JP6417645B2 - 表面形状測定装置のアライメント方法 - Google Patents

Description

本発明は表面形状測定装置のアライメント方法に係り、特に走査型白色干渉計を用いた表面形状測定装置において、中心軸に対し軸対称形状を有する被測定面を含む測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する表面形状測定装置のアライメント方法に関する。

表面形状測定装置は、測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する装置であり、走査型白色干渉計を用いたものが知られている。

走査型白色干渉計は、特許文献１に記載されているように、波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を光源として用い、マイケルソン型やミロー型などの干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触により測定する。

特許文献１に記載のように、マイケルソン型の走査型白色干渉計は、測定対象物（試料）の被測定面に対向して配置されるマイケルソン型干渉計と、被測定面を照明する白色光を出射する白色光源と、マイケルソン型干渉計により生成された干渉光を撮影するＣＣＤカメラ等を備える。

マイケルソン型干渉計は、光学顕微鏡の構成要素としての対物レンズと、対物レンズと被測定面との間に配置されるビームスプリッタと、参照ミラーとを有する。白色光源からマイケルソン干渉計に入射した白色光は、対物レンズを透過してビームスプリッタにより物体光と参照光とに分割され、物体光は被測定面に照射され、参照光は参照ミラーに照射される。そして、被測定面から戻る物体光と参照ミラーから戻る参照光とが重ね合わされて干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズを通過してマイケルソン干渉計からＣＣＤカメラへと出射される。

これにより、ＣＣＤカメラの撮像面には、干渉像が結像され、その干渉像が干渉画像としてＣＣＤカメラの撮像素子により取得される。そして、マイケルソン型干渉計を被測定面に対して高さ方向に変位させながら干渉画像を取得し、干渉画像の各画素について輝度値が最大値を示すときの変位量を検出することで被測定面の各点の相対的な高さが測定される。

特開２０１３−１９７６７号公報

ところで、上述のような走査型白色干渉計において、例えば円錐体などの測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する場合、測定対象物の中心軸が傾いていると、測定対象物の被測定面の位置（向き）によっては被測定面から戻る物体光が弱くなり、測定対象物の被測定面の３次元形状を正確に測定することができなくなる。そのため、測定前の準備作業として、測定対象物がステージ上に載置された後、測定対象物の中心軸がマイケルソン型干渉計の光軸の方向を向くようにステージの傾斜角度を調整して測定対象物のアライメント（傾斜角度調整）を行う必要がある。

しかしながら、従来では、このようなアライメント作業は、操作者がＣＣＤカメラにより取得される干渉画像（干渉縞）の状態を目視により確認しながら行っているため、操作者の習熟度によってアライメントに要する時間や、アライメントの正確度にばらつきが生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、操作者の習熟度によらず、簡単、迅速、かつ、正確に測定対象物のアライメント（傾斜角度調整）を行うことができる表面形状測定装置のアライメント方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１態様に係る表面形状測定装置のアライメント方法は、中心軸に対し軸対称形状を有する被測定面を含む測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部と、光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して物体光を第１方向を光軸として測定対象物の被測定面に照射し、被測定面から戻る物体光と参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、測定対象物に対して干渉部を第１方向に相対的に移動する走査手段と、干渉部からの干渉光を受光して干渉光による干渉画像を生成する干渉画像生成部と、走査手段により測定対象物に対して干渉部を第１方向に相対的に移動させながら干渉画像生成部から複数の干渉画像を第１時間間隔ごとに順次取得し、取得した複数の干渉画像に基づいて測定対象物の被測定面の表面形状を検出する処理部と、第１方向に対する測定対象物の中心軸の傾きを変更する傾き変更手段と、を備える表面形状測定装置のアライメント方法であって、走査手段により測定対象物に対して干渉部を第１方向に相対的に移動させながら干渉画像生成部から複数の干渉画像を第２時間間隔ごとに順次取得するプレ走査工程と、プレ走査工程により取得した複数の干渉画像に基づき、測定対象物における第１方向に対して垂直かつ第１方向の位置が互いに異なる２つの断面形状を取得する断面取得工程と、断面取得工程により取得された２つの断面形状に基づき、第１方向に対する測定対象物の中心軸の傾きを算出する傾き算出工程と、傾き算出工程の算出結果に基づき、傾き変更手段により第１方向に対する測定対象物の中心軸の傾きを調整する傾き調整工程と、を有する。

