(57)【要約】【課題】被検体の表面形状を短時間で精度よく測定することができるようにする。【解決手段】互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度可変ミラー１０，１１の反射によって、傾斜センサ７から出射された光線束８を被検体５に照射する一方、その被検体５に反射された光線束８の反射光を傾斜センサ７に戻すプローブ９を備え、並進ステージ１４がプローブ９を１軸方向に走査したのち、傾斜センサ７がプローブ９により戻された光線束８の反射光を検出することで、被検体５における直径方向の各走査点での傾きを測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の形状が測定される被検体を回転自在に保持する被検体保持手段と、
光線を出射する一方、上記光線の反射光を検出することで、上記被検体保持手段により保持されている被検体の傾きを測定する傾斜センサと、
互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組のミラーの反射によって、上記傾斜センサから出射された光線を上記被検体に照射する一方、上記被検体に反射された上記光線の反射光を上記傾斜センサに戻す第１のプローブと、
上記第１のプローブを１軸方向に走査する並進ステージとを備え、
上記傾斜センサの光軸及び上記並進ステージによる上記第１のプローブの走査方向が、上記被検体保持手段により保持されている被検体の直径方向と平行に配置され、かつ、上記被検体保持手段の回転中心を通る回転軸と直交している
ことを特徴とする面形状測定装置。
【請求項２】
第１のプローブにおける２枚一組のミラーのうち、少なくとも一方のミラーは、角度が変えられるミラーであることを特徴とする請求項１記載の面形状測定装置。
【請求項３】
被検体保持手段及び参照鏡が配置されている除震台と、
互いの鏡面のなす角が固定されて配置されている２枚一組のミラーの反射によって、傾斜センサから出射された光線を上記参照鏡に照射する一方、上記参照鏡に反射された上記光線の反射光を上記傾斜センサに戻す第２のプローブと
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の面形状測定装置。
【請求項４】
第２のプローブにおける２枚一組のミラーの鏡面のなす角が４５度に固定されていることを特徴とする請求項３記載の面形状測定装置。
【請求項５】
互いの鏡面のなす角が４５度に固定されて配置されている２枚一組のミラーの反射によって、傾斜センサの光軸を９０度折り曲げる第３のプローブを備え、
上記傾斜センサが除震台上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の面形状測定装置。
【請求項６】
互いの鏡面のなす角が４５度に固定されて配置されている２枚一組のミラーの反射によって、傾斜センサの光軸を更に９０度折り曲げる第４のプローブと、
並進ステージによる第１のプローブの走査方向と平行な方向に上記第４のプローブを走査する第２の並進ステージと
を備えたことを特徴とする請求項５記載の面形状測定装置。
【請求項７】
第２のプローブ、第３のプローブ又は第４のプローブは、２枚一組のミラーではなく、ペンタプリズムで構成されていることを特徴とする請求項６記載の面形状測定装置。
【請求項８】
傾斜センサから出射された光線の光路長を測定する光測距センサと、
上記光測距センサにより測定された光路長が一定になるように、第３及び第４のプローブの位置を調整する制御部と
を備えたことを特徴とする請求項６記載の面形状測定装置。
【請求項９】
請求項１記載の面形状測定装置に適用される面形状測定方法おいて、
並進ステージが第１のプローブを１軸方向に走査する走査ステップと、
上記走査ステップで上記第１のプローブが走査されたのち、傾斜センサが光線を出射して、上記第１のプローブにより戻された上記光線の反射光を検出することで、被検体保持手段により保持されている被検体の傾きを測定する傾き測定ステップと、
上記傾き測定ステップで測定された傾きを積分して、上記被検体の表面の形状を求める表面形状ステップと
を備えていることを特徴とする面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被検体の表面の形状を測定する面形状測定装置及び面形状測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検体の表面の形状（凹凸等を含む表面形状）を測定する面形状測定方法として、被検体の表面に接触して表面形状を測定する接触式と、被検体の表面に接触しないで表面形状を測定する非接触式とがある。
非接触式の利点は、表面形状の測定時に、被検体の表面に傷をつけない点にあり、特に、被検体が鏡やレンズの場合に有用である。非接触式で測定する場合には、例えば、干渉計などの光センサが用いられる。
【０００３】
ただし、干渉計などの光センサを用いて、被検体の表面形状を測定する場合、基準となる平面との差を干渉縞として得ることから、被検体が大型になる程、基準となる平面も大型化しなければならない問題がある。
この場合、光学センサは、被検体と同等の大きさの大口径レンズ等を実装している必要がある。
ここで、大型の基準平面や大口径レンズは、自重で変形することが想定されるし、コスト高になることが想定される。そもそも大型の基準平面や大口径レンズを精度良く作ることは困難である。
【０００４】
そこで、被検体より小さなペンタプリズム経由で、口径が小さい光線束を被検体に照明することで、角度センサによって被照面の角度を測定し、そのペンタプリズムを走査させることで、被検体の全面の表面形状を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２２０３０号公報（段落番号［００１０］から［００２１］、図１）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「局部傾斜角測定を利用した高精度絶対形状測定装置の開発」、第73回応用物理学会学術講演会  講演予稿集 13a-PA1-12（2012年秋）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の面形状測定方法は以上のように構成されているので、ペンタプリズム内の光の屈折率分布の違いによる角度ずれ、ペンタプリズムと光線束のなす角の違いによる被検体の照射面の並進位置ずれ、ハーフミラー内の光の屈折率分布の違いによる角度ずれ、大気の温度や気圧に依存する光の屈折率分布の違いによる角度ずれなどが発生して、被検体の表面形状を精度よく測定することができない課題があった。
