JPWO2016031935A1 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

表面形状測定装置ＬＭＳは、距離検出器及び角度検出器が設けられた測定ヘッド（２５）と、被測定物Ｗを移動させるワークステージユニット（１０）と、測定ヘッド（２５）を揺動させるヘッドステージユニット（３０）と、各部の作動を制御する制御部（５０）とを備える。距離検出器の第１プローブ光及び角度検出器の第２プローブ光は、ともに測定面に斜めに入射するように構成される。制御部（５０）は、第１，第２プローブ光の照射位置が測定ラインに沿って移動するように測定ヘッド（２５）及び被測定物Ｗを相体移動させ、距離検出器（２１）により検出された測定面の距離及び角度検出器（２２）により検出された測定面の角度に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出する。

Description

本発明は、被測定物の表面形状を光学的に測定する表面形状測定装置に関する。例えば、カメラや半導体製造装置、望遠鏡等に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子の表面形状を精密に測定可能なものであり、特に光を透過する材質で製作された被測定物の表面形状の測定に好適なものである。

被測定物の形状を非接触で測定する形状測定装置として、レーザ測長器を利用した形状測定装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。また、測定面の位置と傾斜角度とから被測定物の形状を測定する形状測定装置が提案されている(例えば特許文献２を参照)。

特開平１１−５１６２４号公報 特開２００３−１６１６１５号公報

しかしながら、上記のような従来の形状測定装置には以下のような課題があった。まず、従来の形状測定装置では、ミラーなど光を反射する被測定物の形状は比較的安定的に測定できるが、レンズのように光を透過する材質で形成された被測定物については裏面反射の影響を受けることがあった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、透明な材質で形成された被測定物についても、安定的に表面形状を測定可能な表面形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明を例示する態様の表面形状測定装置は、測定ヘッドと、照射位置移動機構（例えば、実施形態におけるワークステージユニット１０、ヘッドステージユニット３０）と、制御部とを備える。測定ヘッドには、第１プローブ光を用いて被測定物の測定面までの距離を検出する距離検出器と、第２プローブ光を用いて測定面の角度を検出する角度検出器とが設けられる。照射位置移動機構は、測定面における第１プローブ光及び第２プローブ光の照射位置を移動させる。制御部は、第１，第２プローブ光の照射位置、距離検出器により検出された測定面の距離及び角度検出器により検出された測定面の角度に基づいて測定面の形状を導出する。第１プローブ光及び第２プローブ光は、前記測定面に対して所定の入射角を有して測定面に斜めに入射するように構成される。

なお、前記距離検出器及び前記角度検出器は、前記測定面に向けて出射される第１プローブ光と第２プローブ光とが交差するように測定ヘッドに配設され、前記制御装置は、第１プローブ光と第２プローブ光とが交差する位置が測定位置となるように照射位置移動機構の作動を制御するように構成することができる。

また、前記照射位置移動機構は、前記第１プローブ光及び第２プローブ光の照射位置が、予め設定された測定ラインに沿って移動するように制御し、前記測定面に対する第２プローブ光の入射面は測定ラインと直交するように設定することができる。また、前記距離検出器及び前記角度検出器は、前記測定面に対する第１プローブ光の入射面と前記測定面に対する第２プローブ光の入射面とが直交するように測定ヘッドに配設することができる。

また、前記制御装置は、前記測定位置において測定面に立てた法線が、第１プローブ光の入射面と第２プローブ光の入射面との交線と一致するように、前記照射位置移動機構の作動を制御するように構成することができる。

本発明の態様の表面形状測定装置においては、測定面の距離を検出するために照射される第１プローブ光、及び測定面の角度を検出するための第２プローブ光が、ともに測定面に対して斜めに入射するように構成される。そのため、仮に被測定物が透明な材質で形成されていた場合であっても、被測定物の測定面（表面）で反射された反射光と被測定物を透過して裏面側で反射された反射光とが分離される。

本発明の態様を例示する表面形状測定装置の概要構成図である。 上記表面形状測定装置の制御系の概要ブロック図である。 図１中のIII矢視方向に見た光学ユニットの概要図である。 プローブ光を測定ラインに沿って移動させる際における、被測定物の第１の移動パターンを例示する説明図である。 プローブ光を測定ラインに沿って移動させる際における、被測定物の第２の移動パターンを例示する説明図である。 距離検出器及び角度検出器の原理を説明するための説明図であり、（ａ）は距離検出器の原理説明図、(ｂ)は角度検出器の原理説明図である。 (ａ)は距離検出器における第１プローブ光の入射面の設定状況を示す説明図、(ｂ)は角度検出器における第２プローブ光の入射面の設定状況を示す説明図である。 本発明の態様の表面形状測定装置に用いた角度検出器の具体的な構成を例示するブロック図である。 本発明の態様の表面形状測定装置により被測定物の表面形状を測定する際の制御ユニットの作用を説明するための説明図であり、測定面の曲率半径が測定装置の計測距離と一致した球面鏡を測定する場合の説明図である。 本発明の態様の表面形状測定装置により被測定物の表面形状を測定する際の制御ユニットの作用を説明するための説明図であり、測定面の曲率半径が測定装置の計測距離と一致しない場合の説明図である。 距離検出器により検出された距離から、ｘ軸回りの角度の補正値を算出する手法を説明するための説明図である。 測定点の位置データと補正された角度データとから、測定面の形状を導出する手法を説明するための説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、被測定物の基準形状に基づいてプローブ光を概略スキャンし、被測定物の表面のプローブ光が照射される点について、基準形状との偏差を測定することにより、被測定物の表面形状を測定するものである。基準形状との偏差は２つのプローブ光を用いて、位置偏差と角度偏差をそれぞれ計測することによる。まず、本発明に係る表面形状測定装置の全体構成について図１〜図３を参照して概要説明する。図１は本発明の態様を例示する表面形状測定装置ＬＭＳの概要構成図、図２は表面形状測定装置ＬＭＳにおける制御系の概要ブロック図、図３は図１中のIII矢視方向に見た光学ユニット２０（測定ヘッド２５）の概要図である。