本態様において、傾き調整工程は自動でも手動でもよい。手動の場合には、例えば、操作者は、表示部に表示した測定対象物の傾きを参照しながら入力部から傾き変更手段を操作することが挙げられる。自動の場合には、傾き算出工程の算出結果に基づいて傾き変更手段が自動で制御される。なお、効率の観点から自動で行われることが好ましい。

また、プレ走査工程における複数の干渉画像の取得間隔（第２時間間隔）は、測定対象物の被測定面の表面形状を測定する際に行われる本走査工程で取得される複数の干渉画像の取得間隔（第１時間間隔）と同じでも異なっていてもよい。なお、効率の観点から、第２時間間隔は第１時間間隔よりも長いことが好ましい。この場合、プレ走査工程で取得される干渉画像の枚数を本走査工程よりも減らすことができ、アライメントを迅速かつ効率よく行うことが可能となる。

本発明の第２態様に係る表面形状測定装置のアライメント方法は、第１態様において、傾き変更手段は、支持部を第１方向に直交する第２方向に回転させる第１回転軸と、支持部を第１方向及び第２方向に直交する第３方向に回転させる第２回転軸と、を備え、傾き調整工程は、傾き変更手段により支持部を第１回転軸の周りに回転させて、測定対象物の中心軸が第３方向に垂直な平面に対して平行となるように調整する第１調整工程と、傾き変更手段により支持部を第２回転軸の周りに回転させて、測定対象物の中心軸が第２方向に垂直な平面に対して平行となるように調整する第２調整工程と、を有する。

本発明の第３態様に係る表面形状測定装置のアライメント方法は、第２態様において、傾き調整工程は、第１調整工程と第２調整工程とを同一のタイミングで行う。

本発明の第４態様に係る表面形状測定装置のアライメント方法は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様において、第２時間間隔は第１時間間隔よりも長い。

本発明の第５態様に係る表面形状測定装置のアライメント方法は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様において、測定対象物の被測定面は中心軸に対し軸対称形状からなる円錐形状を有し、断面取得工程は、プレ走査工程により取得した複数の干渉画像に基づき、測定対象物における第１方向に対して垂直かつ第１方向の位置が互いに異なる２つの楕円形状を取得し、傾き算出工程は、第１方向に対する測定対象物の中心軸の傾きとして、断面取得工程により取得された２つの楕円形状の中心を接続する直線の傾きを算出し、傾き調整工程は、傾き算出工程で算出された直線の傾きに基づき、傾き変更手段により第１方向に対する測定対象物の中心軸の傾きを調整する。

本発明によれば、操作者の習熟度によらず、簡単、迅速、かつ、正確に測定対象物のアライメント（傾斜角度調整）を行うことができる。

本発明が適用される表面形状測定装置（走査型白色干渉計）の全体構成を示した構成図 ｘｙ座標上に干渉画像（撮像素子の撮像面）の画素配列を示した図 干渉縞曲線を例示した図 被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図 処理部におけるアライメントの処理手順を示したフローチャート 測定対象物の２つの断面形状から中心軸の傾きを算出する方法を説明するための図 測定対象物の１つの断面形状のみを取得する場合の問題点を示した図 測定対象物の中心軸の傾きが互いに異なる場合に２つの断面形状から中心軸の傾きが算出される様子を示した図 測定対象物の他の例を示した図 測定対象物の更に他の例を示した図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明が適用される表面形状測定装置の全体構成を示した構成図である。

同図における表面形状測定装置１は、ミロー型の干渉計を用いて測定対象物の表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、ミロー型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉画像を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置されるステージ１０と、光学部２の各種制御や光学部２により取得された干渉画像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８等を備える。測定対象物Ｐは、中心軸Ｏに対して軸対称形状を有する被測定面Ｓを含むものであり、特に被測定面Ｓは円錐形状のような回転軸対称形状を有するものである。以下では、測定対象物Ｐが円錐体である場合を一例にして説明する。

なお、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に平行する軸）とｙ軸（紙面に直交する軸）とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸とする。また、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向は、それぞれ、本発明における「第２方向」、「第３方向」、「第１方向」に相当する。

