(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装置であって、
前記被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記測定面で反射された前記第１、第２プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第１受光信号、第２受光信号を出力する反射光受光手段と、
前記反射光受光手段から出力された前記第１、第２受光信号に基づいて前記測定面における前記第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段と、
前記被測定物と前記第１、第２プローブ光とを相体移動させて前記測定面における前記第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段と、
前記測定ラインに沿った前記測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段と、
前記基準形状記憶手段に設定記憶された前記基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段と、
前記プローブ光照射手段、前記反射光受光手段、前記角度算出手段及び前記照射位置移動手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記照射位置移動手段により前記測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位において前記角度変換手段により算出された前記基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される前記第１プローブ光が前記測定面に垂直入射するように前記照射位置移動手段の作動を制御するとともに、
第１の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度、及び前記第１の測定部位に隣接する第２の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度における、前記第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、当該誤差成分を補正して前記測定ラインに沿った前記測定面の形状を導出するように構成したことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記傾斜角度の誤差成分は、前記測定部位に固有の誤差成分の総和であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記測定ラインに沿った複数の前記測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の前記測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正することを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記プローブ光照射手段は、
前記第１、第２プローブ光を出射する光学ユニットと、水平に延びる軸回りに揺動可能に設けられ前記光学ユニットから出射された前記第１、第２プローブ光を反射して前記被測定物の前記測定面に照射するミラーとを備え、
前記照射位置移動手段は、
前記被測定物が保持されるワークホルダと、前記ワークホルダを水平面内で直交する二軸方向に移動させるＸ−Ｙステージと、前記ワークホルダの上方に設けられた前記ミラーを揺動させて前記光学ユニットから出射された第１、第２プローブ光を前記ワークホルダに保持された前記被測定物の測定面上で前記測定ラインに沿って移動させる走査機構とを備え、
前記測定部位を前記測定ラインに沿って順次移動させる作動が、前記走査機構により前記ミラーを揺動させることにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記照射位置移動手段に前記ワークホルダを上下に移動させるＺステージを有し、
前記制御手段は、前記光学ユニットから出射され前記測定面に照射される前記第１、第２プローブ光の光路長が、各測定部位において略同一となるように前記照射位置移動手段の作動を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記被測定物と前記測定ラインとを上下に延びる旋回軸回りに相対回動させる旋回機構を備え、前記ワークホルダに保持された前記被測定物を前記旋回軸回りに相対回動させることにより、前記被測定物における任意の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を導出可能に構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記旋回機構により前記ワークホルダに保持された前記被測定物を前記旋回軸回りに所定の角度ピッチで相対回動させて複数の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を測定することにより、前記測定面の形状を導出するように構成したことを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
【請求項８】
被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記測定面で反射された前記第１、第２プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第１受光信号、第２受光信号を出力する反射光受光手段と、前記反射光受光手段から出力された前記第１、第２受光信号に基づいて前記測定面における前記第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段と、前記被測定物と前記第１、第２プローブ光とを相体移動させて前記測定面における前記第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段と、前記測定ラインに沿った前記測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段と、前記基準形状記憶手段に設定記憶された前記基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段と、前記プローブ光照射手段、前記反射光受光手段、前記角度算出手段及び前記照射位置移動手段の作動を制御する制御手段とを備えて構成される形状測定装置において前記制御手段が実行する形状測定制御プログラムであって、