説明を明瞭化するため、相互に直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し図１中に示す。ここで、ｘ軸は紙面に沿って左右に延びる軸、ｙ軸は紙面を表裏貫通して前後に延びる軸、ｚ軸は紙面に沿って上下に延びる軸であり、ｘ−ｙ平面が水平面、ｚ軸が鉛直軸に相当する。なお、説明の便宜上から、図１に示す姿勢をもってｘ軸に沿った方向を左右方向、ｙ軸に沿った方向を前後方向、ｚ軸に沿った方向を上下方向と表すことがあるが、ｘ，ｙ，ｚ各軸の取り方は任意であり、位置や姿勢を規定するものではない。

表面形状測定装置ＬＭＳは、概略的には、被測定物Ｗを各軸方向に移動させるワークステージユニット１０と、被測定物Ｗの測定面に第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を出射し反射光を受光して測定面の距離及び角度を測定する光学ユニット２０と、第１，第２プローブ光が所定の測定ラインに沿って移動するように、光学ユニット２０が取り付けられた測定ヘッド２５をθx軸回りに揺動させるヘッドステージユニット３０と、オペレータの操作に基づいてワークステージユニット１０や光学ユニット２０やヘッドステージユニット３０等の各部の作動を制御する制御ユニット５０などから構成される。

ワークステージユニット１０、光学ユニット２０、及びヘッドステージユニット３０は、ベースフレーム８１を基礎とし、温度及び湿度が所定値で一定となるように管理された環境チャンバ８２内に設置される。

ベースフレーム８１には、精密除振装置８３を介して定盤８５が支持されており、この定盤８５にワークステージユニット１０が取り付けられている。また、定盤８５にはワークステージユニット１０を跨ぐ門型フレーム１８が取り付けられており、この門型フレーム１８の上部梁１８ｂに光学ユニット２０及びヘッドステージユニット３０が取り付けられている。

ワークステージユニット１０は、被測定物Ｗを保持するワークホルダ１５と、ワークホルダ１５を各軸方向に移動させる複数のステージを主体として構成される。すなわち、ワークステージユニット１０は、ワークホルダ１５をｘ軸方向（左右方向）に移動させるｘステージ１１、ｙ軸方向（前後方向）に移動させるｙステージ１２、ｚ軸方向（上下方向）に移動させるｚステージ１３、ワークホルダ１５を上下鉛直に延びるθz軸（旋回軸）回りに回動させるθzステージ１４などを備えて構成される。

門型フレーム１８には、ワークホルダ１５のｘ軸方向位置，ｙ軸方向位置，ｚ軸方向位置を各々検出するｘセンサ４１，ｙセンサ４２，ｚセンサ４３が設けられ、各センサにより検出されたワークホルダ１５のｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。また、θzステージ１４にはワークホルダ１５の旋回角度位置を検出するθzセンサ４４が設けられ、このセンサにより検出されたワークホルダ１５の旋回角度の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。なお、ｘセンサ４１，ｙセンサ４２，ｚセンサ４３は測長干渉計やリニアスケール等を用いることができ、θzセンサ４４はスケールが曲面形状のリニアスケールやロータリーエンコーダを用いることができる。

光学ユニット２０は、被測定物Ｗに第１プローブ光ＰＬ１を照射し測定面で反射された第１プローブ光を受光して測定面までの距離を検出する距離検出器２１と、被測定物Ｗに第２プローブ光ＰＬ２を照射し測定面で反射された第２プローブ光を受光して測定面の角度を検出する角度検出器２２とを含む。距離検出器２１及び角度検出器２２は共通のユニットベース２３に取り付けられており、測定面までの距離及び角度を測定する測定ヘッド２５が一体に形成される。

ヘッドステージユニット３０は、光学ユニット２０が設けられた測定ヘッド２５を、図１において紙面に沿って左右水平に延び、図３において紙面直交方向に延びるθx軸（測定軸）３３回りに揺動させるθxステージ３５を主体として構成される。θxステージ３５には測定ヘッド２５の揺動角度位置を検出するθxセンサ４５が設けられ、θxセンサ４５により検出された測定ヘッド２５の揺動角度の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。θxセンサ４５は、ロータリーエンコーダやスケールが曲面形状のリニアスケールを用いることができる。

ここで、光学ユニット２０は、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１の光軸と、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２の光軸とが、θx軸３３から所定距離（計測距離）Ｄだけ離れた位置で交差するように調整設定される。すなわち距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１と角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２とが、θx軸３３から計測距離Ｄの位置（測定位置）で重複し、これらが合成されたプローブ光ＰＬが照射された状態になる。制御ユニット５０は、光学ユニット２０から出力された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２が上記測定位置で測定面に照射されるように各ステージの作動を制御する。そのため、θxステージ３５により測定ヘッド２５をθx軸３３回りに揺動させることによって、光学ユニット２０から出射されたプローブ光ＰＬを被測定物Ｗの測定面上で走査させることができる。なお、光学ユニット２０については後に詳述する。

制御ユニット５０は、オペレータが作動操作を行う操作部５１、測定プログラムや被測定物の基準形状等が設定記憶された記憶部５２、各種の演算処理を行う演算部５３、演算部５３から出力される指令信号に基づいてｘ，ｙ，ｚ，θx，θz，の各ステージ１１，１２，１３，３５，１４の作動を制御するステージ制御部５４、演算部５３から出力される指令信号に基づいて光学ユニット２０の作動を制御する計測制御部５５、外部と信号の入出力を行うＩ／Ｏ部５６などを備えて構成される。