ステージ１０は、測定対象物Ｐを支持する支持部の一例であり、ｘ軸及びｙ軸に略平行する平坦な上面であって測定対象物Ｐを載置するステージ面１０ａを有する。また、ステージ１０は、ステージ面１０ａの水平面に対する傾き（ｚ軸に対する傾斜角度）を変更する傾き変更手段を有しており、ステージ面１０ａ（ステージ１０）は、詳細な構成を省略する傾き変更手段により、ｘ軸に平行なｘ回転軸３０の周りとｙ軸に平行なｙ回転軸３２の周りに回転可能に設けられる。そして、ステージ面１０ａは、ｘアクチュエータ３４の駆動によりｘ回転軸３０周りに回転し、ｙアクチュエータ３６の駆動によりｙ回転軸３２周りに回転する。このステージ面１０ａのｘ回転軸３０周りの回転及びｙ回転軸３２周りの回転によって、後述のように測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを調整するアライメント（傾斜角度調整）が行われる。なお、ｘ回転軸３０は傾き変更手段の第１回転軸の一例である。また、ｙ回転軸３２は傾き変更手段の第２回転軸の一例である。

なお、ｘアクチュエータ３４及びｙアクチュエータ３６のように本明細書においてアクチュエータという場合には、ピエゾアクチュエータやモータなどの任意の駆動装置を示す。

ステージ面１０ａに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、不図示の筐体により一体的に収容保持された光学部２が配置される。

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｌ１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸Ｌ０を有する干渉部１４及び撮影部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｌ１は、干渉部１４及び撮影部１６の光軸Ｌ０に対して直交し、干渉部１４と撮影部１６との間において光軸Ｌ０と交差する。なお、光軸Ｌ１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０及びコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｌ１として同軸上に配置される。

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮影部１６との間に配置され、光軸Ｌ１と光軸Ｌ０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が光軸Ｌ０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

干渉部１４は、周知のミロー型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を物体光と参照光とに分割し、物体光をｚ軸方向（第１方向）を光軸として測定対象物Ｐに照射して測定対象物Ｐから戻る物体光を参照光により干渉させた干渉光を生成する。

干渉部１４は、集光作用を有する対物レンズ５０と、光を反射する平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦な光分割面を有するビームスプリッタ５４を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、及びビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の光軸Ｌ０として同軸上に配置される。参照ミラー５２は例えば対物レンズ５０の中心表面部分に設置される。

光源部１２からこの干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する物体光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

ビームスプリッタ５４を透過した物体光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した物体光が対物レンズ５０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

これによって、干渉部１４から被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る物体光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮影部１６に向けて出射される。

また、ビームスプリッタ５４（光分割面）は、対物レンズ５０の焦点面（対物レンズ５０の焦点を通り、光軸Ｌ０に垂直な平面）に対して距離ｈだけ対物レンズ５０側に近くなる位置、即ち、対物レンズ５０の焦点面に対して距離ｈだけ高い位置に配置される。

参照ミラー５２（反射面）は、ビームスプリッタ５４（光分割面）に対して距離ｈだけ対物レンズ５０側に近くなる位置、即ち、ビームスプリッタ５４に対して距離ｈだけ高い位置に配置される。

したがって、ビームスプリッタ５４と参照ミラー５２とは、対物レンズ５０の焦点面の位置で反射した物体光の光路長と参照光の光路長とが等しくなるように配置される。

なお、対物レンズ５０の焦点距離をＨｓとすると、距離ｈを２倍した値２ｈ、即ち、対物レンズ５０の焦点面から参照ミラー５２までの距離２ｈは、対物レンズ５０の焦点距離Ｈｓよりも小さい。

また、照明光が物体光と参照光とに分割された後、物体光と参照光とが重ね合わされるまでの物体光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、物体光の光路長及び参照光の光路長といい、それらの差を物体光と参照光の光路長差というものとする。

また、干渉部１４は、光学部２においてｚ軸方向に直線移動可能に設けられる。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により干渉部１４がｚ軸方向に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで物体光の光路長が変化し、物体光と参照光との光路長差が変化する。なお、干渉部アクチュエータ５６は、走査手段の一例である。

撮影部１６は、干渉部１４からの干渉光を受光して干渉光による干渉画像を生成する干渉画像生成部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮影部１６の光軸Ｌ０と同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子等、任意の撮像手段を用いることができる。

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮影部１６に入射する。

撮影部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０ａに干渉像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの光軸Ｌ０周辺の領域に対する干渉像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０ａに結像する。

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮影部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。なお、以下において、測定対象物Ｐの焦点面のｚ軸方向の位置を単に「ピント位置」、又は、「撮影部１６のピント位置」というものとする。

撮像素子６０の撮像面６０ａに結像された干渉像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉画像として取得される。そして、その干渉画像は、処理部１８に与えられる。

