JPWO2019069926A1 - 表面形状測定装置、表面形状測定方法、構造物製造システム、構造物製造方法、及び表面形状測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成をよりシンプルにする。【解決手段】被測定物Ｗの表面形状を測定する表面形状測定装置１００（装置）であって、被測定物Ｗを支持してＺ軸（第１軸）まわりに回転可能なθＺステージ１４（ステージ）と、θＺステージ１４に対向して配置され、Ｚ軸に直交するＸ軸（第２軸）まわりに回転可能であり、被測定物Ｗの測定点Ｐまでの距離、及び／又は、測定点Ｐでの被測定物Ｗの表面の傾きを検出する光学ユニット２０（測定部）と、予め取得した被測定物Ｗの基準形状データに基づいて、測定点Ｐにおいて被測定物Ｗの基準形状の接平面に対して光学ユニット２０の基準軸Ｓが予め定められた角度となるようにθＺステージ１４をＺ軸まわりに回転させ、かつ光学ユニット２０をＸ軸まわりに回転させる制御ユニット５０（制御部）と、を備える。

Description

本発明は、表面形状測定装置、表面形状測定方法、構造物製造システム、構造物製造方法、及び表面形状測定プログラムに関する。

被測定物の表面形状を非接触で測定する表面形状測定装置として、レーザ測長器を利用した表面形状測定装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開平１１−５１６２４号公報

本発明の第１態様によれば、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、ステージを第１軸まわりに回転させ、かつ測定部を第２軸まわりに回転させる制御部と、を備える、表面形状測定装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、を備え、第２軸は、被測定物の測定点を通るように配置される、表面形状測定装置が提供される。

本発明の第３態様によれば、被測定物の表面形状を測定する方法であって、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させることと、ステージに対向して配置されて、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第１軸に直交する第２軸まわりに回転させることと、を含む、表面形状測定方法が提供される。

本発明の第４態様によれば、構造物の形状に関する基準形状データを作製する設計装置と、基準形状データに基づいて構造物を成形する成形装置と、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定装置と、表面形状測定装置によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較する検査装置と、を含む、構造物製造システムが提供される。

本発明の第５態様によれば、構造物の形状に関する基準形状データを作製することと、基準形状データに基づいて構造物を成形することと、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定方法と、表面形状測定方法によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較することと、を含む、構造物製造方法が提供される。

本発明の第６態様によれば、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に含まれるコンピュータに、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させる処理と、ステージに対向して配置されて被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第１軸に直交する第２軸まわりに回転させる処理と、を実行させる、表面形状測定プログラムが提供される。

第１実施形態に係る表面形状測定装置の一例を模式的に示す斜視図である。 表面形状測定装置の光学ユニット及びヘッドステージユニットの一例を拡大して示す斜視図である。 光学ユニットの概要の一例を示す図である。 表面形状測定装置の制御ユニット（制御部）の一例を機能ブロックで示す図である。 表面形状を測定するための概念を説明する図である。 表面形状を測定するために球面座標から２次元の角度を用いることを説明する図である。 プローブ光を被測定物の測定点に沿って移動させる一例を示す図である。 プローブ光を被測定物の測定点に沿って移動させる他の例を示す図である。 プローブ光を被測定物の測定点に沿って移動させる他の例を示す図である。 表面形状を算出する一例を示す図である。 （Ａ）は、距離検出器の測定原理を説明する図、（Ｂ）は、角度検出器の測定原理を説明する図である。 （Ａ）は、距離検出器における第１プローブ光を説明する図、（Ｂ）は、角度検出器における第２プローブ光を説明する図である。 角度検出器の他の例を示す図である。 表面形状を測定する際の表面形状測定装置の動作の一例を模式的に示す図である。 Ｙ軸まわりのＺステージの傾き検出を説明する図である。 Ｘ軸まわりのＺステージの傾き検出を説明する図である。 光学ユニットの他の例を模式的に示す図である。 第２実施形態に係る表面形状測定装置の一例を示す図である。 実施形態に係る構造物製造システムの一例を機能ブロックで示す図である。 実施形態に係る構造物製造方法の一例を示すフローチャートである。

上記した特許文献１に記載の表面形状測定装置では、被測定部分がＺ軸の軸まわりに回転対称な回転対称物である場合について説明されている。ただし、自由曲面等のように被測定物が回転対称でない場合でも、装置構成をシンプルにしつつ、高精度に被測定物の表面形状を測定可能な表面形状測定装置が求められている。本実施形態では、回転対称でない被測定物であっても、装置構成をシンプルにしつつ、高精度に被測定物の表面形状を測定することを実現する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されない。また、図面においては実施形態を説明するため、一部分を大きく又は強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。図面の各図では、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明している場合がある。このＸＹＺ座標系においては、水平面に平行な平面をＸＹ平面とする。このＸＹ平面に沿った一方向をＸ方向と表記し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向と表記する。また、ＸＹ平面に垂直な方向はＺ方向と表記する。Ｚ方向は、鉛直方向である。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれは、図中の矢印の方向が＋方向であり、矢印の方向とは反対の方向が−方向であるとして説明する。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る表面形状測定装置１００について図面を参照して説明する。本実施形態の表面形状測定装置１００は、被測定物Ｗの基準形状データに基づいて、被測定物Ｗの複数の測定対象点Ｐｉを順次測定点Ｐに位置付け、各測定点Ｐにおいて被測定物Ｗの基準形状の接平面に対して光学ユニット（測定部）２０の基準軸Ｓを予め定められた角度にして、プローブ光を測定点Ｐに向けて照射することにより、測定点Ｐにおける位置（測定点Ｐまでの距離）、及び／又は、測定点Ｐでの被測定物Ｗの表面の傾きを測定し、被測定物Ｗの各測定対象点Ｐｉについて、基準形状との偏差を算出することにより、被測定物Ｗの表面形状を測定する。基準形状に対する偏差は、例えば、２つのプローブ光を用いて、位置偏差と角度偏差とをそれぞれ測定することにより行う。なお、基準形状データは、被測定物Ｗの表面形状を示す三次元の設計データであり、予め生成されている。測定点Ｐは、光学ユニット２０がどのような向きになってもプローブ光が必ず通る、三次元座標上に定められた１点である。また、被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉは、被測定物Ｗの基準形状の表面（測定面ＷＳ）において測定の対象となる点であり、被測定物Ｗの測定対象となる表面に複数存在する。なお、本明細書において、測定点Ｐに位置付けられた被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉを、単に「被測定物Ｗの測定点Ｐ」又は「測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）」と称する場合がある。また、本実施形態に係る表面形状測定方法は、表面形状測定装置１００又は後述する表面形状測定装置２００により実施される。

図１は、第１実施形態に係る表面形状測定装置１００の一例を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、表面形状測定装置１００は、ワークステージユニット１０と、光学ユニット２０と、ヘッドステージユニット３０と、制御ユニット５０と、を備える。

ワークステージユニット１０は、被測定物Ｗを保持し、かつ被測定物ＷをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向に移動させることができる。ワークステージユニット１０は、被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉを測定点Ｐに位置付けることができる。光学ユニット２０は、被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉを測定点Ｐに位置付け、測定点Ｐにプローブ光（図６の第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を参照。以下、第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を総称する場合、単にプローブ光と称す。）を照射し、測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）からの反射光を受光して測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）の位置（座標値、又は基準位置から測定点Ｐまでの距離）と、測定点Ｐでの被測定物Ｗの表面（図３に示す測定面ＷＳ）の角度とを測定する。ヘッドステージユニット３０は、光学ユニット２０を支持し、光学ユニット２０を測定点Ｐに向けるように、光学ユニット２０をＸ軸と平行の第２回転軸（第２軸）Ａ２Ｘの軸まわりに回転させる。光学ユニット２０は、どの回転位置であっても、プローブ光が必ず測定点Ｐを通るように構成されており、この測定点Ｐに被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉを位置付けることで、被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉにはプローブ光が照射される。制御ユニット５０は、オペレータの操作あるいは予め設定された手順等に基づいて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等の各部の動作を制御する。以下、各部について説明する。

ワークステージユニット１０は、基台部としてのベース８０上に設けられている。ベース８０は、例えば金属、自然石、樹脂、木材等により形成され、床面上あるいは机上に配置される。なお、ベース８０の下面側にキャスタ等が設けられて、表面形状測定装置１００が床面上等を移動可能であってもよい。ワークステージユニット１０は、図１に示すように、Ｘステージ１１と、Ｙステージ１２と、Ｚステージ１３と、θＺステージ（ステージ）１４と、チルト調整機構１５と、を備える。

Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３、θＺステージ１４、及びチルト調整機構１５の上下方向の配置は、図１に示す構成に限定されず、任意に配置することが可能である。また、例えば平面モータ等により１つのステージがＸＹ平面に沿って移動可能である場合は、Ｘステージ１１及びＹステージ１２を１つのステージで実現してもよい。Ｘステージ１１は、被測定物ＷをＸ軸方向に移動させるように、ベース８０に対してＸ軸方向に移動可能に設けられている。Ｘステージ１１は、例えば、ベース８０上に設けられた不図示のＸ軸方向のガイドに沿って、不図示のＸ軸駆動装置を駆動することによりＸ軸方向に移動する。Ｘ軸駆動装置は、例えば、リニアモータが用いられてもよいし、電動回転モータを用いたボールねじ機構あるいはラックアンドピニオン機構など、任意の駆動装置が使用される。Ｘ軸駆動装置は、例えば、ベース８０に配置される。

Ｙステージ１２は、被測定物ＷをＹ軸方向に移動させるように、Ｘステージ１１（ベース８０）に対してＹ軸方向に移動可能に設けられている。Ｙステージ１２は、例えば、Ｘステージ１１上に設けられた不図示のＹ軸方向のガイドに沿って、不図示のＹ軸駆動装置を駆動することによりＹ軸方向に移動する。Ｙ軸駆動装置は、例えば、リニアモータが用いられてもよいし、電動回転モータを用いたボールねじ機構あるいはラックアンドピニオン機構など、任意の駆動装置が使用される。Ｙ軸駆動装置は、例えば、Ｘステージ１１に配置される。

Ｚステージ１３は、被測定物ＷをＺ軸方向に移動させるように、Ｙステージ１２（ベース８０）に対してＺ軸方向に移動可能に設けられている。Ｚステージ１３は、例えば、Ｙステージ１２上に設けられた不図示のＺ軸方向のガイドに沿って、不図示のＺ軸駆動装置を駆動することによりＺ軸方向に移動する。Ｚ軸駆動装置は、例えば、リニアモータが用いられてもよいし、電動回転モータを用いたボールねじ機構あるいはラックアンドピニオン機構など、任意の駆動装置が使用される。Ｚ軸駆動装置は、例えば、Ｙステージ１２に配置される。