図４及び図５は、プローブ光ＰＬと被測定物Ｗとを相体移動させ、プローブ光ＰＬを測定ラインに沿って移動させる際における被測定物の移動パターンの概要を例示する説明図である。両図は、ワークホルダ１５に保持された被測定物Ｗを上方から見たときの様子を模式的に示しており、プローブ光ＰＬ（測定位置における第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２）が移動する測定面上の測定ラインをＬ₁〜Ｌ₃で示している。

図４は、メニスカスレンズや非球面レンズ等のように測定面の表面形状が軸対称な被測定物を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。本例においては、θxステージ３５を作動させて測定ヘッド２５を揺動させプローブ光ＰＬを移動させたときに、プローブ光ＰＬが被測定物Ｗの中心軸を通るように、ｘステージ１１及びｙステージ１２により被測定物Ｗのｘ軸方向位置及びｙ軸方向位置をアライメントしておく。

そして、図４（ａ）に示すように、プローブ光ＰＬが測定面のスタートポイントＳＰに照射された状態から、θxステージ３５を作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ₁に沿って移動させ、測定ラインＬ₁上の各測定点で検出した距離および角度から測定ラインＬ₁に沿った測定面の形状を計測する。次に、図４（ｂ）に示すように、θzステージ１４により被測定物Ｗを所定角度（例えば２度程度）回動して当該旋回角度位置で保持し、再びθxステージ３５を作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ₂に沿って移動させ、測定ラインＬ₂上の各測定点で検出した距離および角度から測定ラインＬ₂に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にθzステージ１４及びθxステージ３５を作動させ測定ラインＬ₃…に沿った測定面の形状を計測する。これにより、被測定物Ｗについて測定面全体を放射状に測定した表面形状の測定データを得ることができる。

図５は、矩形平板状の被測定物やシリンドリカルレンズ等を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。この例では、プローブ光ＰＬが測定面のスタートポイントＳＰに照射された状態から、θxステージ３５を作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ₁に沿って移動させ、測定ラインＬ₁上の各測定点で検出した距離及び角度から測定ラインＬ₁に沿った測定面の形状を計測する。次に、ｘステージ１１を作動させて被測定物Ｗを図５における右方に移動させた後、θxステージ３５を作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ₂に沿って移動させ、測定ラインＬ₂上の各測定点で検出した距離及び角度から測定ラインＬ₂に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にｘステージ１１及びθxステージ３５を作動させ測定ラインＬ₃…に沿った測定面の形状を計測する。

これにより、被測定物Ｗについて測定面全体を平行なライン状に形状測定した測定データを得ることができる。また、上記測定後にθzステージ１４により被測定物Ｗを所定角度（例えば９０度）旋回させて当該旋回角度位置で保持し、再びθxステージ３５ｘ及びステージ１１の交互移動により測定ラインに沿った測定面の形状測定を行うことにより、測定面全体を格子状に形状測定した測定データを得ることもできる。

このように概要構成される表面形状測定装置ＬＭＳにおいては、光学ユニット２０から出射された第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を測定位置で被測定物Ｗの測定面に照射し、測定面で反射された第１、第２プローブ光を光学ユニット２０の光検出器で受光することにより、プローブ光ＰＬが照射された測定面の距離と角度が求められる。制御ユニット５０は、各ステージの作動を制御してプローブ光と被測定物Ｗとを相体移動させ、プローブ光の照射位置を移動させることにより、測定ラインにＬ沿った測定面上の各部の距離及び角度を順次計測する。そして、多点計測された各測定点について検出距離に基づいて検出角度を補正し、測定点の位置データ及び補正された角度データを積分処理やフィッティング処理等の公知の手法を用いて演算処理することにより測定面の形状を導出する。

すなわち、表面形状測定装置ＬＭＳは、測定面の位置と傾斜角度とから被測定物の形状を測定する形状測定装置を基礎とする。その上で、表面形状測定装置ＬＭＳでは、距離検出器２１により検出された測定点の距離を用いて角度検出器２２により検出された測定点の角度を補正し、測定点の位置データ及び補正された角度データを用いて測定面の形状を導出する。位置検出器２１により検出された距離によって角度を補正する手法、及び補正された角度データを用いて測定面の形状を導出する手法については後に詳述する。

以下、光学ユニット２０について、図６及び図７を併せて参照しながら詳細に説明する。光学ユニット２０は、被測定物Ｗに第１プローブ光ＰＬ１を照射し測定面で反射された第１プローブ光を受光して測定面までの距離を検出する距離検出器２１と、被測定物Ｗに第２プローブ光ＰＬ２を照射し測定面で反射された第２プローブ光を受光して測定面の角度を検出する角度検出器２２とを主体として構成される。

図６は、距離検出器２１及び角度検出器２２の原理を説明するための説明図であり、図６（ａ）は距離検出器２１の原理説明図、図６(ｂ)は角度検出器２２の原理説明図である。図６では、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１、及び角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２を、ｘ−ｙ方向に水平に延びる測定面Ｗsに入射させた状態を示している。

距離検出器２１は、第１プローブ光を発生する第１光源２１１、第１光源２１１により発生された第１プローブ光ＰＬ１を集光して被測定物の測定面Ｗsに照射する集光レンズ２１２、測定面Ｗsで反射された第１プローブ光(第１反射光という)ＲＬ１を集光する集光レンズ２１３、第１反射光の位置を検出する光検出器２１４などから構成される。

角度検出器２２は、第２プローブ光を発生する第２光源２２１、第２光源２２１により発生された第２プローブ光ＰＬ２を集光して被測定物の測定面Ｗsに照射する集光レンズ２２２、測定面Ｗsで反射された第２プローブ光(第２反射光という)ＲＬ２をコリメートするコリメートレンズ２２３、第２反射光の位置を検出する光検出器２２４などから構成される。