前記照射位置移動手段により前記測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、
各測定部位において、前記角度変換手段により算出された前記基準傾斜角度に基づいて、前記照射位置移動手段により当該測定部位に照射される前記第１プローブ光を前記測定面に垂直入射させるステップと、
前記各測定部位において前記反射光受光手段から出力される前記第１、第２受光信号を取得するステップと、
取得された前記第１、第２受光信号から前記角度算出手段により前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出するステップと、
第１の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度と、前記第１の測定部位に隣接する第２の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得するステップと、
前記第１、第２の測定部位において前記第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出するステップと、
算出された誤差成分に基づいて前記第２または前記第１の測定部位における前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップとを有して構成されることを特徴とする形状測定制御プログラム。
【請求項９】
前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和であることを特徴とする請求項８に記載の形状測定制御プログラム。
【請求項１０】
前記第２または前記第１の測定部位における前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップは、前記測定ラインに沿った複数の前記測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の前記測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正することを特徴とする請求項８または９に記載の形状測定制御プログラム。
【請求項１１】
被測定物の形状を光学的に測定する形状測定方法であって、
プローブ光照射手段により、前記被測定物の測定面に測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射し、
このとき前記測定ラインに沿った前記測定面の基準形状を基準傾斜角度に変換し、前記基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される前記第１プローブ光が前記測定面に垂直入射するように照射位置移動手段により前記被測定物を移動させ、
反射光受光手段により、前記測定面で反射された前記第１、第２プローブ光の反射光を受光して、前記反射光受光手段から受光位置に応じて出力される第１受光信号、第２受光信号に基づいて角度算出手段により前記測定面における前記第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、
照射位置移動手段により、前記被測定物と前記第１、第２プローブ光とを相体移動させて前記測定面における前記第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、
第１の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度と、前記第１の測定部位に隣接する第２の前記測定部位において算出された前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得し、
前記第１、第２の測定部位において前記第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、
算出された誤差成分に基づいて前記第２または前記第１の測定部位における前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正して、
前記測定ラインに沿った前記測定面の形状を導出することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１２】
前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和であることを特徴とする請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１３】
前記第２または前記第１の測定部位における前記第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値の補正は、前記測定ラインに沿った複数の前記測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の前記測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正することを特徴とする請求項１１または１２に記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装置、形状測定制御プログラム及び形状測定方法に関する。例えば、カメラや半導体製造装置、望遠鏡等に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子の形状を精密に測定可能なものであり、特に非球面形状の測定に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の形状を測定する形状測定装置として、触針式のタッチプローブを利用した三次元測定装置が従来から広く用いられてきた。この手法では、触針を被測定物の測定面に接触させて高さ位置を計測し、これを測定面について多数の測定部位について多点計測し、測定点をカーブフィット等により演算処理して形状を測定するように構成されていた。触針の先端部には摩耗による測定誤差を排除するため、例えば工業用ルビーやセラミックなどの比較的硬質なスタイラスチップが取り付けられている。そのため、レンズ、ミラー等の光学素子の形状を測定する場合に、測定面に接触痕が残るおそれがあるという課題があった。