θＺステージ１４は、被測定物ＷをＺ軸方向と平行な第１回転軸（第１軸）Ａ１Ｚまわりに回転させるように、Ｚステージ１３（ベース８０）に対して回転可能に設けられている。θＺステージ１４は、例えば、Ｙステージ１２上に設けられた不図示の軸受に回転可能に支持され、不図示のＺ軸回転装置を駆動することにより第１回転軸Ａ１Ｚの軸まわり方向に回転する。Ｚ軸回転装置は、例えば、電動回転モータ及び減速機など、任意の回転装置が使用される。Ｚ軸回転装置は、例えば、Ｚステージ１３に配置される。θＺステージ１４は、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３により、第１回転軸Ａ１Ｚに垂直なＸＹ平面（第１平面）に沿った方向への移動、及び第１回転軸Ａ１Ｚ方向への移動が可能である

チルト調整機構１５は、上面に被測定物Ｗを保持するための不図示の保持部を備えている。この保持部は、例えば、真空吸着等により被測定物Ｗを所定位置に保持する。なお、被測定物Ｗを保持する構成については、他の任意の機構を適用可能である。チルト調整機構１５は、被測定物Ｗを基準となる所定平面（例えばＸＹ平面）に合わせるように、被測定物ＷのＸ軸まわり及びＹ軸まわりの角度を微調整させる。チルト調整機構１５は、光学ユニット２０に対する被測定物Ｗの角度を微調整させることが可能である。チルト調整機構１５は、例えば、パラレルリンク機構が適用され、ピエゾ素子等のアクチュエータを駆動することにより、被測定物Ｗを保持した保持部をＸ軸まわり及びＹ軸まわりの一方又は双方に傾けることが可能である。

なお、チルト調整機構１５を備えるか否かは任意であり、チルト調整機構１５がなくてもよい。また、上記したＸ軸駆動装置、Ｙ軸駆動装置、Ｚ軸駆動装置、Ｚ軸回転装置、及びアクチュエータのそれぞれの駆動は、制御ユニット５０により制御される。なお、制御ユニット５０については後述する。

表面形状測定装置１００は、図１に示すように、被測定物Ｗを保持するＺステージ１３の位置（基準位置からの被測定物Ｗの移動量）を検出するために、干渉計ユニット４０Ａと、干渉計ユニット４０Ｂと、干渉計ユニット４０Ｃと、を備える。干渉計ユニット４０Ａは、Ｚステージ１３のＸ軸方向の位置を検出し、Ｚステージ１３に対して＋Ｘ軸方向に離間して配置される。干渉計ユニット４０Ａは、ベース８０上から起立する第１フレーム８１の上端に固定されている。干渉計ユニット４０Ａは、Ｚステージ１３のＸ軸方向の位置を検出するために、Ｘ干渉計４１、４２、４６を備える（図３参照）。なお、図１では、Ｘ干渉計４６を省略している。

干渉計ユニット４０ＡのＸ干渉計４１、４２、４６は、Ｚステージ１３に設けられている移動鏡６１に向けて検出光（レーザ光）を出射し、移動鏡６１からの反射光を受光することにより、移動鏡６１までの距離（Ｚステージ１３のＸ軸方向の位置）を検出する。移動鏡６１は、Ｚステージ１３上の＋Ｘ側に配置され、反射面がＹＺ平面と平行又はほぼ平行となるように設けられている。

Ｘ干渉計４１は、検出光の光軸がＸ軸方向と平行であり、かつ、測定点Ｐを通るように設定されている。Ｘ干渉計４２は、検出光の光軸がＸ軸方向と平行でありＸ干渉計４１に対して＋Ｚ方向に所定距離（例えば、図１５に示す距離ＬＡ参照）だけ離れて配置されている。従って、Ｘ干渉計４１、４２から出射される２つの検出光は、Ｚ軸方向に離間した平行な状態で移動鏡６１に入射する。Ｘ干渉計４２は、Ｚステージ１３のＹ軸まわりの角度を検出するために用いられてもよいし、Ｘ干渉計４１のバックアップとして用いられてもよい。また、Ｘ干渉計４６は、Ｘ干渉計４１に対してＹ軸方向に離間して配置され、検出光の光軸がＸ軸方向と平行である。Ｘ干渉計４６は、移動鏡６２までの距離に計測して、Ｚステージ１３のＺ軸まわりの回転角度を検出するために用いられる。なお、これらＸ干渉計４１、４２、４６を用いたＺステージ１３の位置の検出については後述する。

干渉計ユニット４０Ｂは、Ｚステージ１３のＹ軸方向の位置を検出し、Ｚステージ１３に対して＋Ｙ軸方向に離間して配置される。干渉計ユニット４０Ｂは、ベース８０上から起立する第２フレーム８２の上端に固定されている。干渉計ユニット４０Ｂは、Ｚステージ１３のＹ軸方向の位置を検出するために、Ｙ干渉計４３、４４を備える。

干渉計ユニット４０ＢのＹ干渉計４３、４４は、Ｚステージ１３に設けられている移動鏡６２に向けて検出光（レーザ光）を出射し、移動鏡６１からの反射光を受光することにより、移動鏡６２までの距離（Ｚステージ１３のＹ軸方向の位置）を検出する。移動鏡６２は、Ｚステージ１３上の＋Ｙ側に配置され、反射面がＸＺ平面と平行又はほぼ平行となるように設けられている。

Ｙ干渉計４３は、検出光の光軸がＹ軸方向と平行であり、かつ、測定点Ｐを通るように設定されている。Ｙ干渉計４４は、検出光の光軸がＹ軸方向と平行でありＹ干渉計４３に対して＋Ｚ方向に所定距離（例えば、図１６に示す距離ＬＢ参照）だけ離れて配置されている。従って、Ｙ干渉計４３、４４から出射される２つの検出光は、Ｚ軸方向に離間した平行な状態で移動鏡６２に入射する。Ｙ干渉計４４は、Ｚステージ１３のＸ軸まわりの角度を検出するために用いられてもよいし、Ｙ干渉計４３のバックアップとして用いられてもよい。なお、これらＹ干渉計４３、４４を用いたＺステージ１３の位置の検出については後述する。

干渉計ユニット４０Ｃは、Ｚステージ１３のＺ軸方向の位置を検出し、Ｚステージ１３の下方である、例えば、ベース８０に設けられる。干渉計ユニット４０Ｃは、Ｚステージ１３のＺ軸方向の位置を検出するために、Ｚ干渉計４５を備える。干渉計ユニット４０ＣのＺ干渉計４５は、Ｚステージ１３に設けられている不図示の移動鏡に向けて検出光（レーザ光）を出射し、この移動鏡からの反射光を受光することにより、Ｚステージ１３のＺ軸方向の位置を検出する。不図示の移動鏡は、例えばＺステージ１３の下面に配置され、反射面がＸＹ平面と平行又はほぼ平行となるように設けられている。Ｚ干渉計４５は、検出光の光軸がＺ軸方向と平行である。なお、Ｚ干渉計４５からの検出光は、測定点Ｐを通るように設定されてもよい。

Ｘ干渉計４１、４２、４６、Ｙ干渉計４３、４４、及びＺ干渉計４５は、それぞれの移動鏡６１、６２等の位置（又は移動鏡６１等までの距離）を検出すると、位置を示す信号を制御ユニット５０に出力する。なお、Ｘ干渉計４１、４２、４６、及びＹ干渉計４３、４４は、Ｚステージ１３（θＺステージ１４）のＸＹ平面（第１平面）に沿った方向における移動位置、及び／又は、第１回転軸Ａ１Ｚまわりの回転位置を検出する位置検出部である。

光学ユニット２０は、距離検出器２１と、角度検出器２２と、を備える。距離検出器２１は、被測定物Ｗの測定点Ｐに向けてプローブ光としての第１プローブ光ＰＬ１（図３等参照）を照射し、測定点Ｐで反射された第１反射光ＲＬ１（図３等参照）を受光して測定点Ｐまでの距離を測定する。角度検出器２２は、被測定物Ｗの測定点Ｐに向けてプローブ光としての第２プローブ光ＰＬ２（図３等参照）を照射し、測定点Ｐで反射された第２反射光ＲＬ２（図３等参照）を受光して測定点Ｐでの測定面ＷＳの角度を測定する。なお、測定面ＷＳの角度とは、予め定められた基準面（例えばＸＹ平面）と測定面ＷＳとの角度を示す。光学ユニット２０は、ヘッドステージユニット３０に支持される。光学ユニット２０の詳細については後述する。

図２は、表面形状測定装置１００における光学ユニット２０とヘッドステージユニット３０の一例を拡大して示す斜視図である。図１及び図２に示すように、ヘッドステージユニット３０は、光学ユニット２０を第２回転軸Ａ２Ｘまわりに回転させるθＸステージ（第２軸回転ステージ）３１を備える。θＸステージ３１は、ベース８０上から起立する第３フレーム８３の＋Ｘ側に配置され、第２回転軸Ａ２Ｘの軸まわりに回転可能に設けられている。θＸステージ３１の＋Ｘ側の面には、第２回転軸Ａ２Ｘから離れた位置（第２回転軸Ａ２Ｘから偏心した位置）にアーム部３２を備えている。アーム部３２は、θＸステージ３１から＋Ｘ軸方向に延びて設けられている。

光学ユニット２０は、アーム部３２の＋Ｘ側の先端部分に取り付けられる。θＸステージ３１が第２回転軸Ａ２Ｘの軸まわりに回転することにより、光学ユニット２０は、プローブ光を測定点Ｐに向けた状態で第２回転軸Ａ２Ｘの軸まわりを周回移動する。すなわち、光学ユニット２０は、後述する制御ユニット５０のステージ制御部５４に制御されて、第２回転軸Ａ２Ｘまわりの回転のみの１自由度で回転する。アーム部３２のＸ軸方向の長さは、光学ユニット２０が測定点Ｐの＋Ｚ軸上方に配置可能な長さに設定される。なお、アーム部３２は、光学ユニット２０のＸ軸方向に位置を調整可能な調整部を備えてもよい。

また、θＸステージ３１の＋Ｘ側の面には、第２回転軸Ａ２Ｘを挟んでアーム部３２と対向する位置に重り３１ａが設けられている。この重り３１ａは、例えば、アーム部３２及び光学ユニット２０の重さと同一又はほぼ同一の重量が用いられる。この重り３１ａにより、θＸステージ３１の回転をスムーズに行うことができる。なお、θＸステージ３１に重り３１ａが設けられるか否かは任意であり、重り３１ａが設けられなくてもよい。また、重り３１ａは複数設けられてもよい。