第１光源２１１及び第２光源２２１は、発振波長や光出力、ビームポインティング等を安定化させたレーザ光源であり、例えばファイバーレーザやＤＦＢ半導体レーザなどが用いられる。第１光源２１１及び第２光源２２１の出力部にはコリメータが設けられており、各光源から平行光束化された第１プローブ光ＰＬ１、第２プローブ光ＰＬ２が出力される。光検出器２１４，２２４はそれぞれ第１反射光ＲＬ１、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する検出器であり、例えば、ＱＰＤ（Quadrant Photo Detector：四分割光検出器）、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子等を用いることができるが、本実施形態ではＱＰＤを用いた構成を示す。

距離検出器２１では、第１光源２１１から出射した第１プローブ光ＰＬ１が集光レンズ２１２により集光されて測定面Ｗsに入射する。測定面Ｗsで反射した第１プローブ光すなわち第１反射光ＲＬ１は集光レンズ２１３により集光されて光検出器２１４に入射する。この距離検出器２１では、測定面Ｗsの角度が変化(チルト)しても光検出器２１４に集光入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置は変化しない。一方、測定面Ｗsの位置が上下方向（ｚ軸方向）に変化（シフト）すると光検出器２１４に集光入射する第１反射光ＲＬ１の入射位置が変化する。そのため、光検出器２１４から制御ユニット５０に出力される位置検出信号に基づいて、測定ヘッド２５の基準位置となるθx軸３３から測定面Ｗsまでの距離を算出することができる。

角度検出器２２では、第２光源２２１から出射した第２プローブ光ＰＬ２が集光レンズ２２２により集光されて測定面Ｗsに入射する。測定面Ｗsで反射した第２プローブ光すなわち第２反射光ＲＬ２はコリメートレンズ２２３によりコリメートされて光検出器２２４に入射する。この角度検出器２２では、測定面Ｗsの位置が上下方向に変化（シフト）しても光検出器２２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置は殆ど変化しない。一方、測定面Ｗsの角度が変化(チルト)すると光検出器２２４に入射する第２反射光ＲＬ２の入射位置が変化する。そのため、光検出器２２４から制御ユニット５０に出力される角度検出信号に基づいて、測定面Ｗsの傾斜角度を算出することができる。

ここで、表面形状測定装置ＬＭＳでは、距離検出器２１における第１プローブ光ＰＬ１の入射面と、角度検出器２２における第２プローブ光ＰＬ２の入射面が交差するように設定される。具体的には、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１の入射面がｙ−ｚ平面に沿うように設定され、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２の入射面はｙ−ｚ平面と直交するｘ−ｚ平面に沿うように設定されている。図７は、上記状況を説明するための説明図であり、図７(ａ)は距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１の入射面の設定状況を示し、図７(ｂ)は角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２の入射面の設定状況を示す。

図７(ａ)に示すように、距離検出器２１は、第１プローブ光ＰＬ１の入射面がｙ−ｚ平面に沿うように設定される。ｙ−ｚ平面は、ｘ軸と平行に延びるθx軸３３と直交する面である。すなわち、距離検出器２１は、測定ヘッド２５の基盤であるユニットベース２３の平面上に形成され、第１光源２１１及び集光レンズ２１２と、集光レンズ２１３及び光検出器２１４とが、θx軸３３を挟んで配設される（図３を参照）。

図７(ｂ)に示すように、角度検出器２２は、第２プローブ光ＰＬ２の入射面がｘ−ｚ平面に沿うように設定される。ｘ−ｚ平面は、ｘ軸及びθx軸３３と平行な面である。すなわち、角度検出器２２は、測定ヘッド２５の基盤であるユニットベース２３の厚さ方向に形成され、第２光源２２１、集光レンズ２２２、コリメートレンズ２２３、及び光検出器２２４が、θx軸３３を含む面内に配設される。

さらに、概要説明で述べたように、光学ユニット２０は、第１プローブ光ＰＬ１の光軸と第２プローブ光ＰＬ２の光軸とが交差するように構成されており、その交点がθx軸３３から図７中にＤで示す距離だけ離れた位置になるように（図７(ａ)と図７(ｂ)とを重ね合わせた状態になるように）調整・設定されている。

すなわち、光学ユニット２０は、ｙ−ｚ平面に沿って形成された距離検出器２１と、ｘ−ｚ平面に沿って形成された角度検出器２２とからなり、ｙ−ｚ平面上の第１プローブ光ＰＬ１とｘ−ｚ平面第２プローブ光ＰＬ２とがθx軸３３から所定距離Ｄだけ離れた測定位置で交差するように調整・設定される。そのため、測定位置では、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２とが重複し、これらが合成されたプローブ光ＰＬが照射された状態になる。そして、このように調整・設定された光学ユニット２０が一体化されて形成された測定ヘッド２５が、θxステージ３５によりθx軸３３回りに揺動可能に取り付けられている(図３を参照)。

上記のように、角度検出器２２はｘ−ｚ平面に沿って形成される。すなわち測定ヘッド２５におけるユニットベース２３のプレート面に直交する方向に、第２光源２２１、集光レンズ２２２、光検出器２２４などの構成要素が配設される。図８に、表面形状測定装置ＬＭＳに用いた角度検出器２２の具体的な構成例を示す。図示のように、角度検出器２２は、第２プローブ光を発生する第２光源２２１と、第２光源２２１で発生した第２プローブ光を導光する光ファイバ２２５、光ファイバ２２５の出射端部に設けられて出射する第２プローブ光を平行光束にコリメートするコリメータ２２６、コリメータ２２６により平行光束化された第２プローブ光ＰＬ２を集光して測定面Ｗsに照射する集光レンズ２２２、測定面Ｗsで反射され再び集光レンズ２２２を透過することにより平行光束化された第２プローブ光(第２反射光)ＲＬ２を反射するミラー２２７、被測定物の裏面で反射された第２プローブ光(第２裏面反射光)を除去するアパーチャ２２８、第２反射光ＲＬ２の位置を検出する光検出器２２４などから構成される。