【０００３】
そこで、触針式のタッチプローブに代えてレーザ測長器の測定ヘッドを搭載し、被測定物の測定面に照射したプローブ光の戻り光を受光して測定ヘッドと測定面との間隔（測定面の高さ位置）を測長することにより、被測定物の形状を測定する非接触式の形状測定装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。このように、被測定物の形状を光学的に測定する非接触式の形状測定装置によれば上記接触痕の課題を解決することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−５１６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の非接触式の形状測定装置においては、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブルや門型フレームの移動に伴う誤差を排除することが難しいという課題があった。例えば、多点計測する測定面上の測定部位を、第１測定部位、第２測定部位、第３測定部位…とした場合において、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させて測定部位を第１測定部位→第２測定部位→第３測定部位…のように移動させたときに、第２測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトした場合や微小量シフトした場合、あるいはプローブ光に揺らぎ（例えば周波数変動）が生じたような場合に、従来の非接触式の形状測定装置においては何れも測定面の高さ位置の変化として測定され、別途これらの誤差を検出する検出手段を設けない限り、相対移動に伴う誤差を補正することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することを目的とし、併せて、同様の効果を得ることができる形状測定制御プログラム、形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明を例示する第１の態様は形状測定装置である。この形状測定装置は、被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装置であり、被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射するプローブ光照射手段（例えば、実施形態における光源部２１及びプローブ光生成部２２）と、測定面で反射された第１、第２プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第１受光信号、第２受光信号を出力する反射光受光手段（例えば、実施形態における受光部２５）と、反射光受光手段から出力された第１、第２受光信号に基づいて測定面における第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段（例えば、実施形態における演算部５３）と、被測定物と第１、第２プローブ光とを相体移動させて測定面における第１プローブ光及び第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段（例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット１０、ミラーユニット３０等）と、測定ラインに沿った測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段（例えば、実施形態における記憶部５２）と、基準形状記憶手段に設定記憶された基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段（例えば、実施形態における演算部５３）と、プローブ光照射手段、反射光受光手段、角度算出手段及び照射位置移動手段の作動を制御する制御手段（例えば、実施形態における制御ユニット５０）とを備える。制御手段は、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位において角度変換手段により算出された基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される第１プローブ光が測定面に垂直入射するように照射位置移動手段の作動を制御するとともに、第１の測定部位において算出された第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度、及び第１の測定部位に隣接する第２の測定部位において算出された第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度における、第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、当該誤差成分を補正して測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。
【０００８】
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、測定部位に固有の誤差成分の総和とすることができる。
【０００９】
また、前記制御手段は、前記測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出し補正して測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成することができる。
【００１０】
また、前記プローブ光照射手段は、第１、第２プローブ光を出射する光学ユニットと、水平に延びる軸回りに揺動可能に設けられ光学ユニットから出射された第１、第２プローブ光を反射して被測定物の測定面に照射するミラーとを備えて構成し、前記照射位置移動手段は、被測定物が保持されるワークホルダと、ワークホルダを水平面内で直交する二軸方向に移動させるＸ−Ｙステージと、ワークホルダの上方に設けられたミラーを揺動させて光学ユニットから出射された第１、第２プローブ光をワークホルダに保持された被測定物の測定面上で測定ラインに沿って移動させる走査機構とを備えて構成し、前記測定部位を測定ラインに沿って順次移動させる作動が、走査機構によりミラーを揺動させることにより行われるように構成しても良い。また、前記照射位置移動手段にワークホルダを上下に移動させるＺステージを有し、前記制御手段は、光学ユニットから出射され測定面に照射される第１、第２プローブ光の光路長が、各測定部位において略同一となるように照射位置移動手段の作動を制御するように構成しても良い。
