(57)【要約】      （修正有）【課題】計測面を計測するのに有利な計測装置を提供する。【解決手段】計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、前記集光レンズによって集光された前記計測光が前記計測面上の複数の計測箇所に順次入射するように、前記干渉光学系を位置決めする位置決め機構と、前記集光レンズの光軸方向に沿った前記干渉光学系の位置を計測する計測器と、前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて計測値を求める処理部と、を有す。【選択図】図１
2015052537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記集光レンズによって集光された前記計測光が前記計測面上の複数の計測箇所に順次入射するように、前記干渉光学系を位置決めする位置決め機構と、
前記集光レンズの光軸方向に沿った前記干渉光学系の位置を計測する計測器と、
前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて計測値を求める処理部と、を有し、
前記処理部は、前記干渉信号が順次取得される前記複数の計測箇所のうちに計測が許容条件を満たさない欠落箇所があった場合、前記複数の計測箇所のうちの残りの計測箇所に関して、前記干渉信号と前記計測器の出力とに基づいて前記計測値を求める、ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記集光レンズによって集光された前記計測光が前記計測面上の複数の計測箇所に順次入射するように、前記干渉光学系を位置決めする位置決め機構と、
前記干渉光学系と前記計測面との間の距離を計測する計測器と、
前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて計測値を求める処理部と、を有し、
前記処理部は、前記干渉信号が順次取得される前記複数の計測箇所のうちに計測が許容条件を満たさない欠落箇所があった場合、前記複数の計測箇所のうちの残りの計測箇所に関して、前記干渉信号と前記計測器の出力とに基づいて前記計測値を求める、ことを特徴とする計測装置。
【請求項３】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記計測光が透過する透過窓を含み、前記計測面を収納するチャンバーと、を有し、
前記干渉光学系及び前記透過窓は、前記干渉光学系及び前記透過窓を介して前記計測面に集光される光の波面収差が許容条件を満たすように形成されている、
ことを特徴とする計測装置。
【請求項４】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記計測面に入射する前記計測光の前記集光レンズにおける通過位置と前記計測面で反射した前記計測光の前記集光レンズにおける通過位置とのずれ量を計測する計測器と、
前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号と前記計測器の出力とに基づいて前記計測値を求める処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項５】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記フォーカス状態を計測する計測器と、
前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号と前記計測器の出力とに基づいて前記計測値を求める処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項６】
計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号に基づいて、干渉光学系の光路上の基準位置と前記計測面との間の距離を得る計測装置であって、
前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、
前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて前記距離を求める処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項７】
前記計測器は、干渉計を含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項８】
前記干渉光学系は、両面ミラーを含み、前記両面ミラーの第１反射面及び前記計測面のそれぞれで反射した前記計測光と、前記参照光とを干渉させ、
前記干渉計は、第２参照面を含み、前記両面ミラーの前記第１反射面とは反対側の第２反射面で反射した光と、前記第２参照面で反射した光とを干渉させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記計測光及び前記参照光を生成する光コム光源を有することを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記計測光及び前記参照光を生成する光源として、分布ブラッグ反射型レーザ光源及び分布帰還型レーザ光源の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記干渉光学系は、基準面を含み、前記基準面及び前記計測面のそれぞれで反射した前記計測光と、前記参照光とを干渉させることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測面を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天体観測のために地上に設置される望遠鏡の主鏡の大きさは、望遠鏡の性能を向上させるために、次第に大きくなってきている。例えば、すばる望遠鏡においては、１枚のミラーで構成される主鏡は、８．２ｍの大きさを有する。
【０００３】
近年では、複数の六角形のミラー（セグメントミラー）を繋ぎ合わせて構成された複合ミラーを主鏡として用いる望遠鏡が提案されている。例えば、ＴＭＴ（Ｔｈｉｒｔｙ  Ｍｅｔｅｒ  Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）の主鏡は、４９２枚のセグメントミラー（外周円の直径１．５ｍ、対角の長さ１．４４ｍの六角形のミラー）からなる複合ミラーを用いて、その有効口径３０ｍを実現しようとしている。
【０００４】
このような複合ミラーを構成するセグメントミラーを高精度に製造するためには、その反射面（ミラー面）を形成するための基板の形状（表面形状）を正確に計測する必要がある。図８は、複合ミラーの一部分の構成を示す概略図である。図８を参照するに、６枚のセグメントミラーＭａ、Ｍｂ、Ｍｃ、Ｍｄ、Ｍｅ及びＭｆが密に配置されている。セグメントミラーＭａ乃至Ｍｆは、対角の長さが１．４４ｍの六角形のミラーである。複数のセグメントミラーＭａ乃至Ｍｆを密に配置して複合ミラーを構成する場合には、複合ミラーの有効口径を大きくするために、各セグメントミラーにおいて不要となる外周近傍の領域（表面形状を計測できない領域）を小さくする必要がある。従って、セグメントミラーの外周から１ｍｍ程度の幅だけ内側までの外周領域を除く領域について、セグメントミラーの表面形状を、数ｍｍ（２ｍｍ〜３ｍｍ）のピッチで、非接触に計測する技術が要求されている。
【０００５】
このように大きな面の表面形状を非接触に計測する技術として、ダブルパス干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置が提案されている（特許文献１参照）。かかる計測装置では、図９に示すように、光源ＬＳからの光がコーナーキューブＣＣ、基準面ＳＳ、計測面ＴＳなどを通過して検出部ＤＤで検出され、計測面ＴＳの形状を計測する。この際、非接触型プローブをＸＹ面内で駆動しながら計測光の光路長の変化を計測することで、計測面ＴＳの表面形状を非接触に計測することができる。
【０００６】
また、計測面の表面形状を、分解能１ｍｍ以下の高い空間周波数で、非接触に計測する技術として、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置が提案されている（特許文献２参照）。かかる計測装置において、光源から射出された周波数ｆ１の光及び周波数ｆ２の光は、ウォーラストンプリズムで周波数ｆ１の光と周波数ｆ２の光とに分離され、集光レンズによって、それぞれが計測面の上の異なる位置に集光される。計測面は回転軸を中心に回転可能に保持され、周波数ｆ１の光が回転軸上の点に集光される（即ち、焦点を結ぶ）ように構成されている。従って、回転軸を中心として計測面を回転させることで、計測面の全体のうち、周波数ｆ１の光が集光された点を中心とする円周上の領域に周波数ｆ２の光が照射され、その領域の表面形状を計測すること
ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１４５０９５号公報
【特許文献２】米国特許第４３５３６５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の計測装置をセグメントミラーの表面形状の計測に適用した場合、以下のような課題が生じてしまう。例えば、特許文献１に開示された計測装置では、図９に示すように、計測面ＴＳで反射された計測光が基準面ＳＳと計測面ＴＳとの間を２回往復する。計測光の径を小さくすると、ヘテロダイン信号を得るために必要な参照光との重なりが少なくなり、十分な強度のヘテロダイン信号が得られなくなる。このため、計測光は、少なくとも３ｍｍ程度の径を有する。また、計測光は、基準面ＳＳと計測面ＴＳとの間を２回往復する過程において、１回目の光と２回目の光とが６ｍｍ程度離れて往復する。このように、互いに６ｍｍ離れ、且つ、３ｍｍの径を有する２つの光からなる計測光では、セグメントミラーの表面形状を数ｍｍのピッチで計測することは困難である。更に、このような計測光では、セグメントミラーの外周近傍の領域について表面形状を計測することができない。
【０００９】
特許文献２に開示された計測装置では、周波数ｆ２の光が計測面の上に集光されているため、分解能１ｍｍ以下で表面形状を計測することができる。しかし、周波数ｆ１の光が集光された点を中心とする円周上の領域の表面形状しか計測することができない。従って、特許文献２に開示された計測装置では、セグメントミラーの外周領域を除く任意の領域について、表面形状を数ｍｍのピッチで計測することはできない。また、周波数ｆ２の光を集光する集光レンズの焦点深度の範囲内に計測面が収まらなければならいため、セグメントミラーのように曲率を有する計測面の表面形状を計測することは非常に困難である。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測面を計測するのに有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、前記計測面に入射する前記計測光を集光する集光レンズを含み、前記計測光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように、前記集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を調整する調整部と、前記集光レンズによって集光された前記計測光が前記計測面上の複数の計測箇所に順次入射するように、前記干渉光学系を位置決めする位置決め機構と、前記集光レンズの光軸方向に沿った前記干渉光学系の位置を計測する計測器と、前記調整部により前記フォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて計測値を求める処理部と、を有し、前記処理部は、前記干渉信号が順次取得される前記複数の計測箇所のうちに計測が許容条件を満たさない欠落箇所があった場合、前記複数の計測箇所のうちの残りの計測箇所に関して、前記干渉信号と前記計測器の出力とに基づいて前記計測値を求める、ことを特徴とする。
【００１２】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば、計測面を計測するのに有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の外観を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図４】計測面に入射する光及び計測面で反射される光について説明するための図である。
【図５】集光レンズの焦点深度の範囲内に計測面の上の計測箇所が収まるように制御することの必要性を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図８】複合ミラーの一部分の構成を示す概略図である。
【図９】３次元形状計測装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図１に示す計測装置の計測部の構成の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の第９の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の第１０の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す概略図である。図２は、計測装置１の外観を示す概略図である。計測装置１は、計測面（物体の面）で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。計測装置１は、例えば、曲率を有し、外周円の直径が１ｍを超すような計測面の形状（例えば、望遠鏡の主鏡として使用可能な複合ミラーを構成するセグメントミラーの表面形状）の計測に好適である。
【００１７】
計測装置１は、主な構成として、光源１０１と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、検出部１１１と、干渉光学系１３０と、オートフォーカス系１４０とを有する。干渉光学系１３０は、平行光を射出する光源１０１からの光を２つの光に分割し、一方の光を、集光レンズ１０８を介して計測面ＴＳに入射させ、他方の光を参照面に入射させ、計測面ＴＳで反射された光と参照面で反射された光とを干渉させる光学系である。計測装置１において、干渉光学系１３０は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【００１８】