図８に示す角度検出器２２の具体的構成と、図６(ｂ)及び図７(ｂ)に示す角度検出器の原理的な構成とを対比して理解されるように、表面形状測定装置ＬＭＳで用いた角度検出器２２は、測定面Ｗsに照射する第２プローブ光ＰＬ２と測定面Ｗsで反射された第２プローブ光ＲＬ２とを同じ集光レンズ２２２を透過させることにより、コリメートレンズ２２３を省略した構成になっている。これにより、ｘ−ｚ平面に沿って形成される角度検出器２２を小型化でき、測定ヘッド２５をコンパクトに構成することができる。また、被測定物の裏面で反射された第２裏面反射光を除去するアパーチャ２２８を光検出器２２４の直前に設けたことにより、仮に被測定物の厚さが薄い場合やウェッジ角が小い場合であっても、第２裏面反射光を効果的に除去することができる。

なお、第２プローブ光ＰＬ２を測定面に集光する集光レンズ２２２の焦点距離ｆ₂は８０〜１６０ｍｍ程度が好ましく、例えばｆ₂＝１２０ｍｍのアクロマートレンズが好適に用いられる。また、第２プローブ光の測定面Ｗsへの入射角θ₂は３〜８度程度が好ましく、例えばθ₂＝５度に設定される。

一方、距離検出器２１はｙ−ｚ平面に沿って形成される。すなわち測定ヘッド２５におけるユニットベース２３のプレート面に沿って、第１光源２１１、集光レンズ２１２、集光レンズ２１３、光検出器２１４などが配設される。そのため、表面形状測定装置ＬＭＳに用いた距離検出器２１の具体的な構成では、ユニットベース２３の中心部に角度検出器２２を設け、この角度検出器を２２を挟んで距離検出器２１の投光部と受光部とを配設している。すなわち、図３において、角度検出器２２の左側に第１光源２１１及び集光レンズ２１２を有する投光部２１ａ、右側に集光レンズ２１３及び光検出器２１４を有する受光部２１ｂを設けている。これにより、ユニットベース２３のプレート面を有効活用して測定ヘッド２５をコンパクトに構成することができる。

ここで、第１プローブ光ＰＬ１を測定面に集光する集光レンズ２１２の焦点距離ｆ₁は集光レンズ２２２と同様の範囲で適宜に設定することができるが、表面形状測定装置ＬＭＳでは、集光レンズ２１２の焦点距離ｆ₁を集光レンズ２２２の焦点距離ｆ₂と同一としｆ ₁＝１２０ｍｍのアクロマートレンズを用いている。これにより、距離検出器２１及び角度検出器２２の焦点調整作業を共通化できることに加えて、測定点に集光照射される第１プローブ光と第２プローブ光の焦点深度が略同一になるため、焦点深度の相違に基づく誤差成分等の影響を排除することができる。なお、第１プローブ光の測定面Ｗsへの入射角θ₁は５〜３０度程度が好ましく、例えばθ₁＝２５度に設定される。

プローブ光が照射される範囲は、例えば直径２００μｍほどの円形のスポットである。距離検出器２１は、このスポットの平均的な位置変位を測定し、角度検出器２２はこのスポットの平均的なx軸まわりの角度を検出する。

以上のように光学ユニット２０が構成される表面形状測定装置ＬＭＳでは、θxステージ３５を駆動して測定ヘッド２５をθx軸３３回りに揺動させることにより、第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を測定ラインに沿って移動させる。すなわち、表面形状測定装置の測定ラインＬ（Ｌ₁〜Ｌ₃等）はｙ軸方向に形成される。

制御ユニット５０は、測定ラインＬに沿って第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を照射し、距離検出器２１及び角度検出器２２により測定ラインＬ上の各測定点の距離及び角度を測定する。

制御ユニット５０は、図２を参照して概要説明したように、オペレータが作動操作を行う操作部５１、測定プログラムや被測定物の基準形状等が設定記憶された記憶部５２、各種の演算処理を行う演算部５３、演算部５３から出力される指令信号に基づいてｘ，ｙ，ｚ，θx，θz，の各ステージ１１，１２，１３，３５，１４の作動を制御するステージ制御部５４、演算部５３から出力される指令信号に基づいて光学ユニット２０の作動を制御する計測制御部５５、外部と信号の入出力を行うＩ／Ｏ部５６などを備えて構成される。

操作部５１には、測定プログラムや測定結果などの情報を表示する液晶表示パネル、数値や文字情報を入力するキーボード、選択操作を行うマウス、各種スイッチ類、ＣＤやＵＳＢメモリー等の記録媒体に記録された測定面Ｗsの基準形状のデータや測定結果等を読み書き可能なリーダーライター等が設けられており、対話形式で測定面Ｗsのタイプ（例えば、平面、球面、非球面、シリンドリカル等）や測定パターン（放射状、ライン状、格子状等）に対応した形状測定が行えるようになっている。

記憶部５２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶素子が複数設けられて構成される。ＲＯＭには、表面形状測定装置ＬＭＳの各部の作動を制御する制御プログラム、被測定物Ｗのタイプや測定パターンに対応した測定プログラムなどが予め設定記憶されている。操作部５１において被測定物Ｗのタイプや測定パターンが選択設定され、対応する測定プログラムが制御プログラムに組み込まれることにより、被測定物Ｗに好適な表面形状測定装置が構成される。ＲＡＭには、操作部５１に設けられたリーダーライターまたはＩ／Ｏ部５６を介して読み込まれた被測定物の測定面Ｗsの基準形状（設計値のベクターデータ）、測定プログラムに設定された測定ライン上の測定点の基準傾斜角度、測定プログラムの実行中に距離検出器２１及び角度検出器２２から出力される各測定点の距離データ及び角度データなどが一時記憶される。