図３は、光学ユニット２０の概要の一例を示す図である。光学ユニット２０は、図３に示すように、光学ユニット２０の基準位置Ｇと測定点Ｐとの距離が所定距離Ｄとなるように設定されている。また、第２回転軸Ａ２Ｘは測定点Ｐを通るので、光学ユニット２０は、基準位置Ｇと第２回転軸Ａ２Ｘとの距離が所定距離Ｄとなり。かつ、どの回転位置であっても、プローブ光が必ず測定点Ｐを通るように設定されている。光学ユニット２０の基準位置Ｇは、光学ユニット２０の中心位置又は重心位置に設定されてもよいし、これら以外に設定されてもよい。光学ユニット２０は、図３に示すように、距離検出器２１と角度検出器２２とを備えている。

距離検出器２１は、第１プローブ光ＰＬ１を出射する照射部２１Ａと、第１プローブ光ＰＬ１が測定点Ｐで反射した第１反射光ＲＬ１を受光する検出部２１Ｂと、を備える。照射部２１Ａは、Ｚ軸方向から傾いた状態で第１プローブ光ＰＬ１の光軸が測定点Ｐと重なるように第１プローブ光ＰＬ１を出射する。検出部２１Ｂは、Ｚ軸方向を中心として照射部２１Ａと対称に傾いた状態で配置されている。

また、角度検出器２２は、距離検出器２１と同様に、第２プローブ光ＰＬ２を出射する照射部２２Ａと、第２プローブ光ＰＬ２が測定点Ｐで反射した第２反射光ＲＬ２を受光する検出部２２Ｂと、を備える。図３では、照射部２２Ａ及び検出部２２Ｂが重なるため符号２２の括弧中に符号２２Ａ、２２Ｂを記載している。図３では示していないが、照射部２２Ａは、Ｚ軸方向から傾いた状態で第２プローブ光ＰＬ２の光軸が測定点Ｐと重なるように第２プローブ光ＰＬ２を出射する。検出部２２Ｂは、Ｚ軸方向を中心として照射部２２Ａと対称に傾いた状態で配置されている。

第１プローブ光ＰＬ１の光軸と、第２プローブ光ＰＬ２の光軸とは、測定点Ｐで交差する。すなわち、光学ユニット２０の基準位置Ｇから所定距離Ｄだけ離れた測定点Ｐ（第２回転軸Ａ２Ｘ）において第１プローブ光ＰＬ１の光軸と、第２プローブ光ＰＬ２の光軸とが交差した状態となっている。光学ユニット２０から測定点Ｐに照射されるプローブ光は、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とが重複し、これらが合成された状態となっている。なお、光学ユニット２０は、図３に示す構成に限定されない。光学ユニット２０は、測定点Ｐまでの距離及び測定点Ｐでの測定面ＷＳの角度を測定可能な任意の構成を適用可能である。

また、第１プローブ光ＰＬ１の光軸と第２プローブ光ＰＬ２の光軸とが第２回転軸Ａ２Ｘで交差するので、θＸステージ３１を回転させて光学ユニット２０を周回させたときでも、第１プローブ光ＰＬ１の光軸と第２プローブ光ＰＬ２の光軸とが第２回転軸Ａ２Ｘで交差することに変わりない。従って、測定点Ｐを第２回転軸Ａ２Ｘ上に設定することで、測定点Ｐと光学ユニット２０との距離を容易に制御することができる。

制御ユニット５０は、光学ユニット２０から出射されたプローブ光（第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２）が測定点Ｐに照射されるように表面形状測定装置１００の各部の動作を制御する。

図４は、表面形状測定装置１００の制御ユニット（制御部）５０の一例を機能ブロックで示す図である。制御ユニット５０は、図４に示すように、操作部５１と、記憶部５２と、演算部５３と、ステージ制御部５４と、計測制御部５５と、Ｉ／Ｏ部５６と、を備える。

操作部５１は、オペレータが表面形状測定装置１００の各部における動作を操作するためのインタフェースである。操作部５１は、測定プログラム及び／又は測定結果等の情報を表示する液晶表示パネル、数値及び／又は文字情報を入力するキーボード、マウス、タッチパネル、各種スイッチ類、さらにＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリー等の記録媒体に記録された測定面ＷＳの基準形状データ、光学ユニット２０からの測定結果等を読み書き可能なリーダーライター等を備えている。表面形状測定装置１００は、このような操作部５１により、対話形式で測定面ＷＳのタイプ、測定パターンに対応した表面形状の測定を行うことができる。

記憶部５２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の複数の記憶素子により構成される。ＲＯＭは、表面形状測定装置１００の各部の動作を制御する制御プログラム、被測定物Ｗのタイプ、測定パターンに対応した測定プログラム等を予め記憶している。制御ユニット５０は、操作部５１において被測定物Ｗのタイプ、測定パターンが選択設定されると、対応する測定プログラムを制御プログラムに組み込む。ＲＡＭは、操作部５１のリーダーライター又はＩ／Ｏ部５６を介して読み込まれた被測定物Ｗの測定面ＷＳの基準形状データ、測定プログラムに設定された測定ライン上の測定点Ｐでの基準傾斜角度、測定プログラムの実行中に距離検出器２１から出力される各測定点Ｐの距離データ、測定プログラムの実行中に角度検出器２２から出力される各測定点Ｐでの測定面ＷＳの角度データ等を一時記憶する。

演算部５３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）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、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、及びヘッドステージユニット３０の動作を制御する。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、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３、θＺステージ１４、チルト調整機構１５及びθＸステージ３１の動作を制御する。

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。Ｉ／Ｏ部５６は、外部と信号の入出力を行う。

図５は、表面形状測定装置１００により表面形状を測定するための概念を説明する図である。図５では、被測定物Ｗの測定面ＷＳは、簡略化して平面形状で示しているが、実際には自由曲面による凹凸形状を有している。このような被測定物Ｗの測定面ＷＳの任意の点において、接平面と垂直な方向を矢印で示すと、各点において矢印の向きはバラバラとなっている。例えば、一例としての表面形状測定装置は、被測定物Ｗの測定点Ｐに光学ユニット２０を向ける場合、光学ユニット２０をＸ軸まわりとＹ軸まわりとの双方にそれぞれ回転させて、被測定物Ｗの測定点Ｐに光学ユニット２０を向けることが一般的である。このように光学ユニット２０をＸ軸まわり及びＹ軸まわりに回転させる構成は、光学ユニット２０を２つのステージで支持することになり、プローブ光の照射位置に誤差が生じやすく、公正も面倒な作業となる。

これに対し、本実施形態の表面形状測定装置１００は、被測定物Ｗの測定点Ｐに光学ユニット２０を向ける場合、図５に示すように、θＺステージ１４により被測定物ＷをＺ軸まわりに回転させ、かつ、θＸステージ３１により光学ユニット２０をＸ軸まわりに回転させることにより、被測定物Ｗの測定点Ｐに対して光学ユニット２０を正確に向けることが可能となっている。

図６は、被測定物Ｗの表面形状を測定するために球面座標から２次元の角度を用いることを説明する図である。三次元座標を球面座標で表現すると、任意の点を２次元で表現することができる。図６に示すように、Ｘ軸まわりの回転角度がθ、Ｚ軸まわりの回転角度がφ、原点から距離ｒだけ離れた測定点の球面座標（ｒ、θ、φ）を考えると、この測定点のＸ座標は、ｘ＝ｒｃｏｓφｃｏｓθと表現することができる。また、この測定点のＹ座標は、ｙ＝ｒｃｏｓφｓｉｎθと表現することができる。この測定点のＺ座標は、ｚ＝ｒｃｏｓθと表現することができる。

Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標から、図６に示すように、角度θｘ、θｙ、θｚの３つの表現が可能である。なお、角度θｘは、角度θｙと角度θｚとを用いて表現することができる。また、角度θｙは、角度θｘと角度θｚとを用いて表現することができる。また、角度θｚは、角度θｘと角度θｙとを用いて表現することができる。すなわち、角度θｘ、θｙ、θｚのうち、２つの角度で残りの角度を表現することが可能である。従って、任意の２つの角度を制御すれば、光学ユニット２０を測定点Ｐに向けることが可能となる。

本実施形態では、角度θｘと角度θｚとを利用する。すなわち、制御ユニット５０は、角度θｘとなるように、ヘッドステージユニット３０のθＸステージ３１の回転角度を制御し、かつ、角度θｚとなるように、ワークステージユニット１０のθＺステージ１４の回転角度を制御する。

図７〜図９は、光学ユニット２０からのプローブ光と被測定物Ｗとを相対移動させ、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Ｗ上の移動パターンを例示する説明図である。図７〜図９は、チルト調整機構１５に保持された被測定物Ｗを上方から見たときの状態を模式的に示し、被測定物Ｗの測定面上においてプローブ光が移動する測定ラインをＬ１〜Ｌ６で示している。

図７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平面視で円形状又はほぼ円形状の被測定物Ｗを計測する場合において、プローブ光の移動パターン（測定点Ｐの測定ルート）の一例を示している。ステージ制御部５４は、ヘッドステージユニット３０におけるθＸステージ３１の回転、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及びＺステージ１３の移動、θＺステージ１４の回転により、光学ユニット２０からのプローブ光が図７に示す移動パターンで測定面ＷＳを移動するように制御する。移動パターン中の各測定対象点Ｐｉに合わされた測定点Ｐにおいて、制御ユニット５０は、上記したように、θＸステージ３１の回転角度及びθＺステージ１４の回転角度を制御することにより、測定点Ｐに対して適切に光学ユニット２０を向けるようにしている。測定点Ｐに対して光学ユニット２０を向ける態様については後述する。また、制御ユニット５０は、各測定点Ｐが第２回転軸Ａ２Ｘ上に位置するように、ワークステージユニット１０のＸステージ１１等を制御している。

図７では、ステージ制御部５４は、プローブ光を被測定物Ｗの測定面ＷＳにおけるスタートポイントＳＰに照射した状態から、プローブ光を直線状の測定ラインＬ１に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１上の各測定対象点Ｐｉを順次測定点Ｐに位置付けることにより、各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。続いて、ステージ制御部５４は、図７に示すように、θＺステージ１４を所定角度回転（例えば時計回りに）させ、プローブ光を直線状の測定ラインＬ２に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１と同様に、測定ラインＬ２上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。

続いて、ステージ制御部５４は、θＺステージ１４を所定角度回転させ、プローブ光を直線状の測定ラインＬ３に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１、Ｌ２と同様に、測定ラインＬ３上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。制御ユニット５０は、複数の測定ラインに沿って距離及び角度の測定を繰り返すことにより、被測定物Ｗの測定面ＷＳ全体について距離及び角度の測定データを得ることができる。図７に示す場合は、被測定物Ｗについて測定面全体を放射方向のライン状に測定したデータを得ることができる。

なお、上記では光学ユニット２０により各測定点Ｐにおける距離及び測定面ＷＳの角度の測定データを得ているが、この手法に限定されない。例えば、制御ユニット５０は、各測定ラインＬ１等において、光学ユニット２０から各測定対象点Ｐｉまでを距離Ｄ（図３参照）に一定に維持するように制御しつつ、各測定対象点Ｐｉに合わされた測定点Ｐにおいて光学ユニット２０により測定面ＷＳの角度データを取得する手法であってもよい。