以上のように光源部１２、干渉部１４、及び撮影部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がｚ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮影部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮影部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向（第１方向）に移動（本走査）させながら撮影部１６の撮像素子６０から複数の干渉画像を第１時間間隔ごとに順次取得する。そして、取得した複数の干渉画像に基づいて被測定面Ｓの表面形状を示す３次元形状データを取得する。

被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明すると、撮影部１６の撮像素子６０は、ｘ軸及びｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）からなり、各画素において受光される干渉像の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉画像の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した物体光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

ここで、図２に示すように、干渉画像（撮像素子６０の撮像面）のｍ列目、ｎ行目の画素を（ｍ，ｎ）と表すものとする。そして、画素（ｍ，ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ，ｎ）と表すものとする。

また、画素（ｍ，ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、また、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

このとき、撮像素子６０により取得される干渉画像の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。そして、その光路長差が０となる場合に最も大きな値を示す。

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させて光学部２（撮影部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮影部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される物体光の光路長も変化する。

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、物体光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から複数の干渉画像を第１時間間隔ごとに順次取得して干渉画像の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出すると、ピント位置のｚ座標値に対して図３のような干渉縞曲線Ｑに沿った輝度値が得られる。

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができ、または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮影部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０ａに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

したがって、干渉縞曲線Ｑは、物体光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長は、撮影部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（又は干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向（第１方向）に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動（本走査）させながら（物体光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から複数の干渉画像を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉画像を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができ、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、又は、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測し、その推測した干渉縞曲線Ｑ又は包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

以上のようにして、処理部１８は、干渉画像（撮像素子６０の撮像面６０ａ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。そして、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。例えば、図４に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像のそれらの画素の輝度値を取得すると、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。

次に、上述のように測定対象物Ｐの表面形状の測定を行う際に、測定前の準備作業として処理部１８において実施する測定対象物Ｐのアライメント（傾斜角度調整）の処理について説明する。

図５は、処理部１８におけるアライメントの処理手順を示したフローチャートである。

ステージ１０のステージ面１０ａに測定対象物Ｐが載置され、例えば、図１の入力部２２により初期設定の開始が指示されると、まず、図５のステップＳ１０の工程（プレ走査工程）として、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動（プレ走査）させながら撮影部１６の撮像素子６０から複数の干渉画像を第２時間間隔ごとに順次取得する。なお、第２時間間隔は、上述した第１時間間隔（本走査時における複数の干渉画像の取得間隔）と同じでもよいし異なっていてもよいが、効率の観点から、第２時間間隔は第１時間間隔よりも長いことが好ましい。この場合、プレ走査時に取得される干渉画像の枚数を本走査時に取得される干渉画像の枚数よりも減らすことができ、アライメントを迅速かつ効率よく行うことが可能となる。本例においては、第２時間間隔は第１時間間隔よりも長いものとする。

次に、ステップＳ１２の工程（３次元形状データ取得工程）として、処理部１８は、プレ走査により取得した複数の干渉画像に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを取得する。即ち、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データとして取得する。被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理については上述のとおりである。

次に、ステップＳ１４の工程（断面取得工程）として、処理部１８は、被測定面Ｓの３次元形状データに基づいて、測定対象物Ｐの２つの断面形状を取得する。具体的には、測定対象物Ｐにおけるｚ軸方向に対して垂直かつｚ軸方向の位置が互いに異なる２つの断面形状を取得する。本実施の形態における測定対象物Ｐは、上述したように円錐体であり、測定対象物Ｐの中心軸Ｏがｚ軸に対して傾いている場合には、図６に示すように、処理部１８により取得される２つの断面形状Ｅ１、Ｅ２はいずれも楕円形状となる。

なお、断面取得工程では、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを把握するために、少なくとも２つの断面形状を取得する必要がある。１つの断面形状（楕円形状）のみを取得する場合、図７に示すように、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きが異なる場合でも断面形状が一致してしまうため、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを正確に捉えることができないためである。

次に、ステップＳ１６の工程（傾き算出工程）として、処理部１８は、取得した２つの断面形状から測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを算出する。具体的には、図６に示すように、２つの断面形状（楕円形状）Ｅ１、Ｅ２の中心位置Ｃ１、Ｃ２を求める。そして、この２つの断面形状Ｅ１、Ｅ２の中心位置Ｃ１、Ｃ２を結ぶ直線Ｇの傾きを算出する。このとき算出される直線Ｇの傾きは、図６に示すように、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きに相当する。したがって、図８に示すように、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きが互いに異なる場合でも、直線Ｇの傾きを求めることによって測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを正確に捉えることが可能となる。なお、本例においては、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾き（直線Ｇの傾き）は、ｘ軸周りの傾き角度θｘとｙ軸周りの傾き角度θｙとの２成分により算出される。