演算部５３は、ＣＰＵやシフトレジスター等により構成され、記憶部５２に予め設定記憶された制御プログラム及び測定プログラムに基づいて各種の演算処理を行い、ステージ制御部５４や計測制御部５５等に指令信号を出力して、ワークステージユニット１０、光学ユニット２０、ヘッドステージユニット３０の作動を制御する。

ステージ制御部５４は、演算部５３から出力される指令信号に基づいてワークステージユニット１０のｘステージ１１、ｙステージ１２、ｚステージ１３、θzステージ１４、ヘッドステージユニット３０のθxステージ３５等に駆動信号を出力し、各ステージの作動を制御する。計測制御部５５は、演算部５３から出力される指令信号に基づいて光学ユニット２０の距離検出器２１及び角度検出器２２に測定制御信号を出力し測定面Ｗsの形状測定を制御する。

制御ユニット５０は、距離検出器２１及び角度検出器２２により測定ライン上の測定点の距離及び角度を測定するのに際し、測定点に立てた法線がθx軸３３を通り、かつ第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が同一測定点に照射されるように、ｙステージ１２及びｚステージ１３の作動を制御する。換言すれば、距離検出器２１のｙ−ｚ平面と角度検出器２２のｘ−ｚ平面とが交わる交線（以下、便宜的に「仮想光軸」という）Ｓが測定面に垂直に交わり、かつ仮想光軸上のθx軸３３と測定点との距離が前述した計測距離Ｄになるように、ｙステージ１２及びｚステージ１３の作動を制御する。

仮想光軸Ｓが測定面に垂直入射し、かつ仮想光軸上のθx軸３３と測定点との距離が計測距離Ｄになるようにするため、制御ユニット５０はｙステージ１２及びｚステージ１３を以下のように制御する。まず、演算部５３は、記憶部５２に設定記憶された測定面Ｗsの基準形状から、測定プログラムで設定された測定ラインに沿った測定面Ｗsの基準形状（断面形状）を算出する。次いで、測定ライン上に設定された測定点について、各測定点の傾斜角度を算出する。次に、算出された各測定点の傾斜角度から、その測定点に仮想光軸が垂直入射しθx軸３３と測定点との距離が計測距離Ｄになる測定ヘッド２５（θxステージ３５）の角度位置、ｙステージ１２及びｚステージ１３の座標位置を算出する。次いで、算出された各ステージの位置に基づいた駆動信号を生成し、ｙ，ｚ，θxの各ステージ１２，１３，３５に駆動信号を出力して、被測定物Ｗ及び測定ヘッド２５を相対移動させる。

そして、位置決めされた被測定物Ｗに対し、計測制御部５５から光学ユニット２０の距離検出器２１及び角度検出器２２に計測制御信号を出力して光学ユニット２０から第１，２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を出射させる。これにより、仮想光軸が測定面に垂直入射し光学ユニット２０から出射された第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が同一の測定点（測定位置）に照射される。

図９はこの様子を模式的に例示した説明図であり、測定面Ｗsが凹の球面形状である場合を示している。この場合において、測定面の曲率半径が計測距離Ｄと一致している場合には、測定ライン上のいずれか一点において、仮想光軸Ｓが測定面Ｗsに垂直入射しθx軸３３と測定点との距離が計測距離Ｄになるようにｙステージ１２及びｚステージ１３の位置を調整（芯出し）すれば、以降の測定では、θxステージ３５のみを作動させて測定ヘッド２５を揺動させることにより、ｙ軸に沿った測定ライン上で第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を同一測定点に入射させることができる。

一方、測定面Ｗsの曲率半径が計測距離Ｄと一致しない場合や、凸面である場合、あるいは非球面であるような場合には、測定ライン上で第１，第２プローブ光を走査させるθxステージ３５に加えて、ｙステージ１２及びｚステージ１３を作動させなければ、仮想光軸を測定面Ｗsに垂直入射させθx軸３３と測定点との距離を計測距離Ｄにすることはできない。

例えば、被測定物の測定面Ｗsが非球面形状であり、図１０に示すように、軸心部の測定点Ｐwaの曲率半径がｒ₁、周縁部の測定点Ｐwb及びＰwcの曲率半径がｒ₂であるような場合がある。このような場合に、演算部５３は、記憶部５２に予め設定記憶された測定面Ｗs全体の基準形状を読み出して、測定ラインに沿った測定面の基準形状を算出し、測定ライン上に設定された測定点Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…について、各測定点の傾斜角度を算出する。次に、算出された測定点の傾斜角度に基づいて、各測定点Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…に仮想光軸Ｓが垂直入射する状態になるθxステージ３５の角度位置を算出する。また、θxステージ３５が当該角度位置にある状態において、θx軸３３と測定点との距離が計測距離Ｄになるｙステージ１２及びｚステージ１３の座標位置を算出する。

そして、各測定点について算出されたステージ位置に基づいた駆動信号をｙ，ｚ，θxステージ１１，１３，３５に出力して被測定物Ｗ及び測定ヘッド２５を移動し位置決めすることにより、ｙ軸に沿った測定ライン上の各測定点Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…で仮想光軸Ｓが測定面に垂直入射し光学ユニット２０から出射された第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が同一測定点に照射される。そして、測定点Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…の位置、各測定点Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…において距離検出器２１により検出されたθx軸から測定点までの距離、及び角度検出器２２により検出された測定点の角度に基づいて、測定ラインに沿った測定面Ｗsの形状が導出される。

前述したように、表面形状測定装置ＬＭＳでは、距離検出器２１により検出された測定点の距離を用いて角度検出器２２により検出された測定点の角度を補正し、測定点の位置データ及び補正された角度データを用いて測定面の形状を導出する。以下、距離検出器２１により検出された測定点の距離を用いた角度補正、及び、測定点の位置データと補正後の角度データを用いた測定面の形状導出について、具体的な構成例を説明する。