また、小さな光線束による走査（線状の測定）のため、被検体の全面の走査が完了するまでに多くの時間を要する課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、被検体の表面形状を短時間で精度よく測定することができる面形状測定装置及び面形状測定方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る面形状測定装置は、表面の形状が測定される被検体を回転自在に保持する被検体保持手段と、光線を出射する一方、その光線の反射光を検出することで、被検体保持手段により保持されている被検体の傾きを測定する傾斜センサと、互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組のミラーの反射によって、傾斜センサから出射された光線を被検体に照射する一方、その被検体に反射された光線の反射光を傾斜センサに戻す第１のプローブと、第１のプローブを１軸方向に走査する並進ステージとを備え、傾斜センサの光軸及び並進ステージによる第１のプローブの走査方向が、被検体保持手段により保持されている被検体の直径方向と平行に配置され、かつ、被検体保持手段の回転中心を通る回転軸と直交しているようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組のミラーの反射によって、傾斜センサから出射された光線を被検体に照射する一方、その被検体に反射された光線の反射光を傾斜センサに戻す第１のプローブを備え、並進ステージが第１のプローブを１軸方向に走査したのち、傾斜センサが第１のプローブにより戻された光線の反射光を検出することで、被検体の傾きを測定するように構成したので、被検体の表面形状を短時間で精度よく測定することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による面形状測定装置を示す斜視図である。
【図２】プローブ９が並進ステージ１４上で走査されて、プローブ９が被検体５の一方の端（図中、右端）を測定する様子を示す説明図である。
【図３】プローブ９が並進ステージ１４上で走査されて、プローブ９が被検体５の他方の端（図中、左端）を測定する様子を示す説明図である。
【図４】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ１６が配置されている様子を示す説明図である。
【図５】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ９が配置されている様子を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２による面形状測定装置を示す斜視図である。
【図７】被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示す説明図である。
【図８】被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示す説明図である。
【図９】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ１６が配置され、傾斜センサ７の直上にくるようにプローブ３０が配置されている様子を示す説明図である。
【図１０】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ９が配置されている様子を示す説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態３による面形状測定装置を示す斜視図である。
【図１２】被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示す説明図である。
【図１３】被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示す説明図である。
【図１４】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ１６が配置され、プローブ４０の直上にくるようにプローブ３０が配置されている様子を示す説明図である。
【図１５】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ９が配置されている様子を示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態４による面形状測定装置を示す斜視図である。
【図１７】被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示す説明図である。
【図１８】被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示す説明図である。
【図１９】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ１６が配置されている様子を示す説明図である。
【図２０】参照鏡１５の直上にくるようにプローブ１６が配置され、プローブ１６の直下にくるようにプローブ５０が配置されている様子を示す説明図である。
【図２１】重力方向に対して、被検体５が並行に配置されている面形状測定装置を示す斜視図である。
【図２２】角度固定ミラー１７，１８によって傾斜センサ７から出射された光線束８が９０度折り曲げられている様子を示す説明図である。
【図２３】光線束８がθ−２θの関係で曲げられている様子を示す説明図である。
【図２４】被検体５の各々の位置毎の傾きの測定例を示す説明図である。
【図２５】各々の位置毎の傾きの測定結果が積分されて求められた被検体５の表面形状の一例を示す説明図である。
【図２６】光線束８の並進移動の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による面形状測定装置を示す斜視図である。
図１において、除振台１は各種の部材を載せている台であり、各種の部材に対する外部からの振動を低減させている。
回転ステージ２は除振台１の上に回転自在に配置されている部材である。
試料台４は回転ステージ２の上に配置されており、表面の形状が測定される被検体５を保持している。
なお、回転ステージ２及び試料台４から被検体保持手段が構成されている。
【００１３】