光源１０１から射出された光は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０の偏光ビームスプリッタ１０３に入射する。なお、光源１０１から射出された光は、図１では、Ｙ軸又はＺ軸に平行であるように図示されているが、実際には、若干の傾き誤差を含んでいる。
【００１９】
ステージ１０２は、図２に示すように、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によって、ＸＹ平面内で駆動される。また、ステージ１０２は、Ｙ軸駆動部１５２及びＺ軸駆動部１５３によって、ＹＺ平面内で駆動される。Ｘ軸駆動部１５１、Ｙ軸駆動部１５２及びＺ軸駆動部１５３は、干渉光学系１３０（を保持するステージ１０２）を位置決めする位置決め機構として機能する。
【００２０】
光源１０１と偏光ビームスプリッタ１０３との間には、光ファイバやミラーなどが配置されていてもよい。光源１０１は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ１０３は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、光源１０１からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１０３で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、光源１０１からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１０３を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブ１１２に入射する。
【００２１】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１０５で反射される。基準ミラー１０５で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１０３を透過して偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。偏光ビームスプリッタ１０６に入射した光は、偏光ビームスプリッタ１０６を透過し、λ／４板１０７を透過して円偏光の光となり、集光レンズ１０８を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１０８を透過して平行光となり、λ／４板１０７に入射する。以下では、計測面ＴＳで反射された光を計測光と称する。λ／４板１０７に入射した計測光は、λ／４板１０７を透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１０６で反射され、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０を含んで構成された検出部１１１に入射する。
【００２２】
一方、コーナーキューブ１１２に入射した光は、コーナーキューブ１１２で入射した方向に反射され、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。以下では、コーナーキューブ１１２で反射された光を参照光と称する。偏光ビームスプリッタ１０６に入射した参照光は、偏光ビームスプリッタ１０６を透過し、偏光ビームスプリッタ１０６で反射された計測光とともに、検出部１１１に入射する。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００２３】
また、計測装置１では、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で駆動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されるヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。なお、ヘテロダイン干渉信号には、既に説明した計測光の光路からわかるように、基準ミラー（基準面）１０５の面形状が反映されている。そこで、基準ミラー（基準面）１０５の面形状は、面形状計測器（例えば、干渉方式計測器）により数ｎｍ以下の計測精度で事前に計測されているのが好ましい。その場合、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号から基準ミラー１０５の面形状の成分を取り除くことができるため、より正確に計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００２４】
計測装置１において、集光レンズ１０８は、オートフォーカス系（調整部）１４０によって、集光レンズ１０８の光軸に沿った方向における位置が制御されている。具体的には、オートフォーカス系１４０は、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まる（位置する）ように、集光レンズ１０８と計測面ＴＳとの間の距離を調整（制御）する。
【００２５】
オートフォーカス系１４０は、例えば、レンズ駆動部１１４と、計測部１１５と、フォーカス制御部１１６とを含む。レンズ駆動部１１４は、例えば、ボイスコイルなどで構成され、集光レンズ１０８を集光レンズ１０８の光軸に沿った方向に移動させる。計測部１１５は、集光レンズ１０８の光軸に沿った方向における位置（集光レンズ１０８によって集光される光のフォーカス状態）を計測する。フォーカス制御部１１６は、計測部１１５の計測結果（フォーカス状態）に基づいて、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まるように、レンズ駆動部１１４による集光レンズ１０８の移動を制御する。
【００２６】
計測部１１５の構成の一例について説明する。集光レンズ１０８によって集光される光が集光レンズ１０８の焦点深度の範囲外となると、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８を再度通過した光は平行光ではなく、収束又は発散する。従って、図１０を参照して後述するように、シリンドリカルレンズと４分割センサとで計測部１１５を構成し、計測面ＴＳで反射された光を、ハーフミラー１１８を介して計測部１１５に入射させることによって、フォーカス状態を計測することができる。但し、計測部１１５の構成は、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８を再度通過した光の収束や発散を利用する構成に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で、集光レンズ１０８を通過した光を利用しない構成であってもよい。
【００２７】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）を参照して、計測部１１５の詳細な構成の一例を説明する。計測面ＴＳで反射され、集光レンズ１０８に再度入射して、偏光ビームスプリッタ１０６を含む光学系に戻る光を利用して、フォーカス状態を計測する方法は、例えば、文献１に紹介されている方法を適用可能である。なお、文献１とは、「メカノプティクス  昭和５６年度調査報告（光学工業技術協会）」である。文献１には、非点収差法、ナイフエッジ法、フーコー法、臨界角法などの幾つかの方法が紹介されているが、ここでは、非点収差法を例に説明する。
【００２８】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、非点収差法を用いた計測部１１５の構成を示す概略図である。図１０（ａ）に示すように、集光レンズ１０８の焦点近傍の位置をＢ、位置Ｂを基準として集光レンズ１０８から離れた位置をＡ、位置Ｂを基準として集光レンズ１０８に近づいた位置をＣとする。計測面ＴＳで反射された光ＬＬは、位置Ａで反射されると収束光、位置Ｂで反射されると平行光、位置Ｃで反射されると発散光となる。
【００２９】
計測部１１５は、図１０（ｂ）に示すように、コリメータレンズ１００２、シリンドリカルレンズ１００３及び４分割センサ１００６で構成される。シリンドリカルレンズ１００３の光学的に屈折力を持つ面内を通過する光ＬＬ１と、シリンドリカルレンズ１００３の光学的に屈折力を持たない面内を通過する光ＬＬ２とが集光され、４分割センサ１００６の上で円形状又は楕円形状の光強度分布を形成する。図１０（ｂ）には、シリンドリカルレンズ１００３の光学的に屈折力を持たない面内（紙面に垂直な面内）を通過する光ＬＬ２の集光状態を点線で示した。４分割センサ１００６の上で形成される光強度分布を詳細に説明すると、次のようになる。例えば、図１０（ｃ）に示すように、位置Ａで反射された収束光は、４分割センサ１００６の上で横長の光強度分布ＬＤ１を形成し、位置Ｂで反射された平行光は、４分割センサ１００６の上で円形の光強度分布ＬＤ２を形成する。また、位置Ｃで反射された発散光は、４分割センサ１００６の上で縦長の光強度分布ＬＤ３を形成する。従って、演算処理デバイスＯＰにおいて、４分割センサ１００６を構成する４つの光センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４のそれぞれが検知する光出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４に基づいて、集光レンズ１０８に対する計測面ＴＳの位置を求めることが可能となる。具体的には、Ｐ１＋Ｐ３＜Ｐ２＋Ｐ４であれば光ＬＬは位置Ａで反射され、Ｐ１＋Ｐ３＝Ｐ２＋Ｐ４であれば光ＬＬは位置Ｂで反射され、Ｐ１＋Ｐ３＞Ｐ２＋Ｐ４であれば光ＬＬは位置Ｃで反射されたと検知することができる。更に、Ｐ１＋Ｐ３の値及びＰ２＋Ｐ４の値を、電気的に高精度に検出することによって、計測面ＴＳの位置を位置Ｂを基準（中心）として高精度に求めることが可能である。
【００３０】
このように、計測部１１５は、計測面ＴＳで反射され、集光レンズ１０８に再度入射して、偏光ビームスプリッタ１０６を含む光学系に戻る光を利用して、フォーカス状態を計測することができる。
【００３１】
上述したように、集光レンズ１０８によって集光される光が集光レンズ１０８の焦点深度の範囲外になると、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８を再度通過した光は、収束又は発散する。更に、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内であっても、光ＬＬが微小に収束又は発散するような計測面ＴＳの位置も存在する。従って、コリメータレンズ１００２、シリンドリカルレンズ１００３及び４分割センサ１００６で計測部１１５を構成し、計測面ＴＳで反射された光を、ハーフミラー１１８を介して計測部１１５に入射させることで、フォーカス状態を計測することができる。ここで、ハーフミラー１１８は、ハーフミラー１１８を透過する光（透過光）とハーフミラー１１８で反射される光（反射光）とを適当な割合で分割する光学部品であって、透過光と反射光とをそれぞれ５０％に分割する光学部品に限定されるものではない。
【００３２】
また、オートフォーカス系１４０は、図３に示すように、レンズ駆動部１１４ではなく、干渉光学系１３０を保持するステージ１０２及びＺ軸駆動部１５３を用いて、集光レンズ１０８の光軸に沿った方向における集光レンズ１０８の位置を制御してもよい。この場合、フォーカス制御部１１６は、計測部１１５の計測結果（フォーカス状態）に基づいて、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まるように、Ｚ軸駆動部１５３によるステージ１０２の移動を制御する。Ｚ軸駆動部１５３は、上述したように、ステージ１０２をＺ軸方向に駆動する駆動部であるため、ステージ１０２によって保持される干渉光学系１３０の集光レンズ１０８を集光レンズ１０８の光軸に沿った方向に移動させることができる。
【００３３】
ここで、図４を参照して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳに入射する光及び計測面ＴＳで反射された光（計測光）について説明する。図４（ａ）は、集光レンズ１０８の光軸ＡＸに対して計測面ＴＳが傾いていない状態において、集光レンズ１０８を介して計測面ＴＳに入射する光Ｌ１、及び、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８に入射する光Ｌ２を示している。
【００３４】
一方、図４（ｂ）に示すように、集光レンズ１０８の光軸ＡＸに対して計測面ＴＳが角度θだけ傾いた状態では、集光レンズ１０８に平行光で入射した光Ｌ１は、計測面ＴＳにおいて角度２θで反射され、集光レンズ１０８に入射（再入射）する。この際、計測面ＴＳに入射する光Ｌ１は、オートフォーカス系１４０によって、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まるように制御されている。従って、集光レンズ１０８に再入射した光Ｌ３は、集光レンズ１０８を通過して平行光となる。但し、計測面ＴＳが光軸ＡＸに対して角度θだけ傾いているため、図４（ｃ）に示すように、光Ｌ３の光軸中心は、光Ｌ１（光Ｌ２）の光軸中心からシフトしている。光Ｌ１の光軸中心からの光Ｌ３の光軸中心のシフト量Ｄｓは、集光レンズ１０８と計測面ＴＳとの間の距離ＤＬと角度２θとにほぼ比例した量となる。
【００３５】
集光レンズ１０８の光軸ＡＸに対して角度θだけ傾いた計測面ＴＳで反射された光（計測光）Ｌ３とコーナーキューブ１１２で反射された光（参照光）とは、重なり合いながら検出部１１１に入射し、ヘテロダイン干渉信号として検出部１１１で取得される。この際、集光レンズ１０８の光軸ＡＸに対して計測面ＴＳが角度θだけ傾いていることによって、計測光の光軸中心が参照光の光軸中心からシフトしている（シフト量Ｄｓ）ため、その分だけヘテロダイン干渉信号の強度が低下している。但し、ヘテロダイン干渉方式における位相計測に要求される精度には影響しない程度であり、面形状を高精度に求めることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、集光レンズ１０８の光軸ＡＸに対して計測面ＴＳが角度θだけ傾いた状態について説明した。但し、図４（ｄ）に示すように、計測面ＴＳが各位置で異なる角度を有する場合や計測面ＴＳが非球面形状を有する場合にも、同様に、面形状を高精度に求めることができる。