図８は、被測定物Ｗの測定面ＷＳが平面視で円形状である場合を示しているが、測定面が平面視で矩形状、楕円形状、長円形状など、非円形状の被測定物Ｗ（例えばシリンドリカルレンズ等）を計測する場合にも好適なプローブ光の移動パターンの一例を示している。図８に示すように、ステージ制御部５４は、プローブ光を被測定物Ｗの測定面ＷＳにおけるスタートポイントＳＰに照射した状態から、プローブ光を直線状の測定ラインＬ１に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。

続いて、ステージ制御部５４は、図８に示すように、ワークステージユニット１０のＸステージ１１等を動作させて、被測定物Ｗを所定量だけ−Ｘ方向にシフトさせ、プローブ光を直線状の測定ラインＬ４に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１と同様に、測定ラインＬ４上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。続いて、ステージ制御部５４は、ワークステージユニット１０のＸステージ１１等を動作させて、さらに被測定物Ｗを所定量だけ−Ｘ方向にシフトさせ、プローブ光を直線状の測定ラインＬ５に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ１、Ｌ４と同様に、測定ラインＬ５上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。

制御ユニット５０は、複数の測定ラインに沿って距離及び角度の測定を繰り返すことにより、被測定物Ｗの測定面ＷＳ全体について距離及び角度の測定データを得ることができる。図８に示す場合は、被測定物Ｗについて測定面全体を平行なライン状に測定したデータを得ることができる。なお、図８に示す場合においても、上記と同様に、制御ユニット５０は、各測定ラインＬ１等において、光学ユニット２０から各測定対象点Ｐｉまでを距離Ｄに一定に維持するように制御しつつ、各測定対象点Ｐｉを位置付けた測定点Ｐにおいて光学ユニット２０により測定面ＷＳの角度データを取得してもよい。

図９は、図７と同様に、測定面の表面形状が平面視で円形状又はほぼ円形状の被測定物Ｗを計測する場合において、プローブ光の移動パターンの一例を示している。図９に示すように、ステージ制御部５４は、プローブ光を被測定物Ｗの測定面ＷＳにおけるスタートポイントＳＰに照射した状態から、プローブ光を渦巻き状の測定ラインＬ６に沿って移動させる。計測制御部５５は、測定ラインＬ６上の各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）での距離及び測定面ＷＳの角度を光学ユニット２０により測定させる。制御ユニット５０は、渦巻き状の測定ラインＬ６に沿って距離及び角度の測定することにより、被測定物Ｗの測定面ＷＳ全体について渦巻き状の距離及び角度の測定データを得ることができる。

なお、図９では、測定面ＷＳの中心から外側に向けて渦巻き状に測定ラインＬ６を設定しているが、これに限定されず、例えば、外側から中心に向けて渦巻き状の測定ラインが設定されてもよい。なお、図９に示す場合においても、上記と同様に、制御ユニット５０は、測定ラインＬ６において、光学ユニット２０から各測定点Ｐまでを距離Ｄに一定に維持するように制御しつつ、各測定点Ｐにおいて光学ユニット２０により測定面ＷＳの角度データを取得してもよい。

上記した測定ラインＬ１等において各測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）における距離と測定面ＷＳの角度は、光学ユニット２０から照射された第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が測定点Ｐで反射し、それぞれの第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２を光学ユニット２０で受光することにより求められる。制御ユニット５０のステージ制御部５４は、測定ラインＬ１等に沿った各測定対象点Ｐｉについて、記憶部５２（図４参照）に予め記憶されている被測定物Ｗの基準形状データに基づき、測定対象点Ｐｉを第２回転軸Ａ２Ｘ上に配置する測定点Ｐに位置付けるために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の移動位置を制御し、かつ、被測定物Ｗの測定点Ｐでの接平面に対して適切に光学ユニット２０を向けるように、θＸステージ３１の回転角度及びθＺステージ１４の回転角度を制御する。なお、ステージ制御部５４は、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３の移動位置の制御と、θＸステージ３１の回転角度及びθＺステージ１４の回転角度の制御とを同時に行ってもよいし、それぞれ独立して行ってもよい。

制御ユニット５０の計測制御部５５（図４参照）は、測定ラインＬ１等に沿った各測定対象点Ｐｉの距離及び測定面ＷＳの角度を順次計測するように光学ユニット２０を制御する。制御ユニット５０の演算部５３は、各測定対象点Ｐｉについて検出された距離及び測定面ＷＳの角度から、被測定物Ｗの測定面ＷＳの形状を算出する。制御ユニット５０の演算部５３（図４参照）は、例えば、記憶部５２に記憶されている基準形状データに対して測定点Ｐでの測定面ＷＳの角度の差を抽出し、この角度の差のデータを積分処理又は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ＷＳの表面形状を算出してもよい。

表面形状を算出する一例について説明する。図１０は、被測定物Ｗの表面形状を算出する一例を示す図である。光学ユニット２０は、上記したＹ方向である測定ラインＬ１等に沿って、図１０において紙面左側から右側に移動し、所定のサンプリング間隔Ｌごとに測定を行う。所定のサンプリング間隔Ｌによって設定された点が、被測定物Ｗの測定対象点Ｐｉである。図１０では、サンプリング回数をｎとすると、ｎ＝ｉ回目の測定と、ｎ＝ｉ＋１回目の測定における測定面ＷＳの表面形状を表している。被測定物Ｗの表面形状は自由曲面であるため、各測定対象点で測定した法線は三次元の方向に向いているが、図１０では、これらの法線を成分分解し、Ｙ方向成分の傾きを抽出することにより、測定ラインに沿った測定面ＷＳの角度変化を示している。なお、測定ラインに限らず、各測定対象点Ｐｉでの任意の方向（例えば、測定ラインに垂直な方向）成分の傾きを抽出することで、測定面ＷＳの任意の方向に沿った表面形状を算出できる。

図１０に示すように、ｎ＝ｉ回目の測定で角度検出器２２により、測定対象点Ｐｉにおける接平面ＷＡの傾きが傾斜角度αｉ（ｒａｄ）と測定されると、傾斜角度αｉが微小角ある場合には、ｎ＝ｉ回目の測定対象点ＰｉまでのＸ方向（上下方向、深さ方向）の変位量はｔａｎ（αｉ／Ｌ）で、変位量Ｌαｉと近似される。従って、ｎ＝ｉ回目（測定対象点Ｐｉ）のＸ方向の座標がｆ（ｉ）であると、ｎ＝ｉ＋１回目の座標ｆ（ｉ＋１）、すなわち測定対象点Ｐｉ＋１のＸ方向の座標は、ｆ（ｉ）＋Ｌαｉと算出される。このような測定ラインＬ１等に沿った表面形状の算出を、複数の測定ラインにおいて行うことにより、被測定物Ｗの測定面ＷＳ全体の表面形状が算出される。

図１１（Ａ）は、距離検出器２１により測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）までの距離を測定する原理を説明する図であり、図１１（Ｂ）は、角度検出器２２により測定点Ｐでの測定面ＷＳの角度を測定する原理を説明する図である。図１１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す。

距離検出器２１は、光源２１１と、集光レンズ２１２と、集光レンズ２１３と、光検出器２１４とを備える。光源２１１及び集光レンズ２１２は、図３に示す照射部２１Ａに相当する。集光レンズ２１３及び光検出器２１４は、図３に示す検出部２１Ｂに相当する。照射部２１Ａ（光源２１１及び集光レンズ２１２）と検出部２１Ｂ（集光レンズ２１３及び光検出器２１４）は、基準軸Ｓとの相対角度が定められて設けられている。基準軸Ｓは、例えば、照射部２１Ａからの照射光の光軸と、測定点Ｐで反射した反射光の光軸との対称軸である。光源２１１は、第１プローブ光ＰＬ１を発生させる。光源２１１は、発振波長、光出力、ビーム径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、分布帰還型レーザ等が用いられる。光源２１１は、出力部にコリメータを備えており、平行光束とした第１プローブ光ＰＬ１を出力する。集光レンズ２１２は、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Ｗの測定面ＷＳ（測定対象点Ｐｉ、測定点Ｐ）に照射する。

集光レンズ２１３は、測定面ＷＳ（測定対象点Ｐｉ、測定点Ｐ）で反射された第１反射光ＲＬ１を集光する。光検出器２１４は、第１反射光ＲＬ１の位置を検出して測定面ＷＳまでの距離を測定するための検出器であり、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のイメージセンサ、あるいは有機フォトダイオードなどが用いられる。

角度検出器２２は、光源２２１と、集光レンズ２２２と、コリメートレンズ２２３と、光検出器２２４とを備える。光源２２１及び集光レンズ２２２は、図３に示す照射部２２Ａに相当する。コリメートレンズ２２３及び光検出器２２４は、図３に示す検出部２２Ｂに相当する。照射部２２Ａ（光源２２１及び集光レンズ２２２）と検出部２２Ｂ（コリメートレンズ２２３及び光検出器２２４）は、基準軸Ｓとの相対角度が定められて設けられている。基準軸Ｓは、例えば、照射部２２Ａからの照射光の光軸と、測定点Ｐで反射した反射光の光軸との対称軸である。光源２２１は、第２プローブ光ＰＬ２を発生させる。光源２２１は、発振波長、光出力、ビーム径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、分布帰還型レーザ等が用いられる。光源２２１は、出力部にコリメータを備えており、平行光束とした第２プローブ光ＰＬ２を出力する。集光レンズ２２２は、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Ｗの測定面ＷＳ（測定対象点Ｐｉ、測定点Ｐ）に照射する。

コリメートレンズ２２３は、測定面ＷＳ（測定対象点Ｐｉ、測定点Ｐ）で反射された第２反射光ＲＬ２を平行光束とする。光検出器２２４は、第２反射光ＲＬ２の位置を検出して測定面ＷＳの角度を測定するための検出器であり、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサ、あるいは有機フォトダイオードなどが用いられる。

距離検出器２１から照射される第１プローブ光ＰＬ１は、集光レンズ２１２により集光されて測定面ＷＳに入射し、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。従って、光検出器２１４への第１反射光ＲＬ１の入射位置は、測定面ＷＳの角度が変化しても変化しない。ただし、測定面ＷＳがＺ軸方向に変化すると、光検出器２１４への第１反射光ＲＬ１の入射位置が変化する。そのため、制御ユニット５０は、光検出器２１４から出力される信号に基づくことにより、測定面ＷＳの角度が変化した場合であっても、光学ユニット２０の基準位置Ｇから測定面ＷＳ（測定対象点Ｐｉ、測定点Ｐ）までの距離を算出することができる。