回転ステージ２は試料台４を回転させることで、被検体５を回転させるものであり、図１の例では、被検体５は回転中心を有しており、表面形状が回転対称な幾何学が成立するものを想定している（例えば、表面が回転放物面、回転双曲面、球面であるなど、回転中心を持つ凹面を想定している）が、表面が平面で円形（例えば、半導体用のシリコン基板）のようなものであってもよいし、形状が矩形（例えば、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板）のようなものであってもよい。また、例えば、放射光設備用途の集光ミラーのように、表面が回転放物面であって外形が矩形であってもよいし、表面形状から求まる回転中心が被検体の外側にあってもよい。
図１の例では、被検体５の中央に回転軸があり、回転ステージ２の回転軸３と被検体５の回転軸が概ね揃えられている配置を想定しているが、これは調整作業の手間を減らすためであり、必ずしも回転軸を揃えている必要はない。
【００１４】
センサ支持台６は除振台１の上に配置されており、傾斜センサ７を支持している台である。
傾斜センサ７は光線束８を出射する光照射部（図示せず）と、その光線束８の反射光を検出する光検出部（図示せず）とを備えており、その光検出部が光線束８の反射光を検出することで、試料台４により保持されている被検体５の傾きを測定する。
なお、傾斜センサ７としては、例えば、干渉計、シャック・ハルトマンセンサーのような波面センサ、オートコリメータなどが想定される。
【００１５】
第１のプローブであるプローブ９は互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度可変ミラー１０，１１と、傾斜センサ７から出射された光線束８を被検体５等に照射する位置や、照射する大きさを調整する可動絞り１２とから構成されており、２枚一組の角度可変ミラー１０，１１の反射によって、傾斜センサ７から出射された光線束８を被検体５等に照射する一方、その被検体５等に反射された光線束８の反射光を傾斜センサ７に戻す部材である。
図１の例では、傾斜センサ７から見て、先に光線束８が当たるミラーが角度可変ミラー１０であり、次に光線束８が当たるミラーが角度可変ミラー１１である。なお、２枚一組の角度可変ミラー１０，１１のうち少なくとも一方は、回転ステージＡ，Ｂの上に配置され、制御部２１のステージ操作によって角度可変ミラーの角度が調整される。
【００１６】
ステージ支持部１３は除振台１の上に配置されており、並進ステージ１４を支持している部材である。
並進ステージ１４はステージ支持部１３により支持されており、プローブ９を１軸方向に走査する走査ステージである。
図１の例では、傾斜センサ７の光軸及び並進ステージ１４によるプローブ９の走査方向が、試料台４により保持されている被検体５の直径方向と平行に配置され、かつ、回転ステージ２の回転軸３と直交している。
【００１７】
参照鏡１５は傾斜センサ７や被検体５のドリフトを確認するための基準の鏡（例えば、平面鏡）であり、除振台１の上に配置されている。
第２のプローブであるプローブ１６は互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度固定ミラー１７，１８と、傾斜センサ７から出射された光線束８を参照鏡１５に照射する位置や、照射する大きさを調整する可動絞り１９とから構成されており、２枚一組の角度固定ミラー１７，１８の反射によって、傾斜センサ７から出射された光線束８を参照鏡１５に照射する一方、その参照鏡１５に反射された光線束８の反射光を傾斜センサ７に戻す部材である。
プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８は、プローブ９の角度可変ミラー１０，１１と異なり、角度が事前に所定の値に調整されており、可変することができないものとする（図１の例では、角度固定ミラー１７，１８のなす角が４５度に固定されている）。
図１の例では、傾斜センサ７から見て、先に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー１７であり、次に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー１８であるものとする。
【００１８】
筐体２０は大気の温度変化や、気圧変化の影響を低減させるために、面形状測定装置の光学系の全体を収納している箱である。
制御部２１は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、並進ステージ１４によるプローブ９，１６の位置や傾斜センサ７のデータ取得等を制御する部材である。
【００１９】
次に動作について説明する。
まず、除振台１の上に配置されている回転ステージ２の試料台４に対して被検体５を配置する。
このとき、被検体５の表面形状の幾何学に依存するが、被検体５が回転対称形であって、回転中心を持つ場合には、被検体５の回転中心を回転ステージ２の回転軸３に合わせておくと、後で傾斜センサ７の角度を調整する際の手間が低減されるメリットがある。また、参照鏡１５についても除振台１の上の所定の位置に配置する。
【００２０】
次に、図４に示すように、プローブ１６が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ１６を走査する。
プローブ１６における角度固定ミラー１７，１８のなす角については、事前に所定の値になるように調整されている。
この実施の形態１では、なす角が４５度である例を説明するが、必ずしも、４５度でなくてもよく、既知の値であればよい。
【００２１】
次に、傾斜センサ７を除震台１の上に配置されているセンサ支持台６に配置し、プローブ１６を通して参照鏡１５を見ることで、傾斜センサ７の傾きを調整する。
プローブ１６における角度固定ミラー１７，１８のなす角が４５度の場合、傾斜センサ７から出射された光線束８は、角度固定ミラー１７，１８によって、９０度折り曲げられる。
図２２は角度固定ミラー１７，１８によって傾斜センサ７から出射された光線束８が９０度折り曲げられている様子を示す説明図である。
即ち、角度固定ミラー１７の角度をφA、角度固定ミラー１８の角度をφB、角度固定ミラー１７，１８のなす角をτ＝（φA−φB）とすると、傾斜センサ７から出射された光線束８は、角度固定ミラー１７，１８によって、Δθ＝２（π−τ）だけ折り曲げられる。
つまり、傾斜センサ７から出射された光線束８は、角度固定ミラー１７，１８のなす角τの２倍折り曲げられるので、角度固定ミラー１７，１８のなす角τが４５度であれば、光線束８が９０度折り曲げられる。
【００２２】