【００３７】
図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照して、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まるように制御することの必要性について説明する。図５（ａ）は、集光レンズ１０８の焦点位置が計測面ＴＳのＺ軸方向（光軸方向）における位置ＰＴに一致している状態を示している。図５（ａ）において、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲ＲＤＦとして、集光レンズ１０８の焦点深度の上限値ＲＵＰ及び下限値ＲＬＯを定義している。集光レンズ１０８の主平面のＺ軸方向（光軸方向）における位置をＰＭとする。
【００３８】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、計測面ＴＳの位置ＰＴに対して、集光レンズ１０８が焦点深度の範囲ＲＤＦ（焦点深度の上限値ＲＵＰと下限値ＲＬＯとの間）で光軸方向に集光点がシフトした場合を考える。この場合、計測面ＴＳで反射された光Ｌ４の波面の波面収差は十分に小さいため、ヘテロダイン干渉方式では、計測面ＴＳの移動量を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【００３９】
このように、計測装置１は、集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まるように、集光レンズ１０８の光軸方向における位置を制御している。これにより、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８に入射した光（計測光）は、平行光として偏光ビームスプリッタ１０６で反射され、コーナーキューブ１１２で反射された光（参照光）とともに検出部１１１で検出される。従って、検出部１１１において良好なヘテロダイン信号が検出される。このため、計測装置１は、干渉光学系１３０を保持するステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得することで、計測面ＴＳの形状を高精度に計測することができる。特に、計測装置１は、曲率を有する計測面の形状を、その広範囲にわたって、数ｍｍのピッチで高精度に計測することができるため、セグメントミラーの表面形状の計測に有利である。
【００４０】
本実施形態では、干渉光学系１３０として、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを用いる場合について説明したが、ホモダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを用いてもよい。また、本実施形態の構成は、ステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら検出部１１１で干渉信号を取得して計測光の光路長の変化を求めるものであるから、表面形状に限らず当該変化に相関のある物体の特性を計測することができる。例えば、物体の表面粗さを計測することもできる。
【００４１】
また、図１０を参照してフォーカス状態を検知する方法の一例を説明したが、フォーカス状態を検知するために他の方法を用いてもよい。例えば、検出部１１１を構成するレンズ１０９とフォトダイオード１１０との間に光ファイバー（不図示）を配置した構成においても、フォーカス状態を検知することができる。計測面ＴＳが集光レンズ１０８の焦点深度の範囲内にある場合、計測面ＴＳで反射した後、レンズ１０９に入射する干渉光は平行光になる。そのため、光ファイバー（不図示）の入射端面をレンズ１０９の焦点位置に配置しておけば、干渉光は、レンズ１０９により光ファイバー（不図示）の入射端面上に良好に集光される。その結果、入射端面上に集光された干渉光は、光ファイバー（不図示）に良好に結合される（効率よく導入される）。一方、計測面ＴＳが集光レンズ１０８の焦点深度の範囲外にある場合には、干渉光の光ファイバー（不図示）への結合効率は低下する。これは、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１０８を再度通過した光が平行光ではなく、収束光又は発散光となるため、レンズ１０９を透過した後、光ファイバー（不図示）の入射端面上に良好に集光されないためである。その結果、干渉光の光ファイバー（不図示）への結合の効率が劣化する。この現象を利用して、光ファイバー（不図示）の射出端面からフォトダイオード１１０に入射する光量をフォトダイオード１１０の出力でモニターすることにより、フォーカス状態を検知することができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態における計測装置１Ａの構成を示す概略図である。計測装置１Ａは、計測面で反射された計測光と参照面で反射された参照光とを干渉させ、計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。計測装置１Ａは、例えば、曲率を有し、外周円の直径が１ｍを超すような計測面の形状（例えば、望遠鏡の主鏡として使用可能な複合ミラーを構成するセグメントミラーの表面形状）の計測に好適である。
【００４３】
計測装置１Ａは、主な構成として、光源１０１と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、検出部１１１と、干渉光学系１３０Ａと、オートフォーカス系１４０とを有する。干渉光学系１３０Ａは、本実施形態では、光源１０１からの光が計測面ＴＳと基準ミラー１０５との間を２回往復するダブルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ａにおいて、干渉光学系１３０Ａは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【００４４】
光源１０１から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ａの偏光ビームスプリッタ１８１に入射する。光源１０１は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ１８１は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、光源１０１からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１８１で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、光源１０１からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１８１を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブ１１２に入射する。
【００４５】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１０５で反射される。基準ミラー１０５で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１を透過してλ／４板１０７に入射する。λ／４板１０７に入射した光は、λ／４板１０７を透過して円偏光の光となり、集光レンズ１８２を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１８２を透過して平行光となり、λ／４板１０７に入射する。λ／４板１０７に入射した光は、λ／４板１０７を透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、コーナーキューブ１１２に入射する。コーナーキューブ１１２で反射された光は、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、λ／４板１０７及び集光レンズ１８２を介して、再度、計測面ＴＳの上に集光される。この際、計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１８２を透過して平行光となり、λ／４板１０７に入射する。以下では、計測面ＴＳで２回反射された光を計測光と称する。λ／４板１０７に入射した計測光は、λ／４板１０７を透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１を透過してλ／４板１０４に入射する。λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１０５で反射される。基準ミラー１０５で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０で構成された検出部１１１に入射する。
【００４６】
一方、コーナーキューブ１１２に入射した光は、コーナーキューブ１１２で入射した方向に反射され、偏光ビームスプリッタ１８１に入射する。以下では、計測面ＴＳで反射されることなく、コーナーキューブ１１２で反射された光を参照光と称する。偏光ビームスプリッタ１８１に入射した参照光は、偏光ビームスプリッタ１８１を透過し、偏光ビームスプリッタ１８１で反射された計測光とともに、検出部１１１に入射する。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００４７】
また、計測装置１Ａでは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ａからの光（集光レンズ１８２によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に入射するように、干渉光学系１３０Ａ（を保持するステージ１０２）を位置決めしながら検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００４８】
計測装置１Ａでは、計測装置１と同様に、集光レンズ１８２の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まる（位置する）ように、集光レンズ１８２の光軸方向における集光レンズ１８２の位置が制御されている。これにより、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１８２に入射した光（計測光）は、平行光として偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、コーナーキューブ１１２で反射された光（参照光）とともに検出部１１１で検出される。従って、検出部１１１において良好なヘテロダイン信号が検出される。このため、干渉光学系１３０Ａをダブルパスのヘテロダイン干渉系で構成した場合にも、計測装置１Ａは、計測面ＴＳの形状を高精度に計測することができる。具体的には、計測装置１Ａは、干渉光学系１３０Ａを保持するステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得することで、計測面ＴＳの形状を高精度に計測することができる。
【００４９】
＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態における計測装置１Ｂの構成を示す概略図である。計測装置１Ｂは、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【００５０】
計測装置１Ｂは、主な構成として、第２光源９０９と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｂと、オートフォーカス系１４０とを有する。干渉光学系１３０Ｂは、本実施形態では、第２光源９０９からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ９０５との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｂにおいて、干渉光学系１３０Ｂは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。以下に、計測装置１Ｂの構成の概要を説明する。
【００５１】
第１光源９０１から射出された光（平行光）は、基準ミラー１０５と両面ミラー９０４（第１反射面と反対側の第２反射面）とで反射した第１計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第１光源９０１から射出された光は、偏光ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタの上下に配置されたλ／４板、コーナーキューブ９０２などを通過して検出部９０３で検出される。ここで、検出部９０３は、レンズ、フォトダイオード、処理部などから構成され、検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第１計測光の光路長の変化を求めることにより、基準ミラー１０５に対する、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｂを含む干渉光学系９０８の上下の動きを、高精度に計測することができる。
【００５２】
また、第２光源９０９から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４（第１反射面）と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源９０９から射出された光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後にコーナーキューブを通過する光と、偏光ビームスプリッタ９０５で反射した後にλ／４板１０４、両面ミラー９０４、集光レンズ９０６などを通過する光とに分離される。そして、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系９０８を基準として、高精度に計測することができる。
【００５３】