次に、ステップＳ１８の工程（ｘ軸レベリング調整工程）として、処理部１８は、ステップＳ１６で算出した測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾き（ｘ軸周りの傾き角度θｘ）に基づいて、ｘ軸レベリング調整の処理を実施する。具体的には、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きがｘｚ平面（第３方向に垂直な面）に対して平行となるように（即ち、ｘ軸周りの傾き角度θｘが０となるように）、図１のｘアクチュエータ３４を駆動してステージ１０のステージ面１０ａをｘ回転軸３０の周りに回転させる。これによって、測定対象物Ｐの中心軸Ｏがｘｚ平面に対して平行となり、ｘ軸レベリング調整が終了する。

次に、ステップＳ２０の工程（ｙ軸レベリング調整工程）として、処理部１８は、ステップＳ１６で算出した測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾き（ｙ軸周りの傾き角度θｙ）に基づいて、ｙ軸レベリング調整の処理を実施する。具体的には、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きがｙｚ平面（第２方向に垂直な面）に対して平行となるように（即ち、ｙ軸周りの傾斜角度θｙが０となるように）、図１のｙアクチュエータ３６を駆動してステージ１０のステージ面１０ａをｙ回転軸３２の周りに回転させる。これによって、測定対象物Ｐの中心軸Ｏがｘｚ平面に対して平行かつｙｚ平面に対して平行となり（即ち、測定対象物Ｐの中心軸Ｏがｚ軸に対して平行となり）、ｙ軸レベリング調整が終了する。

なお、ｘ軸レベリング調整工程及びｙ軸レベリング調整工程は傾き調整工程の一例である。また、ｘ軸レベリング調整工程は第１調整工程の一例であり、ｙ軸レベリング調整工程は第２調整工程の一例である。

以上の処理が終了すると、測定対象物Ｐの表面形状の測定前における測定対象物Ｐのアライメント（傾斜角度調整）が終了し、測定開始が可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態によれば、測定対象物Ｐの表面形状の測定を行う際に、測定前の準備作業として行われる測定対象物Ｐのアライメント（傾斜角度調整）において、プレ走査工程により取得した複数の干渉画像に基づき、測定対象物Ｐにおける２つの断面形状（第１方向に対して垂直かつ第１方向の位置が互いに異なる２つの断面形状）を取得し、この２つの断面形状から測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを算出し、その算出結果に基づき測定対象物Ｐの傾きの調整が行われる。したがって、操作者の習熟度によらず、簡単、迅速、かつ、正確に測定対象物のアライメント（傾斜角度調整）を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、ｘ軸レベリング調整工程、ｙ軸レベリング調整工程の順序で行われるが、これとは逆の順序で行われてもよいし、ｘ軸レベリング調整工程とｙ軸レベリング調整工程とが同一のタイミングで行われてもよい。ｘ軸レベリング調整工程とｙ軸レベリング調整工程とを同一のタイミングで実施する場合、傾き調整工程を短時間で効率よく行うことが可能となる。

また、上記実施の形態では、測定対象物Ｐのアライメント（傾斜角度調整）の処理を処理部１８により自動で行う自動アライメントの形態を示したが、アライメントの処理の一部又は全部を手動で行う形態とすることも可能である。例えば、ｘ軸レベリング調整工程及びｙ軸レベリング調整工程を手動で行う形態の場合、処理部１８は、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きとして、ｘ軸周りの傾き角度θｘ、及びｙ軸周りの傾き角度θｙを表示部２０に表示し、操作者は、表示部２０に表示された傾き角度θｘ、θｙを参照しながら、処理部１８に対して入力部２２からステージ１０のステージ面１０ａの回転を指示するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを調整するためにステージ１０を傾動させている態様を示したが、これに限らず、例えば、ステージ１０に対して光学部２を傾動させることにより、ｚ軸を傾動させてｚ軸に対する測定対象物Ｐの中心軸Ｏの傾きを調整するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、測定対象物Ｐが円錐体である形態について説明したが、測定対象物Ｐは中心軸に対し軸対称形状を有する被測定面を含むものあればよく、例えば図９に示すように、円錐体と円柱体と組み合わせたものでもよい。また、測定対象物Ｐの被測定面Ｓは円錐体のように中心軸に対し回転軸対称形状を有するものに限定されず、例えば図１０に示すように、四角錐などの角錐状の被測定面を有するものでもよい。