これにより、傾斜センサ７から出射された光線束８は、プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８によって９０度折り曲げられることで参照鏡１５に照射され、その参照鏡１５に反射された光線束８の反射光は、プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８によって９０度折り曲げられることで傾斜センサ７に戻るため、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができる。
なお、プローブ１６における可動絞り１９の位置を調整することで、測定する参照鏡１５上の位置を調整し、また、可動絞り１９の開口の大きさを調整することで、測定する参照鏡１５上の面の大きさを調整することができる。つまり、傾斜センサ７で測定可能な領域の大きさを制御することができる。
【００２３】
次に、図５に示すように、プローブ９が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ９を走査する。
プローブ９の角度可変ミラー１０，１１は角度を調整することができる。この実施の形態１では、角度可変ミラー１０，１１のなす角が４５度に調整されているものとする。
この場合、プローブ９の角度可変ミラー１０，１１は、プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８と同じ角度設定になるため、傾斜センサ７から出射された光線束８は、プローブ９の角度可変ミラー１０，１１によって、９０度折り曲げられる。
【００２４】
これにより、傾斜センサ７から出射された光線束８は、プローブ９の角度可変ミラー１０，１１によって９０度折り曲げられることで参照鏡１５に照射され、その参照鏡１５に反射された光線束８の反射光は、プローブ９の角度可変ミラー１０，１１によって９０度折り曲げられることで傾斜センサ７に戻るため、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができる。
実際には、既に、プローブ１６によって、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きが測定されているため、プローブ９を用いた測定処理は、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１の初期角度の調整処理に相当する。
【００２５】
なお、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角は、必ずしも、角度固定ミラー１７と角度固定ミラー１８のなす角と同じ（この例では、４５度）でなくてもよいが、値が既知であるとよい。即ち、事前に所定の値に調整されていれば、既知である角度固定ミラー１７と角度固定ミラー１８のなす角を参照することで差分を測定することができる。
また、プローブ９における可動絞り１２の位置を調整することで、測定する参照鏡１５上の位置を調整し、また、可動絞り１２の開口の大きさを調整することで、測定する参照鏡１５上の面の大きさを調整することができる。つまり、傾斜センサ７で測定可能な領域の大きさを制御することができる。
【００２６】
次に、図１に示すように、プローブ９が被検体５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ９を走査する。
このとき、プローブ９が回転ステージ２の回転軸３上を通るように配置すると、並進ステージ１４によるプローブ９の走査で、被検体５の直径を走査することが可能になる。
実際には、被検体５の幾何形状が回転対称形でなくてもよく、例えば、矩形の形状である場合、被検体５の対角中心を回転軸３上に配置するなどすればよい。
【００２７】
プローブ９が回転ステージ２の回転軸３上を通るように配置されているとき、傾斜センサ７から光線束８を出射すれば、被検体５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができるが、既に、傾斜センサ７は、参照鏡１５との相対傾きが調整されているので、傾斜センサ７の測定値は、プローブ９の走査に伴う傾き誤差と、被検体５と参照鏡１５の相対傾きとなる。
【００２８】
ここで、プローブ９の走査に伴う傾き誤差について説明する。
この実施の形態１では、傾斜センサ７により傾きを測定するため、走査に伴う上下動等の並進誤差はそもそも測定することができない。測定に影響する要素は、走査に伴う傾き誤差となる。
しかし、既に、図２２の模式図で説明したように、光線束８の折曲げはΔθ＝２（π−τ）で表され、角度可変ミラー１０，１１のなす角τ＝（φA−φB）のみに依存する。
角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１の相対傾きが走査で変わらないように、角度可変ミラー１０，１１の回転機構が固定されていれば、プローブ９の全体が走査で傾いても、光線束８の折曲げには寄与しない。即ち、プローブ９の走査に伴う傾き誤差が発生しないメリットがある。
【００２９】
ただし、光線束８の並進移動は存在する。図２６は光線束８の並進移動の一例を示す説明図である。
図２６は、光線束８と、角度可変ミラー１０，１１と、可動絞り１２との幾何学的な関係を示しており、簡単な例として、走査に伴うプローブ９の上下動によって、光線Ｉ（一点鎖線）と、光線ＩＩ（点線）のように、入射位置が上下に変わるとすると、それに伴って出射位置が並進方向で変わることが分かる。
この場合、そのままでは並進誤差となるため、走査するプローブ９上に可動絞り１２を配置し、可動絞り１２で位置調整を行うことで、被検体５及び参照鏡１５上の位置を制御することができる。なお、図２６では、上下動の例を示しているが、プローブ９の走査に伴う傾き誤差でも同様に、光線束の位置がずれることは言うまでもない。
【００３０】
プローブ９の走査に伴う傾き誤差は本質的に存在しない。仮に傾き誤差が存在しても、その誤差は僅かであるため、傾斜センサ７の測定値は、被検体５と参照鏡１５の相対傾きとなる。
被検体５を保持する試料台４は特に図示していないが、並進調整機構や傾き調整機構を持っており、被検体５の位置や傾きを調整することができる。
必ずしも、被検体５と参照鏡１５の相対傾きを揃えておく必要はないが、値を知っておくことで、傾斜センサ７や被検体５のドリフトを確認することができる。
図１の例では、参照鏡１５の配置は、被検体５を中心とする傾斜センサ７の反対側としているが、これに限定されることはなく、例えば、傾斜センサ７の直下や、傾斜センサ７と被検体５の間などでもよい。
【００３１】
プローブ９を並進ステージ１４上で走査することで、プローブ９の異なる位置（異なる光線束８の照射位置）毎に、被検体５の傾きを測定する。