計測装置１Ｂは、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｂを含む干渉光学系９０８を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、計測装置１Ｂでは、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系９０８の上下の動き（干渉光学系９０８の上下方向の位置）を高精度に計測することができる。これにより、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｂを含む干渉光学系９０８の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ｂと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【００５４】
次に、計測装置１Ｂにおける干渉光学系１３０Ｂの構成を詳細に説明する。第２光源９０９から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ｂの偏光ビームスプリッタ９０５に入射する。第２光源９０９は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ９０５は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、第２光源９０９からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、第２光源９０９からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブに入射する。
【００５５】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後、集光レンズ９０６を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ９０６を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ９０５を透過してλ／４板１０４に入射する。λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ９０５で反射され、ハーフミラー１１９で反射された後、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０で構成された検出部１１１に入射する。ここで、ハーフミラー１１９は、ハーフミラー１１９を透過する光（透過光）とハーフミラー１１９で反射される光（反射光）とを適当な割合で分割する光学素子であって、透過光と反射光とをそれぞれ５０％に分割する光学素子に限定されるものではない。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００５６】
また、計測装置１Ｂは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｂからの光（集光レンズ９０６によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｂ（を保持するステージ１０２）を位置決めしながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００５７】
また、計測装置１Ｂでは、干渉光学系１３０Ｂによるヘテロダイン干渉信号と、干渉光学系１３０Ｂを含む干渉光学系９０８の上下の動きを計測するためのヘテロダイン干渉信号とを独立して取得している。なお、干渉光学系１３０Ｂによるヘテロダイン干渉信号は第２光源９０９からの光によって形成され、干渉光学系９０８の上下の動きを計測するためのヘテロダイン干渉信号は第１光源９０１からの光によって形成される。ここで、計測面ＴＳ上に微小なゴミなどの異物が存在する場合や計測面ＴＳにキズがある場合を考える。このような場合、干渉光学系１３０Ｂによるヘテロダイン信号が局所的に欠落してしまう（異常値となる）可能性がある。但し、干渉光学系９０８の上下の動きを計測するためのヘテロダイン信号（第１光源９０１からの光によって形成されるヘテロダイン信号）は、その影響を受けない。従って、計測面ＴＳ上に微小なゴミなどが存在した場合であっても、計測面ＴＳの形状の設計値に従って干渉光学系１３０Ｂを移動させることにより、集光レンズ９０６の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所を位置させることができる。換言すれば、計測面ＴＳ上の微小なゴミやキズの影響を受けることなく、干渉光学系１３０Ｂからの集光光を、良好に計測面ＴＳ上で走査させることができる。これにより、計測面ＴＳの全面を計測した後に、微小なゴミなどを原因として発生する局所的な欠落（異常値）による計測精度への悪影響を、干渉信号から得られる計測箇所の計測値から除去することが可能となる。干渉信号が順次取得される複数の計測箇所のうちに計測が許容条件を満たさない欠落箇所があった場合、残りの計測箇所に関して、かかる干渉信号と、欠落箇所に計測光が入射しているときに計測された干渉光学系９０８の位置とに基づいて計測値を求める。従って、計測装置１Ｂは、計測面ＴＳ上に微小なゴミなどが存在した場合でも、計測動作を止めることなく、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００５８】
＜第４の実施形態＞
図１１は、本発明の第４の実施形態における計測装置１Ｃの構成を示す概略図である。計測装置１Ｃは、計測面で反射された計測光と参照面で反射された参照光とを干渉させ、計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【００５９】
計測装置１Ｃは、主な構成として、光源１１０１と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、検出部１１１と、干渉光学系１１１０と、オートフォーカス系１４０とを有する。干渉光学系１１１０は、本実施形態では、光源１１０１からの光が計測面ＴＳと基準ミラー１０５との間を２回往復するダブルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｃにおいて、干渉光学系１１１０は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。本実施形態では、計測光が集光レンズの中心を往復するため、集光レンズの周辺を計測光が往復する場合の構成と比較して、かかる集光レンズの設計及び製造をより簡便にすることができる。
【００６０】
光源１１０１から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１１１０の偏光ビームスプリッタ１８１に入射する。光源１１０１は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。従って、光源１１０１からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１８１で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、光源１１０１からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１８１を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブ１１２に入射する。
【００６１】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１０５で反射される。基準ミラー１０５で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１を透過してλ／４板１０７に入射する。λ／４板１０７に入射した光は、λ／４板１０７を透過して円偏光の光となり、集光レンズ１１０２を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１１０２を透過して平行光となり、λ／４板１０７に入射する。λ／４板１０７に入射した光は、λ／４板１０７を透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、コーナーキューブ１１２に入射する。コーナーキューブ１１２で反射された光は、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、λ／４板１０７及び集光レンズ１１０２を介して、再度、計測面ＴＳの上に集光される。この際、計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１１０２を透過して平行光となり、λ／４板１０７に入射する。以下では、計測面ＴＳで２回反射された光を計測光と称する。λ／４板１０７に入射した計測光は、λ／４板１０７を透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１を透過してλ／４板１０４に入射する。λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１０５で反射される。基準ミラー１０５で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１８１で反射され、ハーフミラー１１９で反射した後、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０で構成された検出部１１１に入射する。
【００６２】
一方、コーナーキューブ１１２に入射した光は、コーナーキューブ１１２で入射した方向に反射され、偏光ビームスプリッタ１８１に入射する。以下では、計測面ＴＳで反射されることなく、コーナーキューブ１１２で反射された光を参照光と称する。偏光ビームスプリッタ１８１に入射した参照光は、偏光ビームスプリッタ１８１を透過し、偏光ビームスプリッタ１８１で反射された計測光とともに、検出部１１１に入射する。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００６３】
計測装置１Ｃにおいては、干渉光学系１１１０から光源１１０１に戻る、所謂、戻り光があっても、ファラデーローテーター等を用いてレーザ出力が安定するような機能を備えた光源を光源１１０１として使用するとよい。これは、計測装置１Ｃにおいては、計測装置１Ａとは異なり、計測面ＴＳで反射された光やコーナーキューブ１１２で反射された光が、光源１１０１から射出された光の光路を戻るようにして、光源１１０１に入射しやすいためである。また、干渉光学系１１１０には、図１１に示すように、減光光学フィルタ１１０３及び１１０４が配置されている。減光光学フィルタ１１０３及び１１０４は、例えば、ＮＤフィルタや偏光板で構成され、光の強度を低下させる機能を有する。計測装置１Ｃでは、減光光学フィルタ１１０３及び１１０４を用いることで、光源１１０１に戻る光の強度を減衰させて、かかる戻り光による計測精度の低下を防止することが可能となる。
【００６４】
また、ハーフミラー１１８とフォーカス状態を計測するための計測部１１５との間には、偏光板１１０５を配置してもよい。偏光板１１０５は、その偏光特性を用いて、ハーフミラー１１８で反射された光のうち、フォーカス状態の計測に必要な計測面ＴＳで反射した光のみを透過させ、フォーカス状態の計測に必要でない参照光などを取り除くことができる。従って、計測部１１５において、ＳＮ比のよい光を検出することが可能となり、フォーカス状態を高精度に計測することができる。
【００６５】
また、計測装置１Ｃでは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１１１０からの光（集光レンズ１１０２によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に入射するように干渉光学系１１１０（を保持するステージ１０２）を位置決めしながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００６６】
計測装置１Ｃでは、計測装置１Ａと同様に、集光レンズ１１０２の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所が収まる（位置する）ように、集光レンズ１１０２の光軸方向における集光レンズ１１０２の位置が制御されている。これにより、計測面ＴＳで反射されて集光レンズ１１０２に入射した光（計測光）は、平行光として偏光ビームスプリッタ１８１に戻る。そして、コーナーキューブ１１２で反射された光（参照光）とともに検出部１１１で検出される。従って、計測光の波面収差が小さいことにより検出部１１１において良好な干渉光が得られるため、良好なヘテロダイン信号が検出される。更に、計測装置１Ｃにおいては、計測光が集光レンズの中心部を往復するため、集光レンズの周辺を計測光が往復する場合と比較して、より波面収差の小さな高性能な集光レンズの設計及び製造をより簡便に行うことができる。一般に、ダブルパスのヘテロダイン干渉系においては、計測光が集光レンズを２度往復するため、計測光が集光レンズを１度しか往復しないシングルパスの干渉系に比べ、波面収差は２倍程度になりうる。従って、干渉信号が劣化しうる。但し、計測装置１Ｃにおいては、計測光が集光レンズの中心部を往復するため、波面収差の小さな高性能な集光レンズで装置を構成することができる。このため、干渉光学系１１１０をダブルパスのヘテロダイン干渉系で構成した場合にも、計測装置１Ｃは、計測面ＴＳの形状を高精度に計測することができる。具体的には、計測装置１Ｃは、干渉光学系１１１０を保持するステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得することで、計測面ＴＳの形状を高精度に計測することができる。更に、計測光は、集光レンズ１１０２の中央部のみを通過するため、集光レンズ１１０２の設計及び製造が簡便となり、高精度、且つ、安価な３次元形状計測装置が具現化される。
【００６７】
＜第５の実施形態＞
図１２は、本発明の第５の実施形態における計測装置１Ｄの構成を示す概略図である。計測装置１Ｄは、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【００６８】