角度検出器２２の光検出器２２４はＱＰＤを用いており、測定面の傾斜角を全方位について検出可能である。本構成例では、各測定点において角度検出器２２により検出された測定面の角度から、ｘ軸回りの角度（ｙ軸方向の傾斜角度）を算出する。また、距離検出器２１により検出されたθx軸３３と測定点との距離からｘ軸回りの角度の補正値を算出する。そして、角度検出器２２により検出されたｘ軸回りの角度を、距離検出器２１により検出された距離に基づくｘ軸回りの角度の補正値により補正して、当該測定位置のｘ軸回りの角度、すなわち測定ラインに沿ったｙ軸方向の傾斜角度を算出する。

図１１は、距離検出器２１により検出された距離から、ｘ軸回りの角度の補正値を算出する手法を説明するための説明図である。同図は距離検出器２１から出射した第１プローブ光が測定面Ｗsで反射される状態を示しており、図中の点線は被測定物が本来の測定位置にある場合の測定面を、実線は被測定物の位置が微小距離ずれた状態（実際の測定状態）での測定面を示す。図中の拡大図は二つの測定点の位置関係を示す。

このとき、距離検出器２１により検出されるθx軸３３と測定点との距離は、被測定物が本来の測定位置にあるときと現実の測定位置にあるときとでΔＬ相違する。また、角度検出器２２により検出される角度は、被測定物が本来の測定位置にあるときにα′であるが現実の測定位置ではαである。ここで、二つの測定点の距離の差ΔＬは、記憶部５２に設定記憶された測定面Ｗsの基準形状と、位置検出器２１により検出された測定点の距離とから求められる。また、二つの測定点のｙ軸方向のずれは、測定ヘッド２５の傾き角度をθとしたときにΔＬsinθとして求められる。二つの測定点の角度の差α′−αは、測定面Ｗsの基準形状の曲率半径をＲとすれば、次式で表される。
α′―α＝ΔＬsinθ／Ｒ
このように、距離検出器２１により検出された距離に基づき、測定点の位置ずれに起因する角度の補正値であるΔＬsinθ／Ｒを算出し、この補正値を角度検出器２２により検出されたｘ軸回りの角度αに加算することにより、測定面の角度をより精度よく求めることができる。補正された角度データを用いる事でより高精度な面形状算出が可能となる。また、距離検出器２１で検出された変位（単位：μｍ）と角度変位の相関をあらかじめ求めておき、この相関に基づいて角度検出器２２で検出された傾斜角度の値を補正することもできる。

次に、このようにして求めた傾斜角度の値を用いて、面形状を求める。図１２は、測定点の位置データと補正された角度データとから、測定面の形状を導出する手法を説明するための説明図である。図１２において、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は測定ラインに沿った各測定点を、Ｐ１Ｙ，Ｐ２Ｙ，Ｐ３Ｙは各測定点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のｙ軸方向の位置データ（上記本来の測定位置）を、Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａ，Ｐ３Ａは各測定点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の上記の手順で補正後の角度データでを示している。

測定点Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…のｚ軸方向の位置をＰ２Ｚ，Ｐ３Ｚ，Ｐ４Ｚとすると、これらは次式で求められる。
Ｐ２Ｚ＝（Ｐ２Ｙ−Ｐ１Ｙ）×（Ｐ１Ａ＋Ｐ２Ａ）／２＋Ｐ１Ｚ
Ｐ３Ｚ＝（Ｐ３Ｙ−Ｐ２Ｙ）×（Ｐ２Ａ＋Ｐ３Ａ）／２＋Ｐ２Ｚ
Ｐ４Ｚ＝（Ｐ４Ｙ−Ｐ３Ｙ）×（Ｐ３Ａ＋Ｐ４Ａ）／２＋Ｐ３Ｚ
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いま、測定点Ｐ１のｚ軸方向の位置Ｐ１Ｚとして０（ゼロ）を設定すると、測定点Ｐ２のｚ軸方向の位置Ｐ２Ｚは次式で表される。
Ｐ２Ｚ＝（Ｐ２Ｙ−Ｐ１Ｙ）×（Ｐ１Ａ＋Ｐ２Ａ）／２
ここで、Ｐ２Ｙ，Ｐ３Ｙは測定点Ｐ２，Ｐ３のｙ軸方向の位置データであり既知である。また、Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａは距離検出器２１により検出された距離に基づく角度補正を行った補正後の測定点Ｐ１，Ｐ２の角度データである。そのため、測定点Ｐ２のｚ軸方向の位置Ｐ２Ｚが求められ、以下同様にして順次Ｐ３Ｚ．，Ｐ４Ｚ…が求められる。これにより、ｙ軸方向に延びる測定ラインに沿った測定点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…のｚ方向位置およびｙ軸方向の傾斜角度が求められる。

そして、以上のようにして求められた各測定点のｚ方向位置およびｙ軸方向の傾斜角度から、積分処理やフィッティング処理等の公知の手法を用いて演算処理することにより、測定ラインに沿った測定面Ｗsの形状が導出される。

以上説明したように、表面形状測定装置ＬＭＳにおいては、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１、及び角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２が、ともに測定面Ｗsに所定の入射角θ₁，θ₂（θ₁≠０，θ₂≠０）で斜めに入射するように構成される。そのため、被測定物Ｗが第１、第２プローブ光に対して透明な材質で形成されていたとしても、測定面Ｗsで反射された反射光と被測定物の裏面側で反射された裏面反射光とが明瞭に分離される。また、裏面反射光を分離するために、適宜な位置にアパーチャ等を設けてもよい。