【００１１】
また、前記被測定物と前記測定ラインとを上下に延びる旋回軸回りに相対回動させる旋回機構（例えば、実施形態におけるθzステージ）を備え、ワークホルダに保持された被測定物を旋回軸回りに相対回動させることにより、被測定物における任意の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を導出可能に構成しても良い。この場合において、旋回機構によりワークホルダに保持された被測定物を旋回軸回りに所定の角度ピッチで相対回動させて複数の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を測定することにより、測定面の形状を導出するように構成することができる。
【００１２】
本発明を例示する第２の態様は形状測定制御プログラムである。この形状測定制御プログラムは、以下のような形状測定装置において制御手段が実行する形状測定制御プログラムである。形状測定装置は、被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射するプローブ光照射手段（例えば、実施形態における光源部２１及びプローブ光生成部２２）と、測定面で反射された第１、第２プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第１受光信号、第２受光信号を出力する反射光受光手段（例えば、実施形態における受光部２５）と、反射光受光手段から出力された第１、第２受光信号に基づいて測定面における第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段（例えば、実施形態における演算部５３）と、被測定物と第１、第２プローブ光とを相体移動させて測定面における第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段（例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット１０、ミラーユニット３０等）と、測定ラインに沿った測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段（例えば、実施形態における記憶部５２）と、基準形状記憶手段に設定記憶された基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段（例えば、実施形態における演算部５３）と、プローブ光照射手段、反射光受光手段、角度算出手段及び照射位置移動手段の作動を制御する制御手段（例えば、実施形態における制御ユニット５０）とを備えて構成される。そして、第２の態様の形状測定制御プログラムは、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、各測定部位において、角度変換手段により算出された基準傾斜角度に基づいて、照射位置移動手段により当該測定部位に照射される第１プローブ光を測定面に垂直入射させるステップと、各測定部位において反射光受光手段から出力される第１、第２受光信号を取得するステップと、取得された第１、第２受光信号から角度算出手段により第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出するステップと、第１の測定部位において算出された第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度と、第１の測定部位に隣接する第２の測定部位において算出された第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得するステップと、第１、第２の測定部位において第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出するステップと、算出された誤差成分に基づいて前記第２または第１の測定部位における第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップとを有して構成される。
【００１３】
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和とすることができる。
【００１４】
また、前記第２または第１の測定部位における第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップは、前記測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正するように構成することができる。
【００１５】
本発明を例示する第３の態様は形状測定方法である。この形状測定方法は被測定物の形状を光学的に測定する形状測定方法であり、プローブ光照射手段（例えば、実施形態における光源部２１及びプローブ光生成部２２）により、被測定物の測定面に測定ラインに沿って所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射し、このとき測定ラインに沿った測定面の基準形状を基準傾斜角度に変換し、この基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される第１プローブ光が前記測定面に垂直入射するように照射位置移動手段（例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット１０、ミラーユニット３０等）により被測定物を移動させ、反射光受光手段（例えば、実施形態における受光部２５）により測定面で反射された第１、第２プローブ光の反射光を受光して、反射光受光手段から受光位置に応じて出力される第１受光信号、第２受光信号に基づいて角度算出手段（例えば、実施形態における演算部５３）により測定面における第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、照射位置移動手段により被測定物と第１、第２プローブ光とを相体移動させて測定面における第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、第１、第２の測定部位において第１、第２プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第２または第１の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、算出された誤差成分に基づいて第２または第１の測定部位における第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正して、測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。
