、
７４引張コイルバネ。

Claims

略鉛直に配した被測定物の被測定面を、光軸を略水平に向けたフィゾー型干渉計で計測し、被測定面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を取得した後、隣接する部分形状データを前記相対角度と重合領域の一致度を利用してスティッチング処理を施し、被測定面の全体形状を測定するための超精密形状測定装置であって、
主支持架台の内部に副支持架台を配置するとともに、該副支持架台の上下部を前記主支持架台に対して鉛直方向に回動軸芯を持つ十字バネでそれぞれ連結してヨーイング軸を形成し、前記主支持架台に対して副支持架台をヨーイング可能とし、
被測定面の短辺がフィゾー型干渉計の参照面の直径よりも小さく且つ長辺が参照面の直径より大きい被測定物と、基準平面ミラーとをフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、前記被測定物を前記副支持架台の載置板上にＸステージを介して保持し、前記基準平面ミラーを前記副支持架台の載置板上に設けた少なくともヨーイング可能な傾斜ステージ上に保持した配置としたことを特徴とする超精密形状測定装置。
前記主支持架台は、上板と下板を複数の主支柱で上下に間隔を隔てて固定した剛構造であり、前記副支持架台は、前記主支持架台の上板と下板の間に収まる大きさを有し、天板と前記載置板を複数の副支柱で上下に間隔を隔てて固定した剛構造であり、前記主支持架台の上板の下面に固定した固定体と前記副支持架台の天板との上面に固定した可動体の間を前記十字バネで連結するとともに、前記主支持架台の下板の上面に固定した固定体と前記副支持架台の載置板の下面に固定した可動体の間を前記十字バネで連結し、リニアアクチュエータの本体部を前記主支持架台に固定するとともに、押圧部を前記副支持架台に固定した可動体の側面に圧接して、ヨーイング駆動してなる請求項１記載の超精密形状測定装置。
前記主支持架台の上板の下面近傍に前記副支持架台の天板の上面に固定した吊板を接触することなく配置し、該吊板から上方に前記ヨーイング軸と同心状に垂設した吊支棒を前記主支持架台の上板の開口を通して上方へ貫通させるとともに、該開口の上部に前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受と前記吊支棒の先端に設けた係止リングとの間に圧縮コイルバネを配置して前記副支持架台の荷重を上方から支持してなる請求項２記載の超精密形状測定装置。
前記副支持架台の載置板の下面に、前記ヨーイング軸と同心状に設けたスラスト軸受を介して押上板を回転可能に配置するとともに、前記主支持架台の下板と該押上板の間に複数の圧縮コイルバネを配置して前記副支持架台の荷重を下方から支持してなる請求項２記載の超精密形状測定装置。
前記Ｘステージの可動台にＸ軸方向に延びる基台を固定し、該基台の一側部にＸ軸方向に間隔を隔てて立設した一対の支持アームの上端部に、ヒンジ部の屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジを介して一対の可動アームを吊下げ状態で連結するとともに、該両可動アームの下端に前記基台に接触しないように被測定物ホルダーを固定し、前記可動台にリニアアクチュエータの本体部を固定するとともに、前記被測定物ホルダーの中間部に設けた受部にリニアアクチュエータの押圧部を圧接し、被測定物ホルダーに保持した被測定物をローリング可能としてなる請求項１〜４何れか１項に記載の超精密形状測定装置。
前記載置板には前記Ｘステージと平行してＸ方向リニア駆動機構を設けるとともに、該リニア駆動機構で前記可動台と該可動台上の機構部の荷重とにバランスするカウンターウエイトを前記可動台と逆方向に駆動し、前記載置板上の重心の変動を抑制してなる請求項５記載の超精密形状測定装置。
前記基準平面ミラーの傾斜ステージは、前記フィゾー型干渉計の参照面と対向する位置で前記載置板上に配置し、Ｘ軸方向に間隔を隔てて前記載置板に固定した一対の倒Ｌ字形の支持アームの先端部間に支持板を固定し、該支持板の上位に平行に配置した傾動板の一端部をヒンジ部の屈曲中心線をＸ軸方向に向けて固定した弾性ヒンジを介して連結するとともに、前記支持アームに本体部を固定したリニアアクチュエータの押圧部を前記傾動板の遊端側下面に圧接してローリング可能とし、更に前記傾動板の上面に固定した垂直板の一端部にヒンジ部の屈曲中心線をＺ軸方向に向けた弾性ヒンジを介してミラー支持部材を連結するとともに、前記垂直板に本体部を固定したリニアアクチュエータの押圧部を前記ミラー支持部材の背面に延設した受部に圧接し、該ミラー支持部材に保持した基準平面ミラーをヨーイング可能とし、前記弾性ヒンジのヒンジ部の屈曲中心線が前記基準平面ミラーの反射面中心を通るように設定してなる請求項１〜６何れか１項に記載の超精密形状測定装置。
前記弾性ヒンジのヒンジ部の屈曲中心線から半径方向に伸ばした線に直交する接線方向に、前記リニアアクチュエータの押圧部の駆動方向を設定し、該押圧部と前記受部を常に点接触させてなる請求項５又は７記載の超精密形状測定装置。
各駆動部に変位を検出する変位センサーを設けてなる請求項１〜８何れか１項に記載の超精密形状測定装置。