また、表面形状測定装置ＬＭＳでは、角度検出器２２の第２プローブ光の入射面が、測定ラインＬと直交するように構成している（図７（ｂ）を参照）。これは、特に軸対称な測定面を測定する場合に測定ラインＬに沿った方向の角度変化が大きく、測定ラインＬに直交する方向の角度変化が小さいことに基づいて設定されたものである。これにより、第２プローブ光を照射する測定点の位置的な誤差に基づく検出角度の誤差を抑制することができる。

また、距離検出器２１は第１プローブ光ＰＬ１の入射面をｙ−ｚ平面とし、角度検出器２２は第２プローブ光ＰＬ２の入射面をｘ−ｚ平面としている。すなわち、第１プローブ光の入射面と第２プローブ光の入射面とが直交するように設定して測定ヘッド２５を構成している。これにより、比較的小径のユニットベース２３に距離検出器２１と角度検出器２２とを効率的に配置することができ、測定ヘッド２５をコンパクトに構成することができる。

本実施形態では、距離検出器２１では集光レンズ２１３で集光した光を光検出器２１４で受光する光学系となっているため、測定点の高さの変位を感度よく検出することができる。さらに、角度検出器２２はコリメートレンズ２２３でコリメートされた光を受光する光学系となっているため、測定点の面の傾きを感度よく検出することができる。

また、表面形状測定装置ＬＭＳでは、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１と、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２とが交差するように設定され、これら２つのプローブ光が交差する位置（測定位置）が測定点となるように制御される。そのため、測定点に照射される第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が測定ライン上の位置によって変化するようなことがなく、これにより、測定ライン上の位置によらず一定の精度で表面形状を測定することができる。さらに、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１を集光する集光レンズ２１２と、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２を集光する集光レンズ２２２とを、焦点距離が同一の集光レンズを用いている。この構成により、測定点に集光照射される第１プローブ光と第２プローブ光の焦点深度が略同一になり、焦点深度の相違に基づく誤差成分等の影響を排除することができる。

なお、本実施形態では、距離検出器２１と角度検出器２２の具体例を示し実施形態を説明したが、プローブ光を測定点に斜めに入射して数百ミクロンほどの領域の距離の変位と角度の変位をそれぞれ測定できる光学系であれば、使用することができる。

ＬＭＳ 表面形状測定装置
１０ ワークステージユニット（照射位置移動機構）
１１ ｘステージ、１２ ｙステージ、１３ ｚステージ、１４ θzステージ
１５ ワークホルダ
２０ 光学ユニット
２１ 距離検出器（２１ａ 投光部、２１ｂ 受光部）、２２ 角度検出器
２５ 測定ヘッド
３０ ヘッドステージユニット（照射位置移動機構）
３３ θx軸
３５ θxステージ
５０ 制御ユニット（制御部）
Ｌ（Ｌ₁〜Ｌ₃） 測定ライン
ＰＬ１ 第１プローブ光
ＰＬ２ 第２プローブ光
Ｗ（Ｗ₁，Ｗ₂） 被測定物
Ｗs 測定面
θ₁ 第１プローブ光の測定面への入射角
θ₂ 第２プローブ光の測定面への入射角

Claims (7)

1. 第１プローブ光を用いて被測定物の測定面までの距離を検出する距離検出器、及び第２プローブ光を用いて前記測定面の角度を検出する角度検出器が設けられた測定ヘッドと、
   前記測定面における前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光の照射位置を移動させる照射位置移動機構と、
   前記第１，第２プローブ光の照射位置、前記距離検出器により検出された前記測定面の距離及び前記角度検出器により検出された前記測定面の角度に基づいて前記測定面の形状を導出する制御部とを備え、
   前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光は、前記測定面に対して所定の入射角を有して前記測定面に斜めに入射するように構成されることを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記距離検出器及び前記角度検出器は、前記測定面に向けて出射される前記第１プローブ光と第２プローブ光とが交差するように前記測定ヘッドに配設されており、
   前記制御部は、前記第１プローブ光と前記第２プローブ光とが交差する位置が測定位置となるように、前記照射位置移動機構の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記照射位置移動機構は、前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光の照射位置が、予め設定された測定ラインに沿って移動するように制御し、
   前記測定面に対する前記第２プローブ光の入射面は、前記測定ラインと直交するように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記距離検出器及び前記角度検出器は、前記測定面に対する前記第１プローブ光の入射面と前記測定面に対する前記第２プローブ光の入射面とが直交するように前記測定ヘッドに配設されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
5. 前記制御部は、前記測定位置において前記測定面に立てた法線が、前記第１プローブ光の入射面と前記第２プローブ光の入射面との交線と一致するように、前記照射位置移動機構の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
6. 第１プローブ光を用いて被測定物の測定面までの距離を検出する距離検出器、及び第２プローブ光を用いて前記測定面の角度を検出する角度検出器が設けられた測定ヘッドと、
   前記測定面における前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光の照射位置を移動させる照射位置移動機構と、
   前記第１，第２プローブ光の照射位置、前記距離検出器により検出された前記測定面の距離及び前記角度検出器により検出された前記測定面の角度に基づいて前記測定面の形状を導出する制御部とを備え、
   前記測定ヘッドは回転軸を有し、前記測定ヘッドが前記回転軸の周りに回転可能に構成されることにより、前記距離検出器及び前記角度検出器とが揺動可能に構成され、
   前記第１プローブ光は、前記測定面に対して所定の入射角を有して前記測定面に斜めに入射するように構成されることを特徴とする表面形状測定装置。
7. 前記第２プローブ光は、前記測定面に対して所定の入射角を有して前記測定面に斜めに入射するように構成され、
   前記距離検出器及び前記角度検出器は、前記第１プローブ光と前記第２プローブ光とが交差するように前記測定ヘッドに配設され、
   前記制御部は、前記第１プローブ光と前記第２プローブ光とが交差する位置が測定位置となるように、前記照射位置移動機構の作動を制御することを特徴とする請求項６に記載の表面形状測定装置。

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