この実施の形態１では、被検体５の表面を、回転中心を持つ凹面として図示しているため、図１に示すように、被検体５の回転中心では、傾斜センサ７の光線束８が上側から被検体５に照射されて、被検体５から上方に反射される。
必ずしも、除振台１に配置されている参照鏡１５の法線が鉛直上向きとは限らないこと、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角が、必ずしも、角度固定ミラー１７と角度固定ミラー１８のなす角と同じである必要がないこと、被検体５と参照鏡１５の相対傾きを必ずしも揃える必要がない（ずれている）ことを考慮すると、被検体５と傾斜センサ７は必ずしも直交しないため、被検体５は傾斜センサ７から傾いて観測される。
事前に調整しておくと、この傾きは小さくすることができるが、傾斜センサ７の視野より小さければ（観測されないくらい大きくずれなければ）、特に問題にはならない。
【００３２】
ここでは、説明の簡単のため、事前に参照鏡１５が鉛直上向きに調整され、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角が、角度固定ミラー１７と角度固定ミラー１８のなす角と同じ４５度に調整され、被検体５（の中心）と参照鏡１５の相対傾きが揃えられているとすると、図１のように、鉛直上から被検体５に照射される光線束８は、被検体５で鉛直上に反射されて傾斜センサ７に戻るため、傾斜センサ７で相対傾きを得ることができる。
傾斜センサ７で得られる相対傾きは、並進ステージ１４上のプローブ９の位置、より具体的には、プローブ９の可動絞り１２の位置に対応する傾きとなる。
なお、並進ステージ１４上のプローブ９の位置、可動絞り１２の位置、可動絞り１２の開口の大きさ、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角等の値は、制御部２１で調整可能であり、また、これらの値や傾斜センサ７の測定値は、制御部２１で記録可能である。
【００３３】
次に、被検体５の端の測定例について説明する。
図２はプローブ９が並進ステージ１４上で走査されて、プローブ９が被検体５の一方の端（図中、右端）を測定する様子を示す説明図である。
この実施の形態１では、被検体５の表面を回転中心を持つ凹面として図示しているため、傾斜センサ７から出射された光線束８がプローブ９を経由して、鉛直上向きから被検体５に照射させると、光線束８は、図２３に示すように、θ−２θの関係で曲げられることから、光線束８は回転中心方向に折り曲げられ、プローブ９の方向には戻らない。
【００３４】
そこで、プローブ９における角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角を調整し、被検体５に反射された光線束８の反射光がプローブ９の方向に戻るようにする。具体的には、可動絞り１２で照明される被検体５の測定領域の局所的な法線と入射光束の向きを揃えるようにする。
これにより、プローブ９から被検体５に照射された光線束８は、被検体５で反射されて、再度、プローブ９に入射されるため、傾斜センサ７で受光されるようになる。
当然のことながら、このときの角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角τを制御部２１で調整や記録が可能であるため、光線束８の折曲げの関係式Δθ＝２（π−τ）によって、被検体５と傾斜センサ７の相対傾きを求めることができる。
【００３５】
この実施の形態１では、角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１の角度を調整できるものとして説明しているが、一方の角度可変ミラーだけが角度を調整できるものであってもよい。
また、この実施の形態１では、被検体５の表面を回転中心を持つ凹面として図示しているが、この場合、あまり広い領域を測定すると、光線束８が集光したり、光線束８が発散したりする問題がある。この場合、可動絞り１２の開口を制御することで、この問題を回避することができる。
【００３６】
次に、被検体５の反対側の端の測定例について説明する。
図３はプローブ９が並進ステージ１４上で走査されて、プローブ９が被検体５の他方の端（図中、左端）を測定する様子を示す説明図である。
この実施の形態１では、被検体５の表面を回転中心を持つ凹面として図示しているため、傾斜センサ７から出射された光線束８がプローブ９を経由して、鉛直上向きから被検体５に照射させると、光線束８は、図２３に示すように、θ−２θの関係で曲げられることから、光線束８は回転中心方向に折り曲げられ、プローブ９の方向には戻らない。
【００３７】
そこで、プローブ９における角度可変ミラー１０と角度可変ミラー１１のなす角を調整し、被検体５に反射された光線束８の反射光がプローブ９の方向に戻るようにする。具体的には、可動絞り１２で照明される被検体５の測定領域の局所的な法線と入射光束の向きを揃えるようにする。
これにより、プローブ９から被検体５に照射された光線束８は、被検体５で反射されて、再度、プローブ９に入射されるため、傾斜センサ７で受光されるようになる。
【００３８】
ここまでの例で示すように、被検体５における傾斜センサ７の側端から、中心を経由し、反対側の端まで、被検体５の傾斜センサ７からの相対傾きを求めることができるので、この傾きを積分することで、積分定数の不定性を除いて、被検体５の表面の形状を求めることができる。
図２４は被検体５の各々の位置毎の傾きの測定例を示す説明図であり、図２５は各々の位置毎の傾きの測定結果が積分されて求められた被検体５の表面形状の一例を示す説明図である。
ただし、積分定数や平均の傾きは取り除いている。
【００３９】
この実施の形態１では、回転ステージ２を回転させることで、試料台４に保持されている被検体５を回転させることができる。
このように、回転ステージ２と並進ステージ１４を組み合わせると、被検体５の別の位置を測定することができるようになる。
特に、被検体５の表面が回転中心を持つとき、傾斜センサ７から出射される光線束８の位置が被検体５の直径上でない場合、被検体５により斜めに反射され易いことから、被検体５の直径を通るように、並進ステージ１４を配置すると、光線束８が動径方向に反射されて測定し易くなるメリットがある。
なお、被検体５の形状が矩形等の場合、直交させた並進ステージを２台組み合わせる方法でもよいことは言うまでもない。
【００４０】
ここで、大気の屈折率は、温度、気圧、湿度等に依存することから、これらの空間分布や時間変化に伴う変動がある。傾斜センサ７から出射される光線束８は、大気中を伝搬することから、この屈折率の変動の影響を受ける。