計測装置１Ｄは、主な構成として、第２光源９０９と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｄと、オートフォーカス系１４０とを有する。また、計測装置１Ｄは、計測面ＴＳを収納するチャンバー１２０２と、チャンバー１２０２に配置され、計測光が透過する透過窓１２０１とを有する。干渉光学系１３０Ｄは、本実施形態では、第２光源９０９からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ９０５との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｄにおいて、干渉光学系１３０Ｄは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【００６９】
計測装置１Ｄの主な特徴として、集光レンズ１２００（干渉光学系１３０Ｄ）は、透過窓１２０１の光学特性を考慮して設計されている。具体的には、集光レンズ１２００及び透過窓１２０１は、集光レンズ１２００及び透過窓１２０１を介して計測面ＴＳに集光される光の波面収差が許容条件を満たすように（例えば、波面収差がないように）光学設計（形成）されている。従って、計測装置１Ｄは、チャンバー１２０２（の内部）に角度θを有して配置された計測面ＴＳの形状を、透過窓１２０１を介して、良好に計測することができる。
【００７０】
第１光源９０１から射出された光（平行光）は、第３の実施形態の場合と同様に、基準ミラー１０５と両面ミラー９０４とで反射した第１計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、基準ミラー１０５に対する、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｄを含む干渉光学系１２１０の上下の動き（即ち、干渉光学系１２１０の状毛方向の位置）を高精度に計測することができる。
【００７１】
また、第２光源９０９から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源９０９から射出された光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後に、コーナーキューブを通過する光と、λ／４板１０４、両面ミラー９０４、集光レンズ１２００、透過窓１２０１などを通過する光とに分離される。そして、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系１２１０を基準として、透過窓１２０１を介して、高精度に計測することができる。
【００７２】
計測装置１Ｄは、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｄを含む干渉光学系１２１０を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１２１０の上下の動きを高精度に計測する。これにより、干渉光学系１２１０の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、透過窓１２０１を介して、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【００７３】
次に、計測装置１Ｄにおける干渉光学系１３０Ｄの構成を詳細に説明する。第２光源９０９から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ｄの偏光ビームスプリッタ９０５に入射する。第２光源９０９は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ９０５は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、第２光源９０９からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、第２光源９０９からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブに入射する。
【００７４】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となる。そして、λ／４板１０４を透過した光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後、集光レンズ１２００及び透過窓１２０１を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。ここで、透過窓１２０１は、上述したように、チャンバー１２０２に配置され、計測面ＴＳは、チャンバー１２０２の内部に配置されている。従って、計測面ＴＳの表面形状の計測は、透過窓１２０１を透過した計測光を用いて行われる。透過窓１２０１が配置されたチャンバー１２０２は、真空チャンバーでもよいし、恒温チャンバーであってもよい。本実施形態では、透過窓１２０１を介して、計測光をチャンバー１２０２の内部に導くことが可能である。
【００７５】
計測装置１Ｄにおいては、計測面ＴＳの計測に計測光の位相の変化を用いるため、透過窓１２０１は、屈折率分布の均一性に関する光学特性に優れた材料、例えば、合成石英で構成するとよい。例えば、透過窓１２０１の光学特性としては、波長３６５ｎｍにおいて、ホモジニティが１ｐｐｍ程度、複屈折が１０ｎｍ／ｃｍ程度、波長６３３ｎｍにおける透過波面がλ／４程度であるとよい。
【００７６】
また、上述したように、集光レンズ１２００は、透過窓１２０１の光学特性を考慮して設計されている。例えば、集光レンズ１２００と透過窓１２０１とで構成された光学系に無収差の平行光が入射した場合には、計測面ＴＳ上に、波面収差のない良好な光スポットが集光されるように、集光レンズ１２００及び透過窓１２０１が光学設計されている。
【００７７】
計測面ＴＳで反射された光は、再度、透過窓１２０１及び集光レンズ１２００を透過して無収差の平行光となり、偏光ビームスプリッタ９０５を透過してλ／４板１０４に入射する。λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ９０５で反射され、ハーフミラー１１９で反射された後、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０で構成された検出部１１１に入射する。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００７８】
本実施形態においては、計測面ＴＳがチャンバー１２０２の内部に配置されていても、計測光が計測面ＴＳの上に、波面収差のない良好な光スポットとして集光されるように調整された状態で、計測光の光路長の変化を求めることが可能である。この際、計測光は、計測面ＴＳが角度θで傾いていても、集光レンズ１２００を透過した後では、無収差の平面波となる。従って、計測面ＴＳの角度θに依存することなく、透過窓１２０１を介して、計測光の光路長の変化を高精度に求めることができる。
【００７９】
また、本実施形態では、透過窓１２０１は１枚で構成されているが、これに限定されるものではなく、透過窓１２０１を２枚以上で構成してもよい。この場合には、集光レンズ１２００を、２枚以上の透過窓１２０１の光学特性を考慮して、計測面ＴＳに集光される光の収差が最小となるように光学設計をすればよい。
【００８０】
また、チャンバー１２０２に配置される透過窓１２０１を、厚さの異なる複数の透過窓と交換可能に構成する場合には、集光レンズ１２００に収差補正環などの波面収差調整機構を配置すればよい。これにより、透過窓の厚さが変わることによって発生する収差を、波面収差調整機構によって簡便に除去することができる。ここで、集光レンズ１２００に配置する収差補正環は、例えば、集光レンズ１２００を構成するレンズ群の一部を光軸方向に移動させる機能を有し、その機能によって簡便に収差を調整することが可能な光学部品である。また、波面収差調整機構を、１枚の透過窓１２０１の面内の厚さムラに応じて動作させることによって、透過窓１２０１の面内の厚さムラによって生じる波面収差分布を補正（低減）してもよい。
【００８１】
また、計測装置１Ｄは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｄからの光（集光レンズ１２００によって集光される光）が、チャンバー１２０２の内部に配置された計測面ＴＳの上の複数の位置に、透過窓１２０１介して、順次入射するように干渉光学系１３０Ｄを位置決めする。また、このように位置決めした状態において、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、チャンバー１２０２の内部に傾角θを有して配置された計測面ＴＳの形状を、透過窓１２０１を介して、高精度に計測することができる。
【００８２】
＜第６の実施形態＞
図１３は、本発明の第６の実施形態における計測装置１Ｅの構成示す概略図である。計測装置１Ｅは、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【００８３】
計測装置１Ｅは、主な構成として、第２光源９０９と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｅとを有する。図１３では、図示を省略しているが、計測装置１Ｅは、オートフォーカス系１４０も有する。干渉光学系１３０Ｅは、本実施形態では、第２光源９０９からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ９０５との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｅにおいて、干渉光学系１３０Ｅは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【００８４】
計測装置１Ｅの主な特徴として、計測面ＴＳで反射した計測光の中心位置を検出する位置検出部１３０２を用いて、角度θを有して配置された計測面ＴＳを計測する際に、計測光のシフトによる計測誤差を補正（除去）する。従って、計測装置１Ｅ（干渉光学系１３０Ｅ）においては、計測光のシフトの影響を受けずに、計測面ＴＳを高精度に計測することができる。また、計測光のシフトによる計測誤差の補正処理や関連情報の記憶は、処理部１１３において行われる。
【００８５】
第１光源９０１から射出された光（平行光）は、第３の実施形態の場合と同様に、基準ミラー１０５と両面ミラー９０４とで反射した第１計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、基準ミラー１０５に対する、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｅを含む干渉光学系１３１０の上下の動き（干渉光学系１３１０の上下方向の位置）を高精度に計測することができる。
【００８６】
また、第２光源９０９から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源９０９から射出された光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後に、コーナーキューブを通過する光と、λ／４板１０４、両面ミラー９０４、集光レンズ９０６などを通過する光とに分離される。そして、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系１３１０を基準として、高精度に計測することができる。また、干渉光学系１３０は、計測面ＴＳで反射した計測光の中心位置を検出する位置検出部１３０２を含む。
【００８７】
計測装置１Ｅは、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｅを含む干渉光学系１３１０を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１３１０の上下の動きを高精度に計測することができる。従って、干渉光学系１３１０の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【００８８】
次に、計測装置１Ｅにおける干渉光学系１３０Ｅの構成を詳細に説明する。第２光源９０９から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ｅの偏光ビームスプリッタ９０５に入射する。第２光源９０９は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ９０５は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、第２光源９０９からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１０４に入射する。また、第２光源９０９からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ９０５を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブに入射する。
【００８９】
λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後、集光レンズ９０６を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。
【００９０】
ここで、計測面ＴＳが角度θを有する場合と、計測面ＴＳが角度を有していない場合（θ＝０の場合）とを比較する。計測面ＴＳが角度θを有する場合、計測面ＴＳで反射された光１３００は、集光レンズ９０６の焦点距離をｆとすると、Δｄ＝ｆ・ｔａｎ２θだけ集光レンズ９０６の面内でシフトした位置に入射する。その後、集光レンズ９０６を透過した第２計測光は、平行光となり、偏光ビームスプリッタ９０５を透過してλ／４板１０４に入射する。λ／４板１０４に入射した光は、λ／４板１０４を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１０４を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ９０５で反射され、ハーフミラー１１９で反射された後、レンズ１０９及びフォトダイオード１１０で構成された検出部１１１に入射する。検出部１１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１１３は、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。