また、角度検出器２２から照射される第２プローブ光ＰＬ２は、集光レンズ２２２により集光されて測定面ＷＳに入射し、第２反射光ＲＬ２は、コリメートレンズ２２３により平行光束となって光検出器２２４に入射する。第２反射光ＲＬ２の入射位置は、測定面ＷＳのＺ軸方向の位置が変化してもほとんど（大きくは）変化しない。ただし、測定面ＷＳの角度が変化すると光検出器２２４への第２反射光ＲＬ２の入射位置が変化する。そのため、制御ユニット５０は、光検出器２２４から出力される信号に基づくことにより、測定面ＷＳのＺ軸方向の位置が多少変化した場合であっても、測定面ＷＳ（図１４に示す測定対象点Ｐｉにおける接平面ＷＡ）の角度を算出することができる。

図１１において、符号Ｓは、仮想光軸であり、光学ユニット２０の基準軸である。この基準軸Ｓは、光学ユニット２０から照射されるプローブ光における仮想された光軸である。基準軸Ｓと測定面ＷＳとの交点は測定点Ｐである。光学ユニット２０は、基準軸Ｓが測定点Ｐにおいて被測定物Ｗの基準形状の接平面に対して予め定められた角度となるように、制御ユニット５０により制御される。本実施形態において、光学ユニット２０を測定点Ｐに向けることは、一例として、基準軸Ｓが測定点Ｐを通り、かつ測定点Ｐの接平面に対して基準軸Ｓが垂直となるように光学ユニット２０を配置することを意味する。ただし、基準軸Ｓは、測定点Ｐにおいて被測定物Ｗの基準形状の接平面に対して垂直でなくてもよく、角度が予め定められていればよい。なお、基準軸Ｓは、光学ユニット２０の基準位置Ｇ（図３参照）を通るように設定されてもよい。基準軸Ｓに対して、第１プローブ光ＰＬ１と第１反射光ＲＬ１とは対称となっている。また、基準軸Ｓに対して、第２プローブ光ＰＬ２と第２反射光ＲＬ２とは対称となっている。

距離検出器２１及び角度検出器２２は、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１の入射面と、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２の入射面とが直交（あるいは交差）するように設定されている。距離検出器２１は、第１プローブ光ＰＬ１の入射面が測定点Ｐを含むＹＺ平面に沿うように設定されている。角度検出器２２は、第２プローブ光ＰＬ２の入射面がＹＺ平面と直交し、かつ測定点Ｐを含むＸＺ平面に沿うように設定されている。距離検出器２１及び角度検出器２２の配置については、図１２を用いて説明する。

図１２（Ａ）は、距離検出器２１における第１プローブ光ＰＬ１及び第１反射光ＲＬ１を説明する図であり、図１２（Ｂ）は、角度検出器２２における第２プローブ光ＰＬ２及び第２反射光ＲＬ２を説明する図である。図１２（Ａ）に示すように、距離検出器２１は、第１プローブ光ＰＬ１の入射面が測定点Ｐを含むＹＺ平面に沿うように設定される。ＹＺ平面は、Ｘ軸と直交する面である。また、図１２（Ｂ）に示すように、角度検出器２２は、第２プローブ光ＰＬ２の入射面が測定点Ｐを含むＸＺ平面に沿うように設定される。ＸＺ平面は、Ｘ軸を含んだ面である。

光学ユニット２０は、ＹＺ平面に沿って配置された距離検出器２１と、ＸＺ平面に沿って配置された角度検出器２２とを備えている。ＹＺ平面に沿う第１プローブ光ＰＬ１と、ＸＺ平面に沿う第２プローブ光ＰＬ２とは、第２回転軸Ａ２Ｘ上の測定点Ｐで交差する。すなわち、光学ユニット２０の基準位置Ｇから所定距離Ｄだけ離れた測定位置で第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２とが交差するように、光学ユニット２０は調整されている。これにより、光学ユニット２０は、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２とを重複させ、これらを合成したプローブ光を測定点Ｐに照射する。

なお、プローブ光の測定ラインＬ１等は、Ｙ軸方向に設定されている。従って、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１は、測定ラインＬ１等に沿ったＹＺ平面に照射される。一方、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２は、測定ラインＬ１等と直交するＸＺ平面に照射される。ただし、このような設定に限定されず、例えば、距離検出器２１の第１プローブ光ＰＬ１を測定ラインＬ１等と直交するＸＺ平面で照射してもよいし、角度検出器２２の第２プローブ光ＰＬ２を測定ラインＬ１等に沿ったＹＺ平面に照射してもよい。また、第１プローブ光ＰＬ１の入射面と第２プローブ光ＰＬ２の入射面とが直交しない構成であってもよい。

また、図１２に示すように、光学ユニット２０の基準軸Ｓは、Ｚ軸方向と平行である。また、基準軸Ｓは、距離検出器２１が配置されるＹＺ平面と、角度検出器２２が配置されるＸＺ平面とが交わる線に一致している。

図１３は、角度検出器の他の例を示す図である。図１３に示す角度検出器１２２は、光源２２１と、光ファイバ２２５と、コリメータ２２６と、集光レンズ２２２Ａと、ミラー２２７と、アパーチャ２２８と、光検出器２２４とを備える。光源２２１、光検出器２２４は、図１４に示す構成と同様である。光ファイバ２２５は、光源２２１で発生した第２プローブ光を導光する。コリメータ２２６は、光ファイバ２２５の出射端部に設けられ、第２プローブ光を平行光束として出射する。集光レンズ２２２Ａは、平行光束の第２プローブ光ＰＬ２を集光して測定面ＷＳ（測定点Ｐ）に照射する。ミラー２２７は、測定面ＷＳで反射されて再び集光レンズ２２２Ａを透過することにより平行光束となった第２反射光ＲＬ２を所定の向きに反射する。アパーチャ２２８は、例えば、被測定物Ｗの裏面で反射された第２裏面反射光を除去する。

角度検出器１２２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反射光ＲＬ２とを同じ集光レンズ２２２Ａを透過させることにより、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すコリメートレンズ２２３を省略した構成となっている。これにより、光学ユニット２０は、ＸＺ平面に沿って形成される角度検出器１２２を小型化できるので、全体をコンパクトに構成することができる。また、角度検出器１２２は、被測定物Ｗ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の直前に設けたので、仮に被測定物Ｗの厚さが薄い場合又は第２プローブ光ＰＬ２の入射角が小さい場合であっても、第２裏面反射光を効率よく除去することができる。

なお、角度検出器１２２の集光レンズ２２２Ａは、焦点距離ｆ２が８０〜１６０ｍｍ程度であればよく、例えばｆ２＝１２０ｍｍのアクロマートレンズを用いることができる。また、第２プローブ光ＰＬ２の測定面ＷＳへの入射角θ２（図１２（Ｂ）参照）は、３〜８°程度であればよく、例えばθ２＝５°に設定される。また、角度検出器２２の集光レンズ２２２についても、同様である。

距離検出器２１の集光レンズ２１２は、焦点距離ｆ１を集光レンズ２２２Ａと同様の範囲で設定することができる。なお、焦点距離ｆ１は図示を省略している。集光レンズ２１２は、例えば、焦点距離ｆ１が集光レンズ２２２Ａの焦点距離ｆ２と同一の１２０ｍｍのアクロマートレンズを用いることができる。この場合、距離検出器２１は、測定面ＷＳに照射する第１プローブ光ＰＬ１と測定面ＷＳで反射された第１反射光ＲＬ１とを同じ集光レンズを透過させることが可能となり、図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示す集光レンズ２１３を省略することができる。

また、第１プローブ光ＰＬ１及び第１反射光ＲＬ１（第２プローブ光ＰＬ２及び第２反射光ＲＬ２）を同じ集光レンズを透過させることにより、距離検出器２１（角度検出器２２）の焦点調整作業を共通化できる。また、距離検出器２１と角度検出器２２とで同一の集光レンズ２２２Ａを用いることにより、測定点Ｐに集光される第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２との焦点深度が同一又はほぼ同一になり、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、第１プローブ光ＰＬ１の測定面ＷＳへの入射角θ１は、５〜３０°程度が好ましく、例えばθ１＝２５°に設定される。

測定点Ｐにおいてプローブ光が照射される範囲は、例えば、直径２００μｍ程の円形状又はほぼ円形状のスポットである。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する。角度検出器２２は、このスポットの平均的なＸ軸まわり又はＹ軸まわりの角度を検出する。

図１４は、被測定物Ｗの表面形状を測定する際の表面形状測定装置１００の動作の一例を模式的に示す図である。制御ユニット５０は、各測定点Ｐの距離及び角度を測定するのに際し、記憶部５２に記憶されている基準形状データに基づいて、測定点Ｐが第２回転軸Ａ２Ｘを通り、かつ、測定点Ｐの接平面における法線が光学ユニット２０の基準位置Ｇを通る基準軸Ｓと一致するように、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３、θＺステージ１４及びθＸステージ３１の動作を制御する。図１４において、被測定物Ｗの表面形状は、ＹＺ断面において楕円形状で簡略化して示しているが、実際には自由曲面による微小な凹凸を有する。

図１４の一点鎖線で示すように、第２回転軸Ａ２Ｘ上の測定点Ｐに、被測定物Ｗのほぼ中央の測定対象点Ｐｉを位置付けた場合、その測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）の接平面ＷＡ０はＸＹ平面とほぼ平行となり、その法線はＺ軸方向とほぼ平行となる。制御ユニット５０は、基準形状データに基づいて、基準軸Ｓをこの法線と一致させ、かつ測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）から基準位置Ｇまでが距離Ｄとなるように、θＺステージ１４及びθＸステージ３１の回転角度を制御し、かつＸステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３の移動位置を制御する。

また、図１４の実線で示すように、第２回転軸Ａ２Ｘ上の測定点Ｐに、被測定物Ｗの中央から離れた測定対象点Ｐｉを位置付けた場合、その測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）の接平面ＷＡはＸＹ平面から傾いており、その法線はＺ軸方向から傾いている。制御ユニット５０は、基準形状データに基づいて、基準軸Ｓをこの法線と一致させ、かつ測定点Ｐから基準位置Ｇまでが距離Ｄとなるように、θＺステージ１４及びθＸステージ３１の回転角度を制御し、かつＸステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３の移動位置を制御する。

制御ユニット５０は、基準軸Ｓを測定面の法線に一致させ、且つ、測定点Ｐが第２回転軸Ａ２Ｘを通るようにするため、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３、θＺステージ１４及びθＸステージ３１を以下のように制御する。以下の説明では、図４の機能ブロックに関する図を適宜参照する。まず、制御ユニット５０の演算部５３は、記憶部５２に記憶された測定面ＷＳの基準形状データから、測定ラインＬ１等に沿った各測定対象点Ｐｉの接平面ＷＡを算出し、その接平面のＸ軸まわりの角度及びＹ軸まわりの角度（以下、測定対象点Ｐｉの傾斜角度と称す。）を算出する。