大気の屈折率は波長にも依るが、波長０．５μｍでは、１Ｋの温度変化で１Ｅ−６程度変化する。角度1Ｅ−６［ｒａｄｉａｎｓ］は秒角（１度の１/６０の更に１/６０）で表わすと、０．２秒角（ａｒｃｓｅｃ）であり、高精度な測定には、屈折率変動はオーダとして無視することができない。
実際、図２４の測定例においても、大気の屈折率変動が問題となり得るオーダの測定となっている。
【００４１】
この実施の形態１では、大気の温度変化、気圧変化の影響を低減させるために、面形状測定装置の光学系の全体を筺体２０で覆っているため、大気の屈折率変動を小さく抑えることができる。
具体的には、筺体２０は、熱伝導率が小さいポリエチレンフォーム、ポリスチレンフォーム、グラスウール、真空断熱層などの断熱材で構成される。もちろん、筺体２０の内部の大気を抜いて真空にすると、この問題が解決することは言うまでもないが、システムとして大がかりになるため、現実的ではない。
【００４２】
この実施の形態1では、重力が紙面の上方から下方に働くように想定して図示している（被検体５（の表面）が重力でたわむ（変形する）ことを想定している）が、図２１に示すように、重力方向（紙面の上方から下方）に対して、被検体５が並行に配置されていてもよいことは言うまでもない。この場合、被検体５の表面の重力による変形の影響が受け難くなるメリットがある。
【００４３】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度可変ミラー１０，１１の反射によって、傾斜センサ７から出射された光線束８を被検体５に照射する一方、その被検体５に反射された光線束８の反射光を傾斜センサ７に戻すプローブ９を備え、並進ステージ１４がプローブ９を１軸方向に走査したのち、傾斜センサ７がプローブ９により戻された光線束８の反射光を検出することで、被検体５における直径方向の各走査点での傾きを測定するように構成したので、被検体５の表面形状を短時間で精度よく測定することができる効果を奏する。
【００４４】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による面形状測定装置を示す斜視図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第３のプローブであるプローブ３０は互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度固定ミラー３１，３２から構成されており、２枚一組の角度固定ミラー３１，３２の反射によって、傾斜センサ７の光軸を仮想的に９０度折り曲げる部材である。
プローブ３０の角度固定ミラー３１，３２は、プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８と同様に、角度が事前に所定の値に調整されており、可変することができないものとする（図６の例では、角度固定ミラー３１，３２のなす角が４５度に固定されている）。
【００４５】
図６の例では、傾斜センサ７から見て、先に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー３１であり、次に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー３２であるものとする。
また、図６の例では、プローブ３０内に可動絞りが配置されていないが、迷光等のノイズ除去のために可動絞りが配置されていてもよい。
この実施の形態２では、プローブ３０が傾斜センサ７の光軸を仮想的に９０度折り曲げる点と、傾斜センサ７が除震台１の上に配置されている点で、上記実施の形態１と相違している。
【００４６】
傾斜センサ７を除震台１上に配置し、プローブ３０が傾斜センサ７の光軸を９０度折り曲げるようにすることで、上記実施の形態１で使用されていたセンサ支持台６が不要になる。
上述したように、プローブ９の全体が傾いても、光線束８の折り曲げには寄与しないことから、プローブ３０が傾斜センサ７の上方で傾いても、光線束８の折り曲げには影響しない。
また、プローブ９の上下動で光線束８の並進位置ずれが発生するが、これも最終的にはプローブ９の可動絞り１２で位置調整が行われる。つまり、上下動や傾き等の外乱の影響を受け難いメリットがある。
【００４７】
また、傾斜センサ７を参照鏡１５が配置されている除振台１上に配置すると、除振台１は共通の土台であるため、外乱の影響を同様に受け易くなる。
この実施の形態２では、参照鏡１５の配置を傾斜センサ７と被検体５の間にしているが、これらを近くに配置することで、より外乱の影響を同様に受け易くなる。
例えば、土台となる除振台１が、温度による伸張等で傾かずに撓む（変形する）としても、同方向、同量となる。つまり、ドリフトなどの影響を受け難くなるメリットがある。
【００４８】
次に動作について説明する。ここでは、主に上記実施の形態１との違いについてのみ説明する。
まず、プローブ３０における角度固定ミラー３１，３２のなす角を事前に所定の値に調整する。
この実施の形態２では、なす角を４５度として説明するが、必ずしも４５度でなくても既知の値であればよい。
傾斜センサ７及び参照鏡１５についても除振台１上の所定の位置に配置する。
【００４９】
次に、図９に示すように、プローブ１６が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ１６を走査するとともに、プローブ３０が傾斜センサ７の直上にくるように配置する。
このとき当然ながら、傾斜センサ７から出射された光線束８が、プローブ３０とプローブ１６を経由して、参照鏡１５に到達するように、並進ステージ１４の位置を調整する。
なお、特に記述のないものは上記実施の形態１と同様である。これにより、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができる。
【００５０】
次に、図１０に示すように、プローブ９が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ９を走査する。
プローブ９を参照鏡１５の直上に配置することで、上記実施の形態１と同様に、プローブ９における角度可変ミラー１１，１２の初期角度の調整が可能になる。
その後、並進ステージ１４がプローブ９を１軸方向に走査することで、プローブ９の走査位置毎に、被検体５の傾きを測定する。
図６は被検体５の中心付近の測定例を示し、図７は被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示し、図８は被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示している。なお、特に記述のないものは上記実施の形態１と同様である。
【００５１】