【００９１】
計測面ＴＳが角度θを有する場合、第２計測光は、計測面Ｔが有する角度θ＝０の場合に比べて、偏光ビームスプリッタ９０５、λ／４板１０４、両面ミラー９０４などの光学部品に対して、Δｄ＝ｆ・ｔａｎ２θだけ面内でシフトした位置を通過する。従って、それぞれの光学部品の表面形状や透過波面に面内分布がある場合には、それが第２計測光の光路長の違いとなり、更には、計測面ＴＳの表面形状の計測誤差の要因になる。
【００９２】
そこで、本実施形態では、干渉光学系１３０Ｅにおいて、位置検出部１３０２によって、計測面ＴＳで反射した計測光の中心位置を検出する。換言すれば、位置検出部１３０２は、計測面ＴＳに入射する光の集光レンズ９０６における通過位置と計測面ＴＳで反射した光１３００の集光レンズ９０６における通過位置とのずれ量（シフト）を計測する計測器として機能する。
【００９３】
干渉光学系１３０Ｅにおいて、光路中に配置された部分反射ミラー１３０１は、計測面ＴＳで反射した計測光及び参照面で反射した参照光を、位置検出部１３０２に導く。位置検出部１３０２は、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｅｒ）、４分割センサ、ビーム・プロファイラーなどの計測光の中心位置を計測可能なセンサを含む。ここで、計測光の中心位置は、計測光の光量分布の重心位置であってもよいし、計測光の光量分布のピーク位置であってもよいし、計測光の径の中心であってもよい。また、位置検出部１３０２で検出する計測光の中心位置は、計測光と参照光との干渉光のうち、計測光の中心位置であるため、干渉光に含まれる参照光を偏光板などの偏光素子を用いて除去することで、計測光の中心位置の検出精度を向上させてもよい。
【００９４】
一方、計測装置１Ｅにおいては、各光学部品の表面形状や透過波面の面内分布を予め取得し、計測面ＴＳで反射された光１３００が、集光レンズ９０６などの各光学部品の通過した面内位置に対応して、どの程度光路長が変化するのかを把握する必要がある。ここで、干渉光学系１３０Ｅにおける各光学部品の表面形状や透過波面の面内分布は、２次元の光学干渉計測装置（ＺＹＧＯ社製造）などを用いて予め測定しておけばよい。これにより、計測面ＴＳが有する角度θに応じて発生する計測面ＴＳの計測誤差を予め把握することが可能となる。また、これらの情報に基づいて、位置検出部１３０２で検出された計測光の中心位置に依存した計測誤差を把握することができる。
【００９５】
従って、計測装置１Ｅでは、位置検出部１３０２で検出された計測光の中心位置に基づいて、干渉信号から得られる計測面上の計測箇所の計測値から、計測光のシフトによる計測面ＴＳの表面形状の計測誤差を除去することができる。
【００９６】
本実施形態では、計測面ＴＳで計測光が１回反射する、所謂、シングルパスのヘテロダイン干渉光学系について説明した。但し、位置検出部１３０２を用いて、計測面ＴＳで計測光が２回反射する、所謂、ダブルパスのヘテロダイン干渉光学系においても、計測光のシフトの影響を受けずに、計測面ＴＳの高精度な計測を行うことが可能なことは言うまでもない。
【００９７】
また、計測装置１Ｅは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｅからの光（集光レンズ９０６によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｅを位置決めしながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【００９８】
＜第７の実施形態＞
図１４は、本発明の第７の実施形態における計測装置１Ｆの構成を示す概略図である。計測装置１Ｆは、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【００９９】
計測装置１Ｆは、主な構成として、第２光源９０９と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｆと、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態を計測する計測部１１５を含むオートフォーカス系１４０とを有する。
【０１００】
計測装置１Ｆの主な特徴として、オートフォーカス系１４０で計測されたフォーカス状態（の情報）を処理部１１３に送り、かかるフォーカス状態から得られるフォーカスずれ量（デフォーカス量）による計測誤差を計測面ＴＳの計測値から除去する。これにより、フォーカスずれによる計測誤差の影響を低減し、計測面ＴＳをより高精度に計測することが可能となる。
【０１０１】
干渉光学系１３０Ｆは、本実施形態では、第２光源９０９からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ９０５との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｆにおいて、干渉光学系１３０Ｆは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【０１０２】
第１光源９０１から射出された光（平行光）は、第３の実施形態の場合と同様に、基準ミラー１０５と両面ミラー９０４とで反射した第１計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、基準ミラー１０５に対する、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｆを含む干渉光学系１４１０の上下の動きを高精度に計測することができる。
【０１０３】
また、第２光源９０９から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源９０９から射出された光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後に、コーナーキューブを通過する光と、λ／４板、両面ミラー９０４、集光レンズ９０６などを通過する光とに分離される。そして、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系１４１０を基準として、高精度に計測することができる。
【０１０４】
本実施形態では、オートフォーカス系を構成する計測部１１５で計測された集光レンズ９０６の光軸に沿った方向における位置（計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態）に関する情報が、信号線１４００を介して、処理部１１３に送られる。処理部１１３は、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に応じた計測誤差を、フォーカスずれ量（の情報）に基づいて数値補正する（低減する）ことで、計測面ＴＳの形状をより高精度に計測することができる。また、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に応じた計測誤差は、計測光の波面収差や集束発散によって計測光の径が変化し、計測光と参照光との重なりの度合いが変化することを原因として発生する。ここで、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に応じた計測誤差（即ち、第２計測光の光路長の変化の誤差）は、数値解析や実験結果などから予め把握され、処理部１１３のデータベースに格納されている。
【０１０５】
また、集光レンズ９０６の開口数（ＮＡ）が小さい場合、集光レンズ９０６の焦点範囲内に計測面ＴＳが位置していれば、フォーカスずれ量に応じた計測誤差は、集光レンズ９０６のＮＡの２乗を比例係数として、そのフォーカスずれ量にほぼ比例する。
【０１０６】
一方、計測光の集束発散によって計測光の径の変化し、計測光と参照光との重なりの度合いが変化して発生する計測誤差や、集光レンズ９０６のＮＡが大きい場合の計測誤差は、一般に、フォーカスずれ量に比例しない。従って、このような場合、計測面ＴＳを高精度に計測するためには、上述したように、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態（フォーカスずれ量）に基づいて数値補正することで、フォーカス状態に応じた計測誤差を除去する必要がある。
【０１０７】
計測装置１Ｆは、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｆを含む干渉光学系１４１０を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１４１０の上下の動きを高精度に計測することができる。従って、計測装置１Ｆは、干渉光学系１４１０の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。更に、計測装置１Ｆは、計測部１１５で計測された集光レンズ９０６の光軸に沿った方向における位置に関する情報を用いて、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に依存して発生する計測誤差を低減し、計測面ＴＳを高精度に計測することができる。
【０１０８】
また、計測装置１Ｆは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Fからの光（集光レンズ９０６によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｆを位置決めしながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【０１０９】
＜第８の実施形態＞
図１５は、本発明の第８の実施形態における計測装置１Ｇの構成を示す概略図である。計測装置１Ｇは、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【０１１０】
計測装置１Ｇは、主な構成として、第２光源９０９と、ステージ１０２と、基準ミラー１０５と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｇと、オートフォーカス系１４０と高感度フォーカス検出系１５００とを有する。図１５では、図示を省略しているが、計測装置１Ｇは、第７の実施形態などと同様に、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｇを含む干渉光学系を有する。
【０１１１】
計測装置１Ｇの主な特徴として、計測装置１Ｇは、オートフォーカス系１４０とは別に、高感度フォーカス検出系１５００を有する。計測装置１Ｇでは、高感度フォーカス検出系１５００で検出されたフォーカス状態の情報を処理部１１３に送り、かかるフォーカス状態から得られるフォーカスずれ量（デフォーカス量）による計測誤差を計測面ＴＳの計測値から除去する。これにより、フォーカスずれによる計測誤差の影響を低減し、計測面ＴＳをより高精度に計測することが可能となる。干渉光学系１３０Ｇは、本実施形態では、第２光源９０９からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ９０５との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｇにおいて、干渉光学系１３０Ｇは、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【０１１２】
第２光源９０９から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源９０９から射出された光は、偏光ビームスプリッタ９０５を透過した後に、コーナーキューブを通過する光と、λ／４板、両面ミラー９０４、集光レンズ９０６、などを通過する光とに分離される。そして、検出部１１１で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、上述した干渉光学系１３０Ｇを含む干渉光学系（不図示）を基準として、高精度に計測することができる。
【０１１３】
次に、高感度フォーカス検出系１５００の構成の概要を説明する。フォーカス状態を計測する方法は、例えば、文献２に紹介されている方法を適用可能である。文献２では、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｄｉｓｋ）などの光ディスクのオートフォーカス技術が紹介されている。ここでは、文献２で紹介されている光学系を例に説明する。文献２で紹介されている光学系は、反射光路中に円筒レンズを配置し、受光面に４分割フォトダイオードを用いている。そして、円筒レンズにより反射光に非点収差を形成して、その反射スポットの形状から、フォーカス状態を計測する。なお、文献２とは、「オプトロニクス社発行  光学部品の使い方と留意点」である。
【０１１４】
図１５を参照して、高感度フォーカス検出系１５０の構成を詳細に説明する。半導体レーザ１５０１から発散しながら射出されたレーザ光は、光軸に対して斜めに配置されたビームスプリッタ１５０２で一部分が透過し、対物レンズ１５０３によって計測面ＴＳ上に集光される。計測面ＴＳに集光されたレーザ光は、計測面ＴＳで反射して対物レンズ１５０３に入射し、ビームスプリッタ１５０２で一部分が反射し、円筒レンズ１５０４で非点収差を形成させながら、４分割フォトダイオード１５０５上に集光される。フォーカス信号処理部１５０６は、４分割フォトダイオード１５０５の電気信号を処理して、計測面ＴＳ上でのレーザ光のフォーカス状態を検出し、更に、計測面ＴＳと高感度フォーカス検出系１５００との位置関係を高精度に求める。集光レンズ９０６と高感度フォーカス検出系１５００との位置関係は既知であるため、高感度フォーカス検出系１５００で検出されたフォーカス状態から、集光レンズ９０６と計測面ＴＳとの位置関係を高精度に求めることが可能である。このように、高感度フォーカス検出系１５００は、集光レンズ９０６（干渉光学系１３０Ｇ）と計測面ＴＳとの間の距離を計測する計測器としても機能する。計測装置１Ｇでは、例えば、対物レンズ１５０３のＮＡを、集光レンズ９０６のＮＡより大きくすることで、より検出感度の高いフォーカス検出系を構成することが可能である。
【０１１５】
一方、計測装置１Ｇでは、高感度フォーカス検出系１５００の対物レンズ１５０３のＮＡを、集光レンズ９０６のＮＡに拘束されることなく、所定の値に選択することも可能である。
【０１１６】