【００１６】
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和することができる。
【００１７】
また、前記第２または第１の測定部位における第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値の補正は、測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正するように構成することができる。
【００１８】
なお、本明細書において前記所定間隔と同程度離間した位置は、第１、第２プローブ光を測定ラインに沿って所定間隔移動させたときに、移動前後の第１、第２プローブ光が重複する範囲内で、移動前後に測定される傾斜角が同一視し得る誤差範囲内の位置領域をいい、例えば第１、第２プローブ光の照射位置間隔をｄとしたときに０．５ｄ〜２ｄ程度離間した位置（好ましくは０．８〜１．２ｄ程度離間した位置）が該当する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の態様の形状測定装置においては、制御手段が、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿ってビーム間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位ごとに角度算出手段により第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出させ、算出された複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。すなわち、照射位置移動手段により測定ラインに沿って移動される測定部位の移動間隔は、第１、第２プローブ光の測定ラインに沿った照射位置の間隔と同程度であり、測定面上において測定部位が移動されるごとにほぼ同一位置の傾斜角度が第１プローブ光と第２プローブ光とにより順次重複して計測され、このような傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状が導出される。
【００２０】
このような態様の形状測定装置によれば、例えば、既述したように多点計測する測定面の測定ライン上の測定部位を、第１測定部位、第２測定部位、第３測定部位…とした場合において、プローブ光照射手段及び反射光受光手段等を有する測定ヘッドと被測定物とを相体移動させて測定部位を第１測定部位→第２測定部位→第３測定部位…のように移動させたときに、第２測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトしたか否か等を検知することができる。
【００２１】
すなわち、第２測定部位における第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度は、第１測定部位及び第３測定部位において第１、第２プローブ光により略同一照射位置の傾斜角度が計測されている。また、第２測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトしたような場合には、第２測定部位における第１、第２プローブ光の二つの照射位置の傾斜角度は同一方向に同一微小角度だけ変化する。そのため、複数の測定部位に関する傾斜角度情報に基づいて上記のような誤差成分を排除することができる。従って、第１の態様の形状測定装置によれば、簡明な構成で、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することができる。
【００２２】
本発明の第２の態様の形状測定制御プログラムにおいては、測定部位を測定ラインに沿ってビーム間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、各測定部位において第１、第２プローブ光の受光信号を取得するステップ、及び第１、第２プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出させるステップと、算出された複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するステップと、導出された測定ラインに沿った測定面の形状を出力するステップとを有して構成される。
【００２３】
このような態様の形状測定制御プログラムによれば、第１の態様の形状測定装置について説明したのと同様に、複数の測定部位に関する傾斜角度情報に基づいて、プローブ光照射手段及び反射光受光手段等を有する測定ヘッドと被測定物とを相体移動させる際に生じ得る誤差成分を排除することができる。従って、第２の態様の形状測定制御プログラムによれば、簡明な制御構成で、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することができる。
【００２４】
本発明の第３の態様の形状測定方法においては、被測定物に所定間隔離れた第１プローブ光及び第２プローブ光を照射し、測定面で反射された第１、第２プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じて出力される第１、第２受光信号に基づいて第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、第１、第２プローブ光による傾斜角度の測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させて各測定部位における第１、第２プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出して、複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。
【００２５】