次に、演算部５３は、測定ラインＬ１等における各測定対象点Ｐｉを測定点Ｐに位置付けるためのＸステージ１１、Ｙステージ１２、及びＺステージ１３の移動量の算出、並びに、算出された測定対象点Ｐｉの傾斜角度から、その測定対象点Ｐｉ（接平面ＷＡ）の法線と基準軸Ｓとが一致し、かつ光学ユニット２０のプローブ光が測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）を通るようなθＺステージ１４及びθＸステージ３１の回転量を算出する。次いで、ステージ制御部５４は、演算部５３により算出された各ステージの移動量及び回転量に基づいた駆動信号を生成し、Ｘステージ１１、Ｙステージ１２、Ｚステージ１３、θＺステージ１４及びθＸステージ３１に駆動信号を出力して、被測定物Ｗ及び光学ユニット２０を相対移動させる。なお、ステージ制御部５４は、各ステージを同時に制御してもよいし、それぞれ異なる期間に独立して制御してもよい。

続いて、光学ユニット２０の距離検出器２１は、計測制御部５５から出力された計測制御信号に基づいて、被測定物Ｗに対して第１プローブ光ＰＬ１を照射する。同時又はほぼ同時に、光学ユニット２０の角度検出器２２は、計測制御部５５から出力された計測制御信号に基づいて、被測定物Ｗに対して第２プローブ光ＰＬ２を照射する。光学ユニット２０は、第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）に照射される。光学ユニット２０は、第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２を受光することにより、測定対象点Ｐｉ（測定点Ｐ）の距離及び測定対象点Ｐｉでの測定面ＷＳの角度を測定する。

制御ユニット５０、各測定対象点Ｐｉにおける距離及び測定面ＷＳの角度の測定結果から被測定物Ｗの表面形状を算出する点は上記のとおりである。なお、光学ユニット２０は、光学ユニット２０の基準位置Ｇと第２回転軸Ａ２Ｘとの距離が一定となっている。従って、測定点Ｐを第２回転軸Ａ２Ｘ上に配置することにより、基準位置Ｇと測定点Ｐとの距離が距離Ｄと一定となるように設定される。また、上記では基準形状データに基づいて、測定点Ｐと基準位置Ｇとが距離Ｄとなるように制御されているがこれに限定されない。例えば、制御ユニット５０は、距離検出器２１の出力を用いて各測定点Ｐで実際に距離ＤとなるようにＸステージ１１等を制御しながら、各測定対象点Ｐｉでの測定面ＷＳの角度を角度検出器２２により測定するような制御を行ってもよい。

上記した説明は、被測定物Ｗがワークステージユニット１０に適切に（水平に）保持されていることが前提である。ワークステージユニット１０のチルト調整機構１５は、被測定物Ｗが適切に保持されるように調整することができる。また、被測定物Ｗの位置は、Ｘ干渉計４１、４２、４６及びＹ干渉計４３、４４によりＺステージ１３の移動鏡６１、６２までの距離を検出することにより認識される。従って、Ｚステージ１３が（あるいはＺステージ１３を載置するＸステージ１１、Ｙステージ１２）が傾いていると、Ｘ干渉計４１等により被測定物Ｗの正確な位置を検出できなくなる。

図１５は、Ｙ軸まわりのＺステージ１３の傾きの検出を説明する図である。図１６は、Ｘ軸まわりのＺステージ１３の傾きの検出を説明する図である。図１５では、Ｘ干渉計４１、４２により検出された距離から、Ｙ軸まわりの角度を算出する手法を説明する。Ｘ干渉計４１、４２は、第１回転軸Ａ１Ｚに垂直なＸＹ平面（第１平面）に対するＹ軸まわりのＺステージ１３（θＺステージ１４）の傾きを検出する傾き検出部として機能する。Ｘ干渉計４１は、移動鏡６１に対してＸ軸方向と平行に（ＸＹ平面に沿って）検出光を出射し、移動鏡６１で反射された反射光を受光する。この反射光と参照光とを干渉させた結果に基づいて、移動鏡６１までの距離（Ｘ軸方向の位置）を検出する。同様に、Ｘ干渉計４２は、移動鏡６１までの距離（Ｘ軸方向の位置）を検出する。なお、Ｘ干渉計４１は、検出光の光軸が第２回転軸Ａ２Ｘと一致又はほぼ一致して配置されている。すなわち 、Ｘ干渉計４１は、測定点Ｐを含むＸＹ平面内を検出光の光軸が通るように配置されている。従って、このＸ干渉計４１を用いることにより、Ｘ軸方向の位置（距離）をアッベ誤差が発生せずに検出（計測）することができる。

図１５（Ａ）は、Ｚステージ１３がＸＹ平面に平行な水平の状態を示している。すなわち、Ｚステージ１３は、Ｙ軸まわりの角度が０°の状態である。この状態では、Ｘ干渉計４１、４２から出力される検出結果は同一の値となる。図１５（Ｂ）は、Ｚステージ１３がＸＹ平面からＹ軸まわりに回転した状態を示している。すなわち、Ｚステージ１３は、Ｙ軸まわりに角度θ３°だけ傾いた状態である。この状態では、Ｘ干渉計４１から出力される値と、Ｘ干渉計４２から出力される値とで異なる。図１５（Ｂ）に示す例の場合、Ｘ干渉計４２から出力される値は、Ｘ干渉計４１の光軸からＸ干渉計４２の光軸までを距離ＬＡとすると、Ｘ干渉計４１から出力される値よりもＬＡｔａｎθ３だけ長くなる。

制御ユニット５０は、Ｘ干渉計４１、４２から出力された値の差であるＬＡｔａｎθ３に基づいて、Ｚステージ１３がＹ軸まわりにθ３°傾いていることを算出する。制御ユニット５０は、Ｚステージ１３がＹ軸まわりにθ３°傾いていることから、測定点ＰにおけるＸ軸方向の変位を算出し、その変位をＸ軸方向のオフセット量としてＸステージ１１の移動量を制御する。

なお、Ｘ干渉計４６（図４参照）は、Ｘ干渉計４１からＹ軸方向に離れて配置されている。Ｘ干渉計４６から出力される値を、Ｘ干渉計４１から出力される値と比較することにより、上記と同様にＺステージ１３のＺ軸まわりの回転量を算出可能である。制御ユニット５０は、この回転量をオフセット量としてθＺステージ１４の回転量を制御することができる。

図１６では、図１５と同様に、Ｙ干渉計４３、４４により検出された距離から、Ｘ軸まわりの角度を算出する手法を説明する。Ｙ干渉計４３、４４は、第１回転軸Ａ１Ｚに垂直なＸＹ平面（第１平面）に対するＸ軸まわりのＺステージ１３（θＺステージ１４）の傾きを検出する傾き検出部として機能する。Ｙ干渉計４３は、移動鏡６２に対してＹ軸方向と平行に（ＸＹ平面に沿って）検出光を出射し、移動鏡６２で反射された反射光を受光する。この反射光と参照光とを干渉させた結果に基づいて、移動鏡６２までの距離（Ｙ軸方向の位置）を検出する。同様に、Ｙ干渉計４４は、移動鏡６２までの距離（Ｙ軸方向の位置）を検出する。

図１６（Ａ）は、Ｚステージ１３がＸＹ平面に平行な水平の状態を示している。すなわち、Ｚステージ１３は、Ｘ軸まわりの角度が０°の状態である。この状態では、Ｙ干渉計４３、４４から出力される検出結果は同一の値となる。図１６（Ｂ）は、Ｚステージ１３がＸＹ平面からＸ軸まわりに回転した状態を示している。すなわち、Ｚステージ１３は、Ｘ軸まわりに角度θ４°だけ傾いた状態である。この状態では、Ｙ干渉計４３から出力される値と、Ｙ干渉計４４から出力される値とで異なる。図１６（Ｂ）に示す例の場合、Ｙ干渉計４４から出力される値は、Ｙ干渉計４３の光軸からＹ干渉計４４の光軸までを距離ＬＢとすると、Ｙ干渉計４３から出力される値よりもＬＢｔａｎθ４だけ長くなる。

制御ユニット５０は、Ｙ干渉計４３、４４から出力された値の差であるＬＢｔａｎθ４に基づいて、Ｚステージ１３がＸ軸まわりにθ４°傾いていることを算出する。制御ユニット５０は、Ｚステージ１３がＸ軸まわりにθ４°傾いていることから、測定点ＰにおけるＹ軸方向の変位を算出し、その変位をＹ軸方向のオフセット量としてＹステージ１２の移動量を制御する。

なお、本実施形態では、光学ユニット２０がθＸステージ３１により周回した場合でも、プローブ光が第２回転軸Ａ２Ｘ上の測定点Ｐに向けて照射されるように設定されている。さらに、Ｘ干渉計４１は、検出光の光軸が第２回転軸Ａ２Ｘに沿って測定点Ｐを通過するように設定され、かつ、Ｙ干渉計４３は、検出光の光軸が測定点Ｐを通過するように設定されている。この構成により、アッベ誤差の発生が抑制され、被測定物Ｗの所望位置を精度よく測定点Ｐとして位置決めすることができる。

なお、上記した実施形態では、光学ユニット２０が距離検出器２１と角度検出器２２とを別に配置した構成を例に挙げて説明しているが、この構成に限定されない。例えば、光学ユニット２０は、１つの光源を用いて距離の検出及び角度の検出を行ってもよい。図１７は、光学ユニットの他の例を模式的に示す図である。図１７に示す光学ユニット２０Ａは、光源３０１と、集光レンズ３０２と、コリメートレンズ３０３と、ハーフミラー３０４と、集光レンズ３０５と、距離検出用の光検出器３０６と、角度検出用の光検出器３０７と、を備える。

光源３０１は、プローブ光ＰＬ３を発生させる。プローブ光ＰＬ３は、ＹＺ平面に沿って照射させ、測定面ＷＳ（測定点Ｐ）に照射される。光源３０１は、発振波長、光出力、ビーム径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、分布帰還型レーザ等が用いられる。光源３０１は、出力部にコリメータを備えており、平行光束としたプローブ光ＰＬ３を出力する。集光レンズ３０２は、光源３０１により発生されたプローブ光ＰＬ３を集光して被測定物Ｗの測定面ＷＳ（測定点Ｐ）に照射する。

コリメートレンズ３０３は、測定面ＷＳで反射された反射光ＲＬ３を平行光束にする。ハーフミラー３０４は、コリメートレンズ３０３で平行光束となった反射光ＲＬ３の一部を反射し、残りを透過させる。集光レンズ３０５は、ハーフミラー３０４で反射された反射光（第１反射光）ＲＬ３１を集光する。距離検出用の光検出器３０６は、集光レンズ３０５で集光された反射光ＲＬ３１が入射し、反射光ＲＬ３１の位置を検出して測定面ＷＳまでの距離を測定するための検出器である。光検出器３０６は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサ、あるいは有機フォトダイオードなどが用いられる。