また、高感度フォーカス検出系１５００は、フォーカス状態を得るための光源として、専用の光源である半導体レーザ１５０１を用いている。これは、フォーカス状態を得るための光源に、ヘテロダイン干渉信号を生成するための計測光そのものを利用したオートフォーカス系１４０とは、異なった構成となっている。従って、計測装置１Ｇでは、第２光源９０９からの光が、計測面ＴＳ上のゴミやキズなどによって散乱されたり、遮断されたりして、計測部１１５で所定の光量の光を計測できない状態でも、計測面ＴＳの計測を継続することが可能である。これは、高感度フォーカス検出系１５００によって、集光レンズ９０６と計測面ＴＳとの位置関係を計測することができるからである。
【０１１７】
従って、計測装置１Ｇでは、計測面ＴＳ上に微小なゴミなどが存在した場合であっても、集光レンズ９０６の焦点深度の範囲内に計測面ＴＳの上の計測箇所を位置させることができる。換言すれば、計測面ＴＳ上の微小なゴミやキズの影響を受けることなく、干渉光学系１３０Ｇからの集光光を、良好に計測面ＴＳ上で走査させることができる。これにより、計測面ＴＳの全面を計測した後に、微小なゴミなどを原因として発生する局所的な欠落（異常値）による計測精度への悪影響を、干渉信号から得られる計測箇所の計測値から除去することが可能となる。従って、計測装置１Ｇは、計測面ＴＳ上に微小なゴミなどが存在した場合でも、計測動作を止めることなく、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【０１１８】
また、計測装置１Ｇでは、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に応じた計測誤差（即ち、第２計測光の光路長の変化の誤差）は、数値解析や実験結果などから予め把握され、処理部１１３のデータベースに格納されている。そして、処理部１１３において、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態から得られるフォーカスずれ量（デフォーカス量）による計測誤差を計測面ＴＳの計測値から除去する。これにより、フォーカスずれによる計測誤差の影響を低減し、計測面ＴＳをより高精度に計測することが可能となる。
【０１１９】
計測装置１Ｇは、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｇを含む干渉光学系（不図示）を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１３０Ｇを含む干渉光学系（不図示）の上下の動きを高精度に計測することができる。従って、計測装置１Ｇは、干渉光学系１３０Ｇを含む干渉光学系（不図示）の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。更に、計測装置１Ｇは、高感度フォーカス検出系１５００で検出されたフォーカス状態を用いて、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態に依存して発生する計測誤差を低減し、計測面ＴＳを高精度に計測することができる。
【０１２０】
また、本実施形態では、高感度フォーカス検出系１５００を１箇所に配置しているが、複数箇所に配置してもよい（即ち、複数の高感度フォーカス検出系１５００を配置してもよい）。これにより、１つの高感度フォーカス検出系１５００が計測面ＴＳ上のゴミなどの影響でフォーカス状態を検出できない場合にも、他の高感度フォーカス検出系１５００を用いて、計測面ＴＳに集光される光のフォーカス状態を検出することができる。
【０１２１】
また、計測装置１Ｇは、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｇからの光（集光レンズ９０６によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｇを位置決めしながら、検出部１１１でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１１１で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【０１２２】
＜第９の実施形態＞
図１６は、本発明の第９の実施形態における計測装置１Ｈ１の構成を示す概略図である。計測装置１Ｈ１は、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【０１２３】
計測装置１Ｈ１は、主な構成として、第２光源１６００と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｈ１とを有する。図１６では、図示を省略しているが、計測装置１Ｈ１は、オートフォーカス系１４０と、第７の実施形態などと同様に、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｈ１を含む干渉光学系とを有する。干渉光学系１３０Ｈ１は、本実施形態では、第２光源１６００からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ１６１８との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｈ１において、干渉光学系１３０Ｈ１は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【０１２４】
計測装置１Ｈ１の主な特徴として、光コム光源で第２光源１６００を構成し、基準面ＴＳと干渉光学系の光路上の基準位置、本実施形態では、計測面ＴＳと両面ミラー９０４との間の絶対距離を求めることで、計測面ＴＳの表面形状を計測する。
【０１２５】
第２光源１６００から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源１６００から射出された光は、偏光ビームスプリッタ１６１８を透過した後にコーナーキューブを通過する光と、偏光ビームスプリッタ１６１８で反射した後にλ／４板、両面ミラー９０４、集光レンズ１６２０などを通過する光とに分離される。そして、検出部１６２２で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系１３０Ｈ１を含む干渉光学系を基準として、高精度に計測することができる。
【０１２６】
計測装置１Ｈ１は、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｈ１を含む干渉光学系を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１３０Ｈ１を含む干渉光学系の上下の動きを高精度に計測することができる。従って、干渉光学系１３０Ｈ１を含む干渉光学系の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【０１２７】
計測装置１Ｈ１の特徴である第２光源１６００について説明する。第２光源１６００は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。また、第２光源１６００は、上述したように、光コム光源で構成されている。これにより、第２光源１６００から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を、絶対値（絶対距離）として求めることができる。従って、干渉光学系１３０Ｈ１は、光コム光源である第２光源１６００を用いた絶対距離計測装置として機能し、両面ミラー９０４と計測面ＴＳの間隔を絶対距離として計測することができる。なお、光コム光源を用いた絶対距離計測装置については、特開２０１０−１４５４９号公報に開示されている。
【０１２８】
第２光源１６００の構成について詳細に説明する。第２光源１６００は、絶対距離計測装置を実現するために、光コム光源で構成される。第２光源１６００においては、波長１．５５μｍの分布ブラッグ反射型レーザ光源（ＤＦＢレーザ光源）を含むレーザ光源１６０１からの光が、ビームスプリッタ１６０４によって分割され、光周波数コム発生器１６０８と光周波数コム発生器１６０２に入射する。光周波数コム発生器１６０８及び光周波数コム発生器１６０２のそれぞれは、周波数ｆｍ＋Δｆｍで発振する発振器１６０９と周波数ｆｍで発振する発振器１６０３によって駆動される。発振器１６０９及び発振器１６０３が共通の基準発振器（不図示）によって位相同期されることで、ｆｍ＋Δｆｍとｆｍの相対周波数が安定する。光周波数コム発生器１６０８の前段には、音響光学周波数シフタ１６０６が配置され、入射する光に、音響光学周波数シフタ１６０６及び発振器１６０７によって、周波数ｆａの光周波数シフトを与える。
【０１２９】
本実施形態では、ビームスプリッタ１６０４で分割された光は、折り曲げミラー１６０５、折り曲げミラー１６１０、ビームスプリッタ１６１１を介して、合波される。このようにして合波された光は、光ファイバ１６１７を用いて干渉光学系１３０Ｈ１に導いてもよいし、折り曲げミラーなどを用いて干渉光学系１３０Ｈ１に導いてもよい。
【０１３０】
上述したように、レーザ光源１６０１は、波長１．５５μｍのＤＦＢレーザを含む。従って、干渉光学系１３０Ｈ１などを構成する光学部品のうち、波長１．５５μｍの光が通過する光学部品には、波長１．５５μｍの光が透過又は反射することが可能な光学部品を用いる必要がある。
【０１３１】
次に、計測装置１Ｈ１における干渉光学系１３０Ｈ１の構成を詳細に説明する。第２光源１６００から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ｈ１の偏光ビームスプリッタ１６１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１６１８は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、第２光源１６００からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１６１８で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１６１９に入射する。また、第２光源１６００からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１６１８を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブに入射する。
【０１３２】
λ／４板１６１９に入射した光は、λ／４板１６１９を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１６１９を再び透過してＰ偏光の光となる。λ／４板１６１９を透過した光は、偏光ビームスプリッタ１６１８を透過した後、集光レンズ１６２０を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１６２０を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ１６１８を透過してλ／４板１６１９に入射する。λ／４板１６１９に入射した光は、λ／４板１６１９を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１６１９を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１６１８で反射され、ハーフミラー１６２１で反射された後、レンズ１６２３及びフォトダイオード１６２４で構成された検出部１６２２に入射する。ここで、ハーフミラー１６２１は、ハーフミラー１６２１を透過する光（透過光）とハーフミラー１６２１で反射される光（反射光）とを適当な割合で分割する光学素子であって、透過光と反射光とをそれぞれ５０％に分割する光学素子に限定されるものではない。検出部１６２２では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１６２５は、検出部１６２２で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。なお、処理部１６２５から出力される、計測光の光路長の変化に対応した干渉信号を、計測光干渉信号と称する。
【０１３３】
また、第２光源１６００からの光のうち、一部の光は、ハーフミラー１６１２で反射された後、レンズ１６１４及びフォトダイオード１６１５で構成された検出部１６１３に入射する。検出部１６１３では、第２光源１６００からの光の干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号が取得される。処理部１６１６は、検出部１６１３で検出された干渉信号に基づいて、計測の基準となる基準信号を出力する。ここで、処理部１６１６から出力される、第２光源１６００からの光に対応した干渉信号を、基準光干渉信号と称する。
【０１３４】
信号処理部１６２６では、処理部１６２５から出力される計測光干渉信号と、処理部１６１６から出力される基準光干渉信号とを比較することで、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとの間隔を、絶対距離で求めることできる。
【０１３５】
このように、干渉光学系１３０Ｈ１では、計測面ＴＳの表面形状を、絶対距離計測の技術を用いて計測することができる。従って、計測装置１Ｈ１では、計測面ＴＳ上に微小なゴミやキズなどが存在して、干渉光学系１３０Ｈ１によるヘテロダイン干渉信号が局所的に欠落したり異常値となったりする場合であっても、その他の箇所では、計測面ＴＳを良好に計測することができる。このように、計測装置１Ｈ１は、計測面ＴＳ上に異物やキズが存在しても、絶対距離計測の特徴によって、計測動作を止めることなく、計測面ＴＳの形状を計測することができる。なお、異物やキズなどを原因とする局所的な計測値の欠落や異常値は、計測面ＴＳの全面を計測して得られた計測値から除去することにより、その影響を受けることなく、計測面ＴＳの形状の計測をすることができる。
【０１３６】
干渉光学系１３０Ｈ１では、絶対距離計測の技術を用いるため、計測面ＴＳの周辺部の計測時に誤って計測光が計測面ＴＳからずれてしまっても、再び計測面ＴＳに計測光を戻すことで、その影響を受けることなく、計測面ＴＳの計測を継続することができる。これにより、干渉光学系１３０Ｈ１では、計測面ＴＳの周辺部の計測時に干渉光学系１３０Ｈ１のスキャンスピードを落とす必要性が低減するため、計測面ＴＳをより高速に計測することができる。