このような態様の形状測定方法によれば、以上説明した各態様と同様に、被測定物に対してプローブ光を相体移動させる際に生じ得る誤差成分を排除することができる。従って、本態様の形状測定方法によれば、簡便な構成で、被測定物とプローブ光とを相体移動させる際の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の態様を例示する形状測定装置の概要構成図である。
【図２】上記形状測定装置における制御系の概要ブロック図である。
【図３】プローブ光の移動パターンを例示する模式図である。
【図４】プローブ光の他の移動パターンを例示する模式図である。
【図５】光学ユニットの概要構成図である。
【図６】反射光分離素子の構成を例示する模式図であり、（ａ）は複屈折ハービング、（ｂ）ウォラストンプリズムである。
【図７】測定面の形状と測定ラインの設定について説明するための説明図である。
【図８】測定面の形状と測定ラインの設定について説明するための他の説明図である。
【図９】測定面に照射される第１，第２プローブ光と測定ライン上の測定位置との関係を示す模式図である。
【図１０】測定ライン上の各測定部位における基準傾斜角度、測定傾斜角度、誤差成分の総和、及び現実の傾斜角度との関係をまとめた図表である。
【図１１】形状測定の制御プログラムのフローチャートである。
【図１２】上記フローチャートにおけるステップＳ６０の詳細を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。まず、形状測定装置の全体構成について図１及び図２を参照して概要説明する。図１は本発明の態様を例示する形状測定装置ＬＭＳの概要構成図、図２は形状測定装置ＬＭＳにおける制御系の概要ブロック図である。
【００２８】
説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し図１中に示す。ここで、ｘ軸は紙面に沿って左右に延びる軸、ｙ軸は紙面を表裏貫通して前後に延びる軸、ｚ軸は紙面に沿って上下に延びる軸であり、ｘ−ｙ平面が水平面、ｚ軸が鉛直軸に相当する。なお、説明の便宜上から、図１に示す姿勢をもってｘ軸に沿った方向を左右方向、ｙ軸に沿った方向を前後方向、ｚ軸に沿った方向を上下方向ということがあるが、ｘ，ｙ，ｚ各軸の取り方は任意であり、位置や姿勢を規定するものではない。
【００２９】
［形状測定装置の概要］
形状測定装置ＬＭＳは、大別的には、被測定物（ワーク）Ｗをｘ，ｙ，ｚの各軸方向に移動させるワーク移動ユニット１０と、形状測定用のプローブ光ＰＬ（第１プローブ光ＰＬ１，第２プローブ光ＰＬ２）を出射する光学ユニット２０と、光学ユニット２０から出射されたプローブ光ＰＬを反射して被測定物に照射するミラーユニット３０と、オペレータの操作に基づいてワーク移動ユニット１０、光学ユニット２０、ミラーユニット３０等の各部の作動を制御する制御ユニット５０などから構成される。
【００３０】
ワーク移動ユニット１０、光学ユニット２０、及びミラーユニット３０は、共通のベースフレーム８１を基礎とし、温度及び湿度が所定値で一定となるように管理された環境チャンバ８２内に設置される。
【００３１】
ワーク移動ユニット１０は、ベースフレーム８１に精密除振装置８３を介して支持された定盤８５に設けられており、被測定物Ｗを保持するワークホルダ１５、定盤８５とワークホルダ１５との間に設けられワークホルダ１５を水平面内で各々ｘ軸方向（左右方向）、ｙ軸方向（前後方向）に移動させるｘステージ１１及びｙステージ１２などを主体として構成される。本構成形態においては、ワークホルダ１５をｚ軸方向（上下方向）に移動させるｚステージ１３、及びワークホルダ１５を上下鉛直に延びるθz軸（旋回軸）回りに回動させるθzステージ（旋回機構）１４を備えた構成を示す。なお、θzステージは、ミラーユニット３０を、後述するθy軸と直交する鉛直軸回りに回動させるように構成しても良い。
【００３２】
ベースフレーム８１には、ワーク移動ユニット１０を左右に跨ぎ上部梁１８ｂがワークホルダ１５の上方を通る門型フレーム１８が精密除振装置８４を介して取り付けられている。門型フレーム１８には、ワークホルダ１５のｘ軸方向位置，ｙ軸方向位置，ｚ軸方向位置を検出するフィードバック制御用のｘセンサ４１，ｙセンサ４２（図１において不図示），ｚセンサ４３が設けられており、各センサにより検出されたワークホルダ１５のｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。
【００３３】
また、θzステージ１４には、ワークホルダ１５の旋回角度位置を検出するθzセンサ４４が設けられており、θzセンサ４４により検出されたワークホルダ１５の旋回角度の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。なお、ｘセンサ４１，ｙセンサ４２，ｚセンサ４３は、例えば、測長干渉計やリニアスケール等を用いることができ、θzセンサ４４は、スケールが曲面形状のリニアスケールやロータリエンコーダを用いることができる。
【００３４】
光学ユニット２０は、門型フレーム１８の脚部１８ａ上方に取り付けられており、光学ユニット２０から出射されたプローブ光ＰＬ（ＰＬ１，ＰＬ２）が、門型フレームの上部梁１８ｂに沿ってｘ軸方向に出射される。なお、光学ユニット２０の詳細については後述する。
【００３５】
ミラーユニット３０は、ワークホルダ１５の直上に位置する上部梁１８ｂの中央部に取り付けられている。ミラーユニット３０は、光学ユニット２０から上部梁１８ｂに沿ってｘ軸方向に出射されたプローブ光ＰＬを反射してワークホルダ１５に保持された被測定物Ｗに照射するミラー３１と、このミラー３１を前後水平に延びるθy軸（揺動軸）３３回りに揺動させるθy駆動機構（θyステージという）３５などを備えて構成される。θy軸はミラー３１の反射面（より詳細には、プローブ光の入射位置）を通るように設定される。
【００３６】
ミラーユニット３０には、θyステージ３５（ミラー３１）の揺動角度位置を検出するθyセンサ４５が取り付けられており、θyセンサ４５により検出されたミラー３１の揺動角度の位置検出信号が制御ユニット５０に入力されている。θyセンサ４５はスケールが曲面形状のリニアスケールやロータリエンコーダ等を用いることができる。
【００３７】
制御ユニット５０は、オペレータが作動操作を行う操作部５１、被測定物の基準形状等を記憶する記憶部５２、各種の演算処理を行う演算部５３、演算部５３から出力される指令信号に基づいてｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５の作動を制御するステージ制御部５４、演算部５３から出力される指令信号に基づいて後述する光学ユニット２０の作動を制御する計測制御部５５、外部と信号の入出力を行うＩ／Ｏ部５６などを備えて構成される。