角度検出用の光検出器３０７は、ハーフミラー３０４を透過した反射光（第２反射光）ＲＬ３２が入射し、反射光ＲＬ３２の位置を検出して測定面ＷＳの角度を測定する。光検出器３０７は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサ、あるいは有機フォトダイオードなどが用いられる。光検出器３０６における反射光ＲＬ３１の入射位置は、測定面ＷＳの角度が変化しても変化しないが、測定面ＷＳのＺ軸方向の位置が変化すると変化する。一方、光検出器３０７における反射光ＲＬ３２の入射位置は、測定面ＷＳのＺ軸方向の位置が変化してもほとんど変化しないが、測定面ＷＳの角度が変化すると変化する。そのため、制御ユニット５０は、光検出器３０６、３０７から出力される信号に基づいて、測定面ＷＳまでの距離及び測定面ＷＳの角度を算出することができる。

このように、本実施形態の表面形状測定装置１００によれば、制御ユニット（制御部）５０によって、予め取得した被測定物Ｗの基準形状データに基づいて、測定点Ｐに光学ユニット２０を向けるように、θＸステージ３１により光学ユニット２０をＸ軸まわりに回転させ、かつ、θＺステージ１４により被測定物ＷをＺ軸まわりに回転させるので、光学ユニット２０を１つのθＸステージ３１により周回させるので、光学ユニット２０をを正確に被測定物Ｗの測定点Ｐに向けることができ、これにより被測定物Ｗの表面形状を精度よく測定することができる。

また、本実施形態では、光学ユニット２０をＸ軸まわりにのみ回転させるので、例えば、光学ユニット２０をＸ軸まわりとＹ軸まわりとの双方にそれぞれ回転させる構成と比較して、装置構成をシンプルにすることができ、測定誤差が発生する要因を低減することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る表面形状測定装置２００について図面を参照して説明する。図１８は、第２実施形態に係る表面形状測定装置２００の一例を示す図である。上記した第１実施形態では、ワークステージユニット１０にθＺステージ１４を備えているが、表面形状測定装置２００では、ワークステージユニット１０にθＺステージ１４がなく、ヘッドステージユニット３０にθＺステージ４０を備える。なお、以下の説明において、上記した実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付けて説明を省略又は簡略化する。また、図１８において、チルト調整機構１５、干渉計ユニット４０Ａ等、及び制御ユニット５０の記載を省略している。

表面形状測定装置２００は、ベース８０又は他の部分に支持された上部フレーム８４の下面側（−Ｚ側の面）に、第１回転軸Ａ１Ｚの軸まわりに回転可能なθＺステージ４０を備えている。第１回転軸Ａ１Ｚは、測定点Ｐを通るように設定されている。上部フレーム８４は、ヘッドステージユニット３０の上方（＋Ｚ軸方向から離れた位置）に設けられている。θＺステージ４０は、不図示のＺ軸回転装置により回転する。Ｚ軸回転装置は、例えば、電動回転モータ及び減速機など、任意の回転装置が使用される。Ｚ軸回転装置は、例えば、上部フレーム８４に配置される。また、Ｚ軸回転装置は、制御ユニット５０（図１参照）により制御される。

θＺステージ４０の下面側かつ外周部分には、水平部材８５がθＺステージ４０の放射方向に延びて取り付けられている。第３フレーム８３Ａは、水平部材８５の−Ｘ側の下面に取り付けられ、下方に延びるように設けられる。なお、第３フレーム８３Ａは、ベース８０から離れて配置される。ヘッドステージユニット３０は、第３フレーム８３Ａの＋Ｘ側の側面に形成される。なお、θＸステージ３１の第２回転軸Ａ２Ｘが測定点Ｐを通るように設定される点は、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、θＸステージ３１及びθＺステージ４０を回転させることにより、被測定物Ｗの測定点Ｐに光学ユニット２０の向きを合わせることができる。従って、制御ユニット５０は、θＸステージ３１及びθＺステージ４０の回転角度、並びにワークステージユニット１０のＸステージ１１等を制御することにより、第１実施形態と同様に、測定ラインＬ１等（図７等参照）に沿った各測定点Ｐに対して、光学ユニット２０からのプローブ光を正確に向けることができる。

本実施形態では、光学ユニット２０がθＸステージ３１及びθＺステージ４０により周回した場合でも、プローブ光が第２回転軸Ａ２Ｘ上の測定点Ｐに向けて照射されるように設定されている。また、図１８において図示を省略したＸ干渉計４１及びＹ干渉計４３は、双方の検出光がそれぞれ測定点Ｐを通るように設定されている。この構成により、第１実施形態と同様に、アッベ誤差の発生が抑制され、被測定物Ｗの所望位置を精度よく測定点Ｐとして位置決めすることができる。

［構造物製造システム］
図１９は、実施形態に係る構造物製造システムの一例を機能ブロックで示す図である。構造物製造システム４００は、図１９に示すように、上記した表面形状測定装置１００、２００、設計装置４１０、成形装置４２０、制御装置４３０（検査装置）、及びリペア装置４４０を有している。

設計装置４１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製する。そして、設計装置４１０は、作製した設計情報を成形装置４２０及び制御装置４３０に送信する。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。また、測定対象物は、構造物である。

成形装置４２０は、設計装置４１０から送信された設計情報に基づいて構造物を成形する。この成形装置４２０の成形工程は、鋳造、鍛造、又は切削などが含まれる。表面形状測定装置１００、２００は、成形装置４２０により作製された構造物（被測定物Ｗ）の三次元形状、すなわち構造物の表面の座標を測定する。なお、表面形状測定装置１００、２００は、設計装置４１０により作製された設計情報が送信されて、基準形状データとして記憶部５２（図４参照）に記憶している。表面形状測定装置１００、２００は、構造物について測定した座標を示す情報（以下、形状情報という。）を制御装置４３０に送信する。

制御装置４３０は、座標記憶部４３１及び検査部４３２を有している。座標記憶部４３１は、設計装置４１０から送信される設計情報を記憶する。検査部４３２は、座標記憶部４３１から設計情報を読み出す。また、検査部４３２は、座標記憶部４３１から読み出した設計情報と、表面形状測定装置１００から送信される形状情報とを比較する。そして、検査部４３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報のとおり成形されたか否かを検査する。

また、検査部４３２は、成形装置４２０により成形された構造物が良品であるか否かを判定する。構造物が良品であるか否かは、例えば、設計情報と形状情報との誤差が所定の閾値の範囲内であるか否かにより判定する。そして、検査部４３２は、構造物が設計情報のとおりに成形されていない場合は、その構造物を設計情報のとおりに修復することができるか否かを判定する。修復することができると判定した場合は、検査部４３２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出する。そして、検査部４３２は、不良部位を示す情報（以下、不良部位情報という。）と、修復量を示す情報（以下、修復量情報という。）と、をリペア装置４４０に送信する。

リペア装置４４０は、制御装置４３０から送信された不良部位情報と修復量情報とに基づいて、構造物の不良部位を加工する。

［構造物製造方法］
図２０は、構造物製造システム４００による処理を示すフローチャートであり、構造物製造方法の実施形態の一例を示す。図２０に示すように、設計装置４１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ０１）。設計装置４１０は、作製した設計情報を成形装置４２０及び制御装置４３０に送信する。制御装置４３０は、設計装置４１０から送信された設計情報を受信する。そして、制御装置４３０は、受信した設計情報を座標記憶部４３１に記憶する。

次に、成形装置４２０は、設計装置４１０が作製した設計情報に基づいて構造物を成形する（ステップＳ０２）。そして、表面形状測定装置１００、２００は、成形装置４２０が成形した構造物の三次元形状（被測定物Ｗの表面形状）を測定する（ステップＳ０３）。その後、表面形状測定装置１００、２００は、構造物の測定結果である形状情報を制御装置４３０に送信する。次に、検査部４３２は、表面形状測定装置１００から送信された形状情報と、座標記憶部４３１に記憶されている設計情報とを比較して、構造物が設計情報のとおりに成形されたか否か検査する（ステップＳ０４）。

次に、検査部４３２は、構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ０５）。構造物が良品であると判定した場合は（ステップＳ０５：ＹＥＳ）、構造物製造システム４００による処理を終了する。一方、検査部４３２は、構造物が良品でないと判定した場合は（ステップＳ０５：ＮＯ）、検査部４３２は、構造物を修復することができるか否かを判定する（ステップＳ０６）。

検査部４３２が構造物を修復することができると判定した場合は（ステップＳ０６：ＹＥＳ）、検査部４３２は、ステップＳ０４の比較結果に基づいて、構造物の不良部位と修復量を算出する。そして、検査部４３２は、不良部位情報と修復量情報とをリペア装置４４０に送信する。リペア装置４４０は、不良部位情報と修復量情報とに基づいて構造物のリペア（再加工）を実行する（ステップＳ０７）。そして、ステップＳ０３の処理に移行する。すなわち、リペア装置４４０がリペアを実行した構造物に対してステップＳ０３以降の処理が再度実行される。一方、検査部４３２が構造物を修復することができないと判定した場合は（ステップＳ０６：ＮＯ）、構造物製造システム４００による処理を終了する。

このように、構造物製造システム４００及び構造物製造方法では、表面形状測定装置１００、２００による構造物（被測定物Ｗ）の表面形状の測定結果に基づいて、検査部４３２が設計情報のとおりに構造物が作製されたか否かを判定する。これにより、成形装置４２０により作製された構造物が良品であるか否か精度よく判定することができるとともに、その判定の時間を短縮することができる。また、上記した構造物製造システム４００では、検査部４３２により構造物が良品でないと判定された場合に、直ちに構造物のリペアを実行することができる。

なお、上記した構造物製造システム４００及び構造物製造方法において、リペア装置４４０が加工を実行することに代えて、成形装置４２０が再度加工を実行するように構成してもよい。

以上、実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能である。また、各実施形態で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。そのような変更又は改良、省略した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、各実施形態や変形例の構成を適宜組み合わせて適用することも可能である。また、法令で許容される限りにおいて、各実施形態及び変形例で引用した測定装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。