【０１３７】
干渉光学系１３０Ｈ１では、偏光ビームスプリッタ１６１８によって計測光と参照光とを分離し、かかる計測光及び参照光を両面ミラー９０４及びコーナーキューブのそれぞれに入射させてヘテロダイン計測を行っている。但し、偏光に関係なく光を部分的に反射及び透過するハーフミラーによって計測光と参照光とを分離し、かかる計測光及び参照光を両面ミラー９０４及びコーナーキューブのそれぞれに入射させてホモダイン計測を行ってもよい。この場合には、第２光源１６００からの光を、ヘテロダイン光源ではなく、ホモダイン光源にして、計測装置１Ｈ１を構成すればよい。
【０１３８】
また、計測装置１Ｈ１は、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１６２２でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｈ１からの光（集光レンズ１６２０によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｈ１を位置決めしながら、検出部１６２２でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１６２２で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【０１３９】
＜第１０の実施形態＞
図１７は、本発明の第１０の実施形態における計測装置１Ｈ２の構成を示す概略図である。計測装置１Ｈ２は、計測面で反射された計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブを備えた３次元形状計測装置として具現化される。
【０１４０】
計測装置１Ｈ２は、主な構成として、第２光源１７００と、干渉光学系（計測用干渉光学系）１３０Ｈ２とを有する。図１７では、図示を省略しているが、計測装置１Ｈ２は、オートフォーカス系１４０と、第７の実施形態などと同様に、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｈ２を含む干渉光学系とを有する。干渉光学系１３０Ｈ２は、本実施形態では、第２光源１７００からの光が計測面ＴＳと偏光ビームスプリッタ１７１８との間を１回往復するシングルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。また、計測装置１Ｈ２において、干渉光学系１３０Ｈ２は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。
【０１４１】
計測装置１Ｈ２の主な特徴として、分布帰還型レーザ光源（ＤＢＲレーザ光源）で第２光源１７００を構成し、計測面ＴＳと両面ミラー９０４との間の絶対距離を求めることで、計測面ＴＳの表面形状を計測する。なお、ＤＢＲレーザを用いた絶対距離計測装置については、特開平３−２６９３０２号公報に開示されている。
【０１４２】
第２光源１７００から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。第２光源１７００から射出された光は、偏光ビームスプリッタ１７１８を透過した後にコーナーキューブを通過する光と、偏光ビームスプリッタ１７１８で反射した後にλ／４板、両面ミラー９０４、集光レンズ１７２０などを通過する光とに分離される。そして、検出部１７２２で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。このようにして第２計測光の光路長の変化を求めることにより、計測面ＴＳの面形状を、干渉光学系１３０Ｈ２を含む干渉光学系を基準として、高精度に計測することができる。
【０１４３】
計測装置１Ｈ２は、シングルパス光学系である干渉光学系１３０Ｈ２を含む干渉光学系を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。そして、第１計測光の光路長の変化を求めることにより、干渉光学系１３０Ｈ２を含む干渉光学系の上下の動きを高精度に計測することができる。従って、干渉光学系１３０Ｈ２を含む干渉光学系の上下の動きの影響を受けることなく、計測装置１や計測装置１Ａと同様に、基準ミラー１０５を基準として、計測面ＴＳの形状を数ｎｍ以下の高精度で計測することができる。
【０１４４】
第２光源１７００は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。また、第２光源１７００は、絶対距離を計測するための光源で構成されている。これにより、第２光源１７００から射出された光（平行光）は、両面ミラー９０４と計測面ＴＳとで反射した第２計測光の光路長の変化を、絶対値（絶対距離）として求めることができる。従って、干渉光学系１３０Ｈ２は、第２光源１６００を用いた絶対距離計測装置として機能し、両面ミラー９０４と計測面ＴＳの間隔を絶対距離として計測することができる。
【０１４５】
計測装置１Ｈ２は、図１７に示すように、第２光源１７００と、干渉位相測定部と、演算部とを有する。第２光源１７００は、光源１７１５と、補正部１７１６とを含む。干渉位相測定部は、干渉光学系１３０Ｈ２を含む。演算部は、処理部１７２５と、信号処理部１７２６とを含む。
【０１４６】
第２光源１７００の構成について詳細に説明する。第２光源１７００は、絶対距離を計測するための光源として、ＤＢＲレーザを用いている。ＤＢＲレーザにおいて使用可能な波長は、６３３ｎｍ、８３０ｎｍ、１５５０ｎｍなどの複数の波長があるが、本実施形態においては、波長８３０ｎｍのＤＢＲレーザを用いている。従って、干渉光学系１３０Ｈ２などを構成する光学部品のうち、波長８３０ｎｍの光が通過する光学部品には、波長８３０ｎｍの光が透過又は反射することが可能な光学部品を用いる必要がある。
【０１４７】
光源１７１５は、ＤＢＲレーザ１７０１と、コリメータレンズ１７０２と、ハーフミラー１７０８、ハーフミラー１７０９と、Ｒｂガスセル１７０３と、光センサ（フォトダイオード）１７０５と、光センサ１７０６と、比較器１７０７とを含む。ＤＢＲレーザ１７０１は、駆動電流により発振周波数を変化させることができる。光センサ１７０５は、ＤＢＲレーザ１７０１からの光の強度を直接計測する。光センサ１７０６は、Ｒｂガスセル１７０３を通過した後の光の強度を計測する。なお、駆動電流により発振周波数を変化させることができる光源として、本実施形態では、ＤＢＲレーザ１７０１を用いているが、同様に、駆動電流により発振周波数を変化させることができるＤＦＢレーザを用いてもよい。
【０１４８】
補正部１７１６は、ハーフミラー１７１０、ハーフミラー１７１１と、反射ミラー１７１２と、基準長Ｌｒを有する基準ギャップ１７１３と、光センサ１７１４とを含む。基準ギャップ１７１３は、ゼロデュアー、スーパーインバーなどの低熱膨脹率の材料で構成されている。光源１７１５からの光は、ハーフミラー１７１０を介して、光源１７００から射出される。
【０１４９】
図１７には図示していないが、光源１７００からの光をホモダイン計測に用いる場合には、λ／２板やλ／４板を配置して、光源１７００からの光の偏光特性を調整するとよい。また、光源１７００からの光をヘテロダイン計測に用いる場合には、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いて、周波数及び偏光方向の異なる２つの光からなる、所謂、ヘテロダイン光源とすればよい。
【０１５０】
第２光源１７００からの光は、光ファイバ１７１７を用いて干渉光学系１３０Ｈ２に導いてもよいし、折り曲げミラーなどを用いて干渉光学系１３０Ｈ２に導いてもよい。特に、光の偏光特性を利用する場合には、光ファイバ１７１７は、偏波面保存ファイバであるとよい。
【０１５１】
次に、計測装置１Ｈ２における干渉光学系１３０Ｈ２の構成を詳細に説明する。第２光源１７００から射出された光（平行光）は、ステージ１０２に保持された干渉光学系１３０Ｈ２の偏光ビームスプリッタ１７１８に入射する。本実施形態では、光源１７００からの光は、ＡＯＭを用いて、周波数と偏光方向の異なる２つの光からなる、所謂、ヘテロダイン光源からの光として用いている。偏光ビームスプリッタ１７１８は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、第２光源１７００からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１７１８で反射されてＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１７１９に入射する。また、第２光源１７００からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１７１８を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブに入射する。
【０１５２】
λ／４板１７１９に入射した光は、λ／４板１７１９を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１７１９を再び透過してＰ偏光の光となる。λ／４板１７１９を透過した光は、偏光ビームスプリッタ１７１８を透過し、集光レンズ１７２０を介して、計測ステージ１１７に保持された計測面ＴＳの上に集光される（計測面ＴＳの上に焦点を結ぶ）。
【０１５３】
計測面ＴＳで反射された光は、集光レンズ１７２０を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ１７１８を透過してλ／４板１７１９に入射する。λ／４板１７１９に入射した光は、λ／４板１７１９を透過して円偏光の光となり、両面ミラー９０４で反射される。両面ミラー９０４で反射された光は、λ／４板１７１９を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１７１８で反射され、ハーフミラー１７２１で反射された後、レンズ１７２３及びフォトダイオード１７２４で構成された検出部１７２２に入射する。検出部１７２２では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。処理部１７２５は、検出部１７２２で検出された干渉信号に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。なお、処理部１７２５から出力される、計測光の光路長の変化に対応した干渉信号を、計測光干渉信号と称する。
【０１５４】
また、第２光源１７００からの光のうち、一部の光は、光センサ１７１４に入射し、検出された干渉信号に基づいて、計測の基準となる基準信号を出力する。なお、光センサ１７１４から出力される、第２光源１７００からの光に対応した干渉信号を、基準光干渉信号と称する。信号処理部１７２６では、処理部１７２５から出力される計測光干渉信号と、光センサ１７１４から出力される基準光干渉信号とを比較することで、両面ミラー９０４と計測面ＴＳの間隔を、絶対距離で求めることができる。
【０１５５】
このように、干渉光学系１３０Ｈ２では、計測面ＴＳの表面形状を、絶対距離計測の技術を用いて計測することができる。従って、計測装置１Ｈ２では、計測面ＴＳ上に微小なゴミやキズなどが存在して、干渉光学系１３０Ｈ２によるヘテロダイン干渉信号が局所的に欠落したり異常値となったりする場合であっても、その他の箇所では、計測面ＴＳを良好に計測することができる。このように、計測装置１Ｈ２は、計測面ＴＳ上に異物やキズが存在しても、絶対距離計測の特徴によって、計測動作を止めることなく、計測面ＴＳの形状を計測することができる。なお、異物やキズなどを原因とする局所的な計測値の欠落や異常値は、計測面ＴＳの全面を計測して得られた計測値から除去することにより、その影響を受けることなく、計測面ＴＳの形状の計測をすることができる。
【０１５６】
干渉光学系１３０Ｈ２では、絶対距離計測の技術を用いるため、計測面ＴＳの周辺部の計測時に誤って計測光が計測面ＴＳからずれてしまっても、再び計測面ＴＳに計測光を戻すことで、その影響を受けることなく、計測面ＴＳの計測を継続することができる。これにより、干渉光学系１３０Ｈ２では、計測面ＴＳの周辺部の計測時に干渉光学系１３０Ｈ２のスキャンスピードを落とす必要性が低減するため、計測面ＴＳをより高速に計測することができる。
【０１５７】
干渉光学系１３０Ｈ２では、偏光ビームスプリッタ１７１８によってＳ偏光の光を計測光、Ｐ偏光の光を参照光とし、かかる計測光及び参照光をλ／４板１７１９及びコーナーキューブのそれぞれに入射させてヘテロダイン計測を行っている。但し、偏光に関係なく光を部分的に反射及び透過するハーフミラーによって計測光と参照光とを分離し、かかる計測光及び参照光を両面ミラー９０４及びコーナーキューブのそれぞれに入射させてホモダイン計測を行ってもよい。この場合には、第２光源１７００からの光を、ヘテロダイン光源ではなく、ホモダイン光源にして、計測装置１Ｈ２を構成すればよい。
【０１５８】
また、計測装置１Ｈ２は、Ｘ軸駆動部１５１及びＹ軸駆動部１５２によってステージ１０２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部１７２２でヘテロダイン干渉信号を取得する。換言すれば、干渉光学系１３０Ｈ２からの光（集光レンズ１６２０によって集光される光）が計測面ＴＳの上の複数の位置に順次入射するように干渉光学系１３０Ｈ２を位置決めしながら、検出部１７２２でヘテロダイン干渉信号を取得する。そして、検出部１７２２で取得されたヘテロダイン干渉信号に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面ＴＳの形状を計測することができる。
【０１５９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、集光レンズによって集光される光のフォーカス状態を検知し、かかるフォーカス状態に基づいて、フォーカス状態（集光レンズと計測面との間の距離等）を調整している。しかし、それには限定されず、計測面の目標形状を表す形状情報を記憶する記憶部を用意し、かかる記憶部に記憶された形状情報に基づいて、フォーカス状態を調整してもよい。
【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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