【００３８】
このように概要構成される形状測定装置ＬＭＳにおいては、光学ユニット２０から出射されたプローブ光ＰＬをミラー３１を介して被測定物Ｗの測定面に照射し、測定面で反射された反射光を光学ユニット２０内の受光素子で受光して受光位置を検出することにより、プローブ光ＰＬが照射された照射位置の傾斜角度を求めることができる。そして、制御ユニット５０により各ステージの作動を制御してプローブ光ＰＬと被測定物Ｗとを相体移動させ、プローブ光ＰＬの照射位置を順次移動させることにより測定面上の各部の傾斜角度を計測することができ、多点計測された傾斜角度のデータを積分処理やフィッティング処理等の手法により演算処理することで測定面の形状を導出することができる。
【００３９】
図３及び図４に、プローブ光ＰＬと被測定物Ｗとを相体移動させてプローブ光の照射位置を移動させる移動パターンを例示する。両図は、ワークホルダ１５に保持された被測定物Ｗ（Ｗ1，Ｗ2）を上方から見た模式図であり、プローブ光ＰＬが移動する測定面上の測定ライン（プローブ光の走査ライン）をＬ1〜Ｌ3で示している。
【００４０】
図３は、矩形平板状の被測定物Ｗ1を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。この例では、プローブ光ＰＬが測定面の左上端のスタートポイントＳＰに照射された状態から、ｘステージ１１を断続的または連続的に作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ1に沿って移動させ、測定ラインＬ1上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインＬ1に沿った測定面の形状を計測する。次に、ｙステージ１２を作動させて被測定物Ｗを図３における上方に移動させた後、ｘステージ１１を作動させてプローブ光を測定ラインＬ2に沿って移動させ、測定ラインＬ2上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインＬ2に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にｙステージ１２、ｘステージ１１を作動させ測定ラインＬ3…に沿った測定面の形状を計測する。
【００４１】
これにより、被測定物Ｗ1について測定面全体を平行なライン状に形状測定した測定データを得ることができる。また、上記測定後にθzステージ１４により被測定物Ｗを所定角度（例えば９０度）回動して当該旋回角度位置で保持し、再びｘステージ１１及びｙステージ１２の交互移動により測定ラインに沿った測定面の形状測定を行うことにより、測定面全体を格子状に形状測定した測定データを得ることもできる。
【００４２】
図４は、円形平板状の被測定物Ｗ2を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。本例においては、まず、ｘ軸ステージ１１を作動させて被測定物Ｗ2を移動させたとき、またはθyステージ３５を作動させてプローブ光ＰＬを移動させたときに、相体移動されるプローブ光ＰＬが被測定物Ｗの円の中心を通るように、ｙステージ１２により被測定物Ｗのｙ軸方向位置をアライメントしておく。
【００４３】
そして、図４（ａ）に示すように、プローブ光ＰＬが測定面の左端のスタートポイントＳＰに照射された状態から、ｘステージ１１を断続的または連続的に作動させてプローブ光ＰＬを測定ラインＬ1に沿って移動させ、測定ラインＬ1上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインＬ1に沿った測定面の形状を計測する。次に、図４（ｂ）に示すように、プθzステージ１４により被測定物Ｗを所定角度（例えば２度）回動して当該旋回角度位置で保持し、再びｘステージ１１をプローブ光を測定ラインＬ2に沿って移動させ、測定ラインＬ2上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインＬ2に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にθzステージ１４、ｘステージ１１を作動させ測定ラインＬ3…に沿った測定面の形状を計測する。
【００４４】
これにより、被測定物Ｗ2について測定面全体を放射状に形状測定した測定データを得ることができる。なお、被測定物Ｗ2についても、前述した被測定物Ｗ1と同様にライン状または格子状の移動パターンで測定面全体を形状測定することができ、被測定物Ｗ1について放射状の移動パターンで測定面全体を形状測定することもできる。
【００４５】
［光学ユニットの構成］
次に、光学ユニット２０について、図５を参照して説明する。光学ユニット２０は、レーザ光を出射する光源部２１、光源部２１から出射されたレーザ光を所定のビーム間隔で平行に延びる複数のプローブ光にして出射するプローブ光生成部２２、プローブ光生成部２２から出射され被測定物Ｗの測定面Ｗsで反射された反射光を受光する受光部２５などを主体として構成される。光学ユニット２０は、原理的には、測定面Ｗsの傾斜角度を測定するオートコリメータ方式の角度測定装置に相当する。
【００４６】
実施形態においては、光源部２１により発生されたレーザ光ＬＢを、プローブ光生成部２２において二つに分割し及び結合して、所定間隔で平行に出射する第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を生成した構成を例示する。また、光学ユニット２０に、プローブ光生成部２２において生成された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の揺らぎを検出するプローブ光モニター部２３を設けた構成を例示する。
【００４７】
光源部２１は、レーザ光ＬＢを発生するレーザ光源２１１、プローブ光生成部２２側からの戻り光を遮断するアイソレータ２１２、レーザ光源２１１により発生されたレーザ光ＬＢのオン・オフを切り替えるシャッタ２１３などを備えて構成される。
【００４８】
レーザ光源２１１は、所定波長で安定化されポインティングスタビリティが高いレーザ光を安定的に発生するレーザであり、例えば発振波長が可視領域のＤＦＢ（Distributed  Feedback）半導体レーザやＤＢＲ（Distributed  Bragg  Reflector）半導体レーザ、あるいは周波数が安定化されたＨe-Ｎeレーザなどが好適に用いられる。レーザ光源２１１から出射されるレーザ光ＬＢは、偏光面が紙面に４５度の角度で交わる直線偏光、または円偏光で出力される。シャッタ２１３は、ＥＯＭ（Electro  Optic  Modulator）やＡＯＭ（Acousto  Optic  Modulator）を利用した電子シャッタ、あるいは光路を機械的に遮断するメカニカルシャッタを用いて構成することができる。