上記の実施形態において、制御ユニット５０は、例えばコンピュータシステムを含む。制御ユニット５０は、記憶部５２に記憶されている表面形状測定プログラムを読み出し、このプログラムに従って各種の処理を実行する。この表面形状測定プログラムは、コンピュータに、予め取得した被測定物Ｗの基準形状データに基づいて、被測定物Ｗを支持するθＺステージ１３（ステージ）を、第１回転軸（第１軸）Ａ１Ｚまわりに回転させる処理と、θＺステージ１３に対向して配置されて、被測定物Ｗの測定点Ｐまでの距離及び／又は測定点Ｐでの被測定物Ｗの表面の傾きを検出する光学ユニット（測定部）２０を、測定点Ｐにおいて被測定物Ｗの基準形状の接平面ＷＡに対して光学ユニット２０の基準軸Ｓが予め定められた角度となるように、第１回転軸（第１軸）Ａ１Ｚに直交する第２回転軸（第２軸）Ａ２Ｘまわりに回転させる処理と、を実行させる。この表面形状測定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体（例えば、非一時的な記録媒体、ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｔａｎｇｉｂｌｅ ｍｅｄｉａ）に記録されて提供されてもよい。

また、本明細書において用いられている「一致」、「平行」、「直交」、「垂直」「平面内」等の表現は、実質的に一致、平行、直交、垂直、平面内等を含む意味である。また、前述した「実質的に」「ほぼ」は、部品の製造誤差や、組み立てによるばらつき等によって生じる場合を含む意味で用いている。

１００、２００・・・表面形状測定装置、Ｐ・・・測定点、Ｐｉ・・・測定対象点、ＰＬ１・・・第１プローブ光、ＰＬ２・・・第２プローブ光、ＲＬ１・・・第１反射光、ＲＬ２・・・第２反射光、Ｓ・・・基準軸、Ｗ・・・被測定物、ＷＡ・・・接平面、ＷＳ・・・測定面（表面形状）、１０・・・ワークステージユニット、１１・・・Ｘステージ、１２・・・Ｙステージ、１３・・・Ｚステージ、１４・・・θＺステージ（ステージ）、１５・・・チルト調整機構、２０、２０Ａ・・・光学ユニット（測定部）、２１・・・距離検出器、２１Ａ、２２Ａ・・・照射部、２１Ｂ、２２Ｂ・・・検出部、２２、１２２・・・角度検出器、３０・・・ヘッドステージユニット、３１・・・θＸステージ（第２軸回転ステージ）、５０・・・制御ユニット（制御部）

本発明の第１態様によれば、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して、互いに直交する第１軸、第２軸、第３軸の方向に移動可能であり、第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第２軸まわりに回転可能であり、３次元空間上に定められた測定点における被測定物までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物の測定対象点を測定点に位置付け、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、ステージを第１軸、第２軸、第３軸の少なくとも一方向に移動させ、第１軸まわりに回転させ、かつ測定部を第２軸まわりに回転させる制御部と、を備える、表面形状測定装置が提供される。また、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、ステージを第１軸まわりに回転させ、かつ測定部を第２軸まわりに回転させる制御部と、を備える、表面形状測定装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して、互いに直交する第１軸、第２軸、第３軸の方向に移動可能であり、第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第２軸まわりに回転可能であり、３次元空間上に定められた測定点における被測定物までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、を備え、第２軸は、被測定物の測定点を通るように配置される、表面形状測定装置が提供される。また、被測定物の表面形状を測定する装置であって、被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、ステージに対向して配置され、第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、を備え、第２軸は、被測定物の測定点を通るように配置される、表面形状測定装置が提供される。

本発明の第３態様によれば、被測定物の表面形状を測定する方法であって、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持して互いに直交する第１軸、第２軸、第３軸の方向に移動可能なステージを、第１軸、第２軸、第３軸の少なくとも一方向に移動させ、第１軸まわりに回転させることと、ステージに対向して配置されて、３次元空間上に定められた測定点における被測定物までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、被測定物の測定対象点を測定点に位置付け、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第２軸まわりに回転させることと、を含む、表面形状測定方法が提供される。また、被測定物の表面形状を測定する方法であって、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させることと、ステージに対向して配置されて、被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第１軸に直交する第２軸まわりに回転させることと、を含む、表面形状測定方法が提供される。

本発明の第４態様によれば、構造物の形状に関する基準形状データを作製する設計装置と、基準形状データに基づいて構造物を成形する成形装置と、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定装置と、表面形状測定装置によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較する検査装置と、を含む、構造物製造システムが提供される。また、構造物の形状に関する基準形状データを作製する設計装置と、基準形状データに基づいて構造物を成形する成形装置と、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定装置と、表面形状測定装置によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較する検査装置と、を含む、構造物製造システムが提供される。

本発明の第５態様によれば、構造物の形状に関する基準形状データを作製することと、基準形状データに基づいて構造物を成形することと、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定方法と、表面形状測定方法によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較することと、を含む、構造物製造方法が提供される。また、構造物の形状に関する基準形状データを作製することと、基準形状データに基づいて構造物を成形することと、成形された構造物の表面形状を測定する上記の表面形状測定方法と、表面形状測定方法によって得られた構造物の表面形状に関する測定データと基準形状データとを比較することと、を含む、構造物製造方法が提供される。

本発明の第６態様によれば、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に含まれるコンピュータに、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持して互いに直交する第１軸、第２軸、第３軸の方向に移動可能なステージを、第１軸、第２軸、第３軸の少なくとも一方向に移動させ、第１軸まわりに回転させる処理と、ステージに対向して配置されて、３次元空間上に定められた測定点における被測定物までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、被測定物の測定対象点を測定点に位置付け、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第２軸まわりに回転させる処理と、を実行させる、表面形状測定プログラムが提供される。また、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に含まれるコンピュータに、予め取得した被測定物の基準形状データに基づいて、被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させる処理と、ステージに対向して配置されて被測定物の測定点までの距離、及び／又は、測定点での被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、測定点において被測定物の基準形状の接平面に対して測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、第１軸に直交する第２軸まわりに回転させる処理と、を実行させる、表面形状測定プログラムが提供される。

Claims (23)

1. 被測定物の表面形状を測定する装置であって、
   前記被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、
   前記ステージに対向して配置され、前記第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、前記被測定物の測定点までの距離、及び／又は、前記測定点での前記被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、
   予め取得した前記被測定物の基準形状データに基づいて、前記測定点において前記被測定物の基準形状の接平面に対して前記測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、前記ステージを前記第１軸まわりに回転させ、かつ前記測定部を前記第２軸まわりに回転させる制御部と、を備える、表面形状測定装置。
2. 前記測定部は、前記被測定物に照射光を照射する照射部と、前記被測定物からの反射光を検出する検出部とを有し、
   前記照射部と前記検出部は、前記基準軸との相対角度が定められて設けられる、請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記基準軸は、前記照射光の光軸と前記反射光の光軸との対称軸である、請求項２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記測定部は、前記第２軸まわりに回転する第２軸回転ステージに設けられる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
5. 前記測定部は、前記第２軸から離れて前記第２軸回転ステージに設けられる、請求項４に記載の表面形状測定装置。
6. 前記第２軸回転ステージは、前記第２軸が前記測定点を通る状態で配置される、請求項４又は請求項５に記載の表面形状測定装置。
7. 前記測定部は、前記第２軸回転ステージから前記第２軸の方向に延びる腕部の先端部分に取り付けられる、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
8. 前記ステージは、前記第１軸に垂直な第１平面に沿った方向への移動、及び前記第１軸方向への移動が可能である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
9. 前記ステージは、前記被測定物の傾きを調整するチルト調整機構を備える、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
10. 前記ステージの前記第１軸に垂直な第１平面に対する傾きを検出する傾き検出部を備える、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
11. 前記ステージの前記第１平面に沿った方向における移動位置、及び／又は、前記第１軸まわりの回転位置を検出する位置検出部を備える、請求項１０に記載の表面形状測定装置。
12. 前記位置検出部は、前記ステージに設けられた反射鏡に向けて検出光を照射し、前記反射鏡で反射した前記検出光を用いて前記移動位置及び／又は前記回転位置を検出する、請求項１１に記載の表面形状測定装置。
13. 前記位置検出部は、前記測定点を含む前記第１平面内を前記検出光の光軸が通るように配置される、請求項１２に記載の表面形状測定装置。
14. 前記基準形状データと、前記測定部による検出結果とに基づいて、前記被測定物の表面形状を算出する演算部を備える、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
15. 前記制御部は、前記第２軸まわりの回転のみの１自由度で前記測定部を回転させる、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
16. 前記制御部は、前記測定部の基準軸が前記接平面に対して直交するように、前記ステージの回転及び移動、並びに前記測定部の回転を制御する、請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
17. 前記制御部は、予め定められた測定ラインに沿って設けられた、前記被測定物の表面上の複数の測定対象点を前記測定点に順次、位置付けるように前記ステージの回転及び移動を制御する、請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。
18. 被測定物の表面形状を測定する装置であって、
    前記被測定物を支持して第１軸まわりに回転可能なステージと、
    前記ステージに対向して配置され、前記第１軸に直交する第２軸まわりに回転可能であり、前記被測定物の測定点までの距離、及び／又は、前記測定点での前記被測定物の表面の傾きを検出する測定部と、を備え、
    前記第２軸は、前記被測定物の前記測定点を通るように配置される、表面形状測定装置。
19. 前記測定部は、前記第１軸まわり及び前記第２軸まわりにそれぞれ回転可能である、請求項１８に記載の表面形状測定装置。
20. 被測定物の表面形状を測定する方法であって、
    予め取得した前記被測定物の基準形状データに基づいて、
    前記被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させることと、
    前記ステージに対向して配置されて、前記被測定物の測定点までの距離、及び／又は、前記測定点での前記被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、前記測定点において前記被測定物の基準形状の接平面に対して前記測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、前記第１軸に直交する第２軸まわりに回転させることと、を含む、表面形状測定方法。
21. 構造物の形状に関する基準形状データを作製する設計装置と、
    前記基準形状データに基づいて前記構造物を成形する成形装置と、
    成形された前記構造物の表面形状を測定する請求項１から請求項１９のいずれか一項に記載の表面形状測定装置と、
    前記表面形状測定装置によって得られた前記構造物の表面形状に関する測定データと前記基準形状データとを比較する検査装置と、を含む、構造物製造システム。
22. 構造物の形状に関する基準形状データを作製することと、
    前記基準形状データに基づいて前記構造物を成形することと、
    成形された前記構造物の表面形状を測定する請求項２０に記載の表面形状測定方法と、
    前記表面形状測定方法によって得られた前記構造物の表面形状に関する測定データと前記基準形状データとを比較することと、を含む、構造物製造方法。
23. 被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に含まれるコンピュータに、
    予め取得した前記被測定物の基準形状データに基づいて、
    前記被測定物を支持するステージを、第１軸まわりに回転させる処理と、
    前記ステージに対向して配置されて、前記被測定物の測定点までの距離及び／又は前記測定点での前記被測定物の表面の傾きを検出する測定部を、前記測定点において前記被測定物の基準形状の接平面に対して前記測定部の基準軸が予め定められた角度となるように、前記第１軸に直交する第２軸まわりに回転させる処理と、を実行させる、表面形状測定プログラム。
    

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