以上より、被検体５の傾斜センサ７側端から、中心を経由して、反対側の端まで、被検体５の傾斜センサ７からの相対傾きを求めることができるので、上記実施の形態１と同様に、この傾きを積分することで、積分定数の不定性を除いて被検体５の表面の形状を求めることができる。
【００５２】
実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３による面形状測定装置を示す斜視図であり、図において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第４のプローブであるプローブ４０は互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度固定ミラー４１，４２から構成されており、２枚一組の角度固定ミラー４１，４２の反射によって、傾斜センサ７の光軸を仮想的に９０度折り曲げる部材である。
プローブ４０の角度固定ミラー４１，４２は、プローブ１６の角度固定ミラー１７，１８と同様に、角度が事前に所定の値に調整されており、可変することができないものとする（図１１の例では、角度固定ミラー４１，４２のなす角が４５度に固定されている）。
図１１の例では、傾斜センサ７から見て、先に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー４１であり、次に光線束８が当たるミラーが角度固定ミラー４２であるものとする。
また、図１１の例では、プローブ４０内に可動絞りが配置されていないが、迷光等のノイズ除去のために可動絞りが配置されていてもよい。
【００５３】
並進ステージ４３は並進ステージ１４によるプローブ９の走査方向と平行な方向に、プローブ４０を走査する第２の並進ステージである。
光測距センサ４４は傾斜センサ７から出射された光線束８の光路長を測定するセンサであり、例えば、レーザ光を使用して対象までの距離を測定するレーザ距離計などで構成される。
作図の都合上、光測距センサ４４を傾斜センサ７の横に配置して、光測距センサ４４の光路を黒実線で表しているが、光測距センサ４４の位置は、傾斜センサ７の横に限定されることはない。例えば、光測距センサ４４を傾斜センサ７の遠方に配置して、光測距センサ４４から光ファイバー（図示せず）などで信号光を傾斜センサ７の近くまで導き、ビームスプリッタ（図示せず）などで、傾斜センサ７の光路と合成するようにしてもよい。
なお、制御部２１は、上記実施の形態１，２と同様に、並進ステージ１４によるプローブ９，１６の位置や傾斜センサ７のデータ取得等を制御するほか、光測距センサ４４により測定された光路長が一定になるように、プローブ３０，４０の位置を制御する。
【００５４】
この実施の形態３では、傾斜センサ７と並進ステージ４３が除震台１の上に配置されている点と、プローブ３０及びプローブ４０が傾斜センサ７の光軸を仮想的に９０度折り曲げる点と、光測距センサ４４が配置されている点で、上記実施の形態１，２と相違している。
【００５５】
次に動作について説明する。ここでは、主に上記実施の形態２との違いについてのみ説明する。
まず、プローブ４０における角度固定ミラー４１，４２のなす角を事前に所定の値に調整する。
この実施の形態３では、なす角を４５度として説明するが、必ずしも４５度でなくても既知の値であればよい。
傾斜センサ７、光測距センサ４４及び参照鏡１５についても除振台１上の所定の位置に配置する。
【００５６】
次に、図１４に示すように、プローブ１６が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ１６を走査するとともに、プローブ３０がプローブ４０の直上にくるように、並進ステージ４３がプローブ４０を走査する。
プローブ４０は並進ステージ４３上を走査するが、このとき当然ながら、傾斜センサ７から出射された光線束８が、プローブ４０とプローブ３０とプローブ１６を経由して、参照鏡１５に到達するように、並進ステージ１４及び並進ステージ４３の位置を調整する。
なお、特に記述のないものは上記実施の形態２と同様である。これにより、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができる。
【００５７】
このとき、光測距センサ４４は、傾斜センサ７から出射された光線束８の光路長（傾斜センサ７から、プローブ４０，３０，１６を経由して、参照鏡１５に至るまでの距離）を測定する。
制御部２１は、以降、光測距センサ４４により測定された光線束８の光路長が一定に保たれるように、プローブ３０とプローブ４０の対を走査させる。
【００５８】
次に、図１５に示すように、プローブ９が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ９を走査する。
プローブ９を参照鏡１５の直上に配置することで、上記実施の形態１，２と同様に、プローブ９における角度可変ミラー１１，１２の初期角度の調整が可能になる。
なお、上記の配置は、プローブ１６の代わりに、プローブ９が配置されるため、光測距センサ４４により測定される光線束８の光路長は、プローブ４０とプローブ３０とプローブ９を経由することになる。
制御部２１は、その光路長が、図１４の状態で測定された光路長と一致するように、プローブ３０とプローブ４０の対を走査させる。
【００５９】
その後、並進ステージ１４がプローブ９を１軸方向に走査することで、プローブ９の走査位置毎に、被検体５の傾きを測定する。
図１１は被検体５の中心付近の測定例を示し、図１２は被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示し、図１３は被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示している。なお、特に記述のないものは上記実施の形態１，２と同様である。
上記の配置は、参照鏡１５の代わりに、被検体５が配置されるため、光測距センサ４４により測定される光線束８の光路長は、傾斜センサ７から、プローブ４０とプローブ３０とプローブ９を経由して、被検体５に至るまでの距離となる。
制御部２１は、その光路長が、図１４及び図１５の状態で測定された光路長と一致するように、プローブ３０とプローブ４０の対を走査させる。
【００６０】
以上より、被検体５の傾斜センサ７側端から、中心を経由して、反対側の端まで、被検体５の傾斜センサ７からの相対傾きを求めることができるので、上記実施の形態１，２と同様に、この傾きを積分することで、積分定数の不定性を除いて被検体５の表面の形状を求めることができる。
【００６１】
なお、傾斜センサ７から参照鏡１５までの距離、もしくは、傾斜センサ７から被検体５までの距離を一定に保つようにすると、傾斜センサ７において、距離に依存する測定が可能になる。