【００４９】
プローブ光生成部２２は、レーザ光発生部２１から出射されたレーザ光ＬＢを二分割する偏向ビームスプリッタ２２１、及び結合する偏光ビームスプリッタ２２２、分割された各光路に設けられた１／２波長板２２３，２２４、シャッタ２２５，２２６、ミラー２２７，２２８などを備えて構成される。
【００５０】
偏光ビームスプリッタ２２１は、レーザ光発生部２１から出射されたレーザ光ＬＢを、偏光面が紙面に平行なｐ偏光のレーザ光と紙面に垂直なｓ偏光のレーザ光とに分割する。例えば、偏光面が紙面に平行なｐ偏光のレーザ光を透過し、偏光面が紙面に垂直なｓ偏光のレーザ光とに分離する。ｐ偏光のレーザ光及びｓ偏光のレーザ光は、各光路に設けられた１／２波長板２２３，２２４を透過することにより迷光が除去され偏光率が高い直線偏光のレーザ光となる。
【００５１】
偏光ビームスプリッタ２２２は、ｐ偏光のレーザ光とｓ偏光のレーザ光とを一体に結合し所定間隔で平行に出射する第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２を生成する。例えば、ｐ偏光のレーザ光を透過しｓ偏光のレーザ光を反射することにより、両偏光成分のレーザ光を一体に結合し、ｐ偏光の第１プローブ光ＰＬ１とｓ偏光の第２プローブ光ＰＬ２を生成する。
【００５２】
ここで、ミラー２２８には、このミラー２２８の位置及び角度を調整することにより、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２との間隔を調整可能なミラー調整機構２２９が設けられている。ミラー調整機構２２９は、ミラー２２８の位置（図５において紙面に沿った左右または上下方向の位置）を調整する位置調整構造と、ミラー２２８の紙面に直行する軸回りの角度位置を調整する角度調整構造とにより構成される。
【００５３】
このミラー調整機構２２９により、ミラー２２８の位置（例えば図５における左右方向の位置）を調整することにより、偏光ビームスプリッタ２２２に入射するｓ偏光のレーザ光の入射位置を左右に平行移動させて、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２の間隔を調整することができる。また、ミラー調整機構２２９により、ミラー２２８の角度位置を調整することにより、偏光ビームスプリッタ２２２に入射するｓ偏光のレーザ光の入射角度を変化させて、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２の平行度を調整することができる。そして、これらを組み合わせることにより、プローブ光生成部２２から、ｐ偏向の第１プローブ光ＰＬ１とｓ偏向の第２プローブ光ＰＬ２とを任意間隔で平行に出射させることができる。
【００５４】
シャッタ２２５，２２６は、前述したシャッタ２１３と同様に、ＥＯＭやＡＯＭ等を用いて構成することができる。このシャッタ２２５，２２６を備えたことによりｐ偏光の第１プローブ光ＰＬ１とｓ偏光の第２プローブ光ＰＬ２とを選択的に切り替えてプローブ光生成部２２から出射させることが可能になっている。
【００５５】
プローブ光生成部２２から出射された第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２はビームスプリッタ２５１に入射し、一部がプローブ光モニター部２３に導かれ、他が光学ユニット２０から出射する。
【００５６】
プローブ光モニター部２３には、導入された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を二つに分割するビームスプリッタ２３１、各々第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２との間隔を検出する第１ビーム間隔センサ２３５及び第２ビーム間隔センサ２３６が設けられている。第１ビーム間隔センサ２３５はビームスプリッタ２３１に近接して設けられており、レーザ光源２１１からセンサまでの光路長が短い短光路でのビーム間隔（第１ビーム間隔）が検出される。一方、第２ビーム間隔センサ２３６はビームスプリッタ２３１から離間して設けられており、レーザ光源２１１からセンサまでの光路長が長い長光路でのビーム間隔（第２ビーム間隔）が検出される。
【００５７】
このため、第１ビーム間隔センサ２３５及び第２ビーム間隔センサ２３６により検出される第１ビーム間隔及び第２ビーム間隔をモニターすることにより、第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の変動（揺らぎ）状態を検知することができる。すなわち、第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の照射位置が変化したときに、その位置変動が第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の平行シフトなのか角度変化なのか、及びシフト量、角度変化量を検知することができ、これに基づいて補正を行うことが可能になっている。
【００５８】
光学ユニット２０から出射した第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２は、図示省略する集光レンズ及びミラーユニットのミラー３１を介して被測定物Ｗの測定面Ｗsに照射される。このとき、後に詳述するように、制御ユニット５０によりｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５の作動が制御され、測定面Ｗsの測定部位にかかわらず、光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２が略一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射するように制御される。
【００５９】
測定面Ｗs上における第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の並ぶ方向、すなわち、第１プローブ光ＰＬ１のビーム中心と第２プローブ光ＰＬ２のビーム中心とを結ぶ