また、上記実施の形態の表面形状測定装置１は、図１のようにミロー型の干渉計により構成される干渉部１４を備えたミロー型の走査型白色干渉計であるものとしたが、本発明は、これに限らない。例えば、干渉部１４の構成として周知のマイケルソン型の干渉計を採用することも可能である。

Ｐ…測定対象物、Ｏ…中心軸、Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｌ０，Ｌ１…光軸、１…表面形状測定装置、２…光学部、１０…ステージ、１０ａ…ステージ面、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮影部、１８…処理部、２０…表示部、２２…入力部、３０…ｘ回転軸、３２…ｙ回転軸、３４…ｘアクチュエータ、３６…ｙアクチュエータ、４０…光源、４２…コレクタレンズ、４４，５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０ａ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ

Claims (4)

1. 中心軸に対し軸対称形状を有する被測定面を含む測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部と、前記光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して前記物体光を第１方向を光軸として前記測定対象物の前記被測定面に照射し、前記被測定面から戻る前記物体光と前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、前記測定対象物に対して前記干渉部を前記第１方向に相対的に移動する走査手段と、前記干渉部からの前記干渉光を受光して前記干渉光による干渉画像を生成する干渉画像生成部と、前記走査手段により前記測定対象物に対して前記干渉部を前記第１方向に相対的に移動させながら前記干渉画像生成部から複数の前記干渉画像を第１時間間隔ごとに順次取得し、取得した複数の前記干渉画像に基づいて前記測定対象物の前記被測定面の表面形状を検出する処理部と、前記第１方向に対する前記測定対象物の前記中心軸の傾きを変更する傾き変更手段と、を備える表面形状測定装置のアライメント方法であって、
   前記走査手段により前記測定対象物に対して前記干渉部を前記第１方向に相対的に移動させながら前記干渉画像生成部から複数の前記干渉画像を前記第１時間間隔よりも長い第２時間間隔ごとに順次取得するプレ走査工程と、
   前記プレ走査工程により取得した複数の前記干渉画像に基づき、前記測定対象物における前記第１方向に対して垂直かつ前記第１方向の位置が互いに異なる２つの断面形状を取得する断面取得工程と、
   前記断面取得工程により取得された前記２つの断面形状に基づき、前記第１方向に対する前記測定対象物の前記中心軸の傾きを算出する傾き算出工程と、
   前記傾き算出工程の算出結果に基づき、前記傾き変更手段により前記第１方向に対する前記測定対象物の前記中心軸の傾きを調整する傾き調整工程と、
   を有する表面形状測定装置のアライメント方法。
2. 前記傾き変更手段は、前記支持部を前記第１方向に直交する第２方向に回転させる第１回転軸と、前記支持部を前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向に回転させる第２回転軸と、を備え、
   前記傾き調整工程は、
   前記傾き変更手段により前記支持部を前記第１回転軸の周りに回転させて、前記測定対象物の前記中心軸が前記第３方向に垂直な平面に対して平行となるように調整する第１調整工程と、
   前記傾き変更手段により前記支持部を前記第２回転軸の周りに回転させて、前記測定対象物の前記中心軸が前記第２方向に垂直な平面に対して平行となるように調整する第２調整工程と、
   を有する、請求項１に記載の表面形状測定装置のアライメント方法。
3. 前記傾き調整工程は、前記第１調整工程と前記第２調整工程とを同一のタイミングで行う、請求項２に記載の表面形状測定装置のアライメント方法。
4. 前記測定対象物の前記被測定面は前記中心軸に対し軸対称形状からなる円錐形状を有し、
   前記断面取得工程は、前記プレ走査工程により取得した複数の前記干渉画像に基づき、前記測定対象物における前記第１方向に対して垂直かつ前記第１方向の位置が互いに異なる２つの楕円形状を取得し、
   前記傾き算出工程は、前記第１方向に対する前記測定対象物の前記中心軸の傾きとして、前記断面取得工程により取得された前記２つの楕円形状の中心を接続する直線の傾きを算出し、
   前記傾き調整工程は、前記傾き算出工程で算出された前記直線の傾きに基づき、前記傾き変更手段により前記第１方向に対する前記測定対象物の前記中心軸の傾きを調整する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置のアライメント方法。

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