例えば、傾斜センサ７から参照鏡１５までの距離、もしくは、傾斜センサ７から被検体５までの距離を、被検体５の表面の凹面から、その曲率の中心までの距離と等しくすると、傾斜センサ７を被検体５の曲率中心にあたかも配置したのと等価な測定が可能になる。
被検体５の表面形状にも依存するが、傾斜センサ７のフォーカスを被検体５に合わせるように事前に調整し、被検体５の測定領域を可動絞り１２の開口によって制御することで、傾斜センサ７で傾斜の空間分布の測定が可能になる。
【００６２】
実施の形態４．
図１６はこの発明の実施の形態４による面形状測定装置を示す斜視図であり、図において、図１１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
プローブ５０は互いの鏡面が対向するように配置されている２枚一組の角度可変ミラー５１，５２と可動絞り５３から構成されており、２枚一組の角度可変ミラー５１，５２の反射によって、傾斜センサ７の光軸を仮想的に９０度折り曲げる部材である。
【００６３】
この実施の形態４では、２枚一組のミラーの角度が固定であるプローブ３０，４０の代わりに、２枚一組のミラーの角度が可変であるプローブ５０が配置されている点で、上記実施の形態３と相違している。
また、並進ステージ４３と傾斜センサ７が並進ステージ１４の上方に配置に配置されている点で、上記実施の形態３と相違している。
なお、この実施の形態４は、上記実施の形態１と上記実施の形態３の変形例に近い。
【００６４】
次に動作について説明する。ここでは、主に上記実施の形態３との違いについてのみ説明する。
まず、並進ステージ４３と傾斜センサ７を並進ステージ１４の上方の所定配置に配置する。
次に、図１９に示すように、プローブ１６が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ１６を走査する。
特に記述のないものは上記実施の形態３と同様である。これにより、参照鏡１５と傾斜センサ７の相対傾きを測定することができる。
【００６５】
次に、図２０に示すように、プローブ９が参照鏡１５の直上にくるように、並進ステージ１４がプローブ９を走査するとともに、プローブ５０がプローブ１６の直下にくるように、並進ステージ４３がプローブ１６を走査する。
このとき、プローブ９とプローブ５０は入れ替えても構わないが、参照鏡１５に近い方の可動絞り５３を使用し、他方は使用しないように絞りを移動する。もしくは開口を開いておくようにする。
当然ながら、傾斜センサ７から照射された光線束８が、プローブ１６とプローブ５０とプローブ９を経由して、参照鏡１５に到達するように、並進ステージ１４と並進ステージ４３上の位置を調整するとともに、プローブ５０の角度可変ミラー５１，５２のなす角及びプローブ９の角度可変ミラー１０，１１のなす角を調整する。
上記の動作によって、プローブ５０の角度可変ミラー５１，５２及びプローブ９の角度可変ミラー１０，１１の初期角度の調整が可能になる。
【００６６】
その後、並進ステージ１４がプローブ９を１軸方向に走査することで、プローブ９の走査位置毎に、被検体５の傾きを測定する。
図１６は被検体５の中心付近の測定例を示し、図１７は被検体５の一方の端（図中、右端）の測定例を示し、図１８は被検体５の他方の端（図中、左端）の測定例を示している。なお、特に記述のないものは上記実施の形態３と同様である。
上記の配置は、参照鏡１５の代わりに、被検体５が配置されるため、光測距センサ４４により測定される光線束８の光路長は、傾斜センサ７から、プローブ５０とプローブ１６とプローブ９を経由して、被検体５に至るまでの距離となる。
制御部２１は、光測距センサ４４により測定される光線束８の光路長が一定に保たれるように、プローブ１６とプローブ５０の対、もしくは、プローブ１６とプローブ９の対を走査させる。
【００６７】
この実施の形態４では、プローブ５０とプローブ９が回転できる特徴がある。
図１６に示すように、被検体５が中央に位置しているところを境にして、図１７及び図１８に示すように、プローブ５０とプローブ９が約９０度回転していることが分かる。
なお、光線束８の折り曲げ角度に関しては、上述したように、プローブの傾きに依存しないため、必ずしも９０度回転である必要はない。
【００６８】
以上より、被検体５の傾斜センサ７側端から、中心を経由して、反対側の端まで、被検体５の傾斜センサ７からの相対傾きを求めることができるので、上記実施の形態３と同様に、この傾きを積分することで、積分定数の不定性を除いて被検体５の表面の形状を求めることができる。
【００６９】
なお、傾斜センサ７から参照鏡１５までの距離、もしくは、傾斜センサ７から被検体５までの距離を一定に保つようにすると、上記実施の形態３と同様に、傾斜センサ７において、距離に依存する測定が可能になるが、この実施の形態４では、上記実施の形態３と異なり、傾斜センサ７を被検体５の外から、被検体５の上方に移動しているため、少なくとも被検体５の直径ほどの距離を光線束８が通ることはなくなり、半径程の距離で済むようになる。即ち、光路長を短くすることができるメリットがある。
また、光路長を短くすることができると、途中の大気の屈折率変動などの外乱を低減できるため、より高精度な測定が可能になる。
【００７０】
上記実施の形態１〜４では、プローブ１６，３０，４０が２枚一組のミラーで構成されているものを示しているが、プローブ１６，３０，４０がペンタプリズムで構成されていてもよい。
【００７１】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  除振台、２  回転ステージ（被検体保持手段）、３  回転軸、４  試料台（被検体保持手段）、５  被検体、６  センサ支持台、７  傾斜センサ、８  光線束、９  プローブ（第１のプローブ）、１０，１１  角度可変ミラー、１２  可動絞り、１３  ステージ支持部、１４  並進ステージ、１５  参照鏡、１６  プローブ（第２のプローブ）、１７，１８  角度固定ミラー、１９  可動絞り、２０  筐体、２１  制御部、３０  プローブ（第３のプローブ）、３１，３２  角度固定ミラー、４０  プローブ（第４のプローブ）、４１，４２  角度固定ミラー、４３  並進ステージ（第２の並進ステージ）、４４  光測距センサ、５０  プローブ、５１，５２  角度可変ミラー、５３  可動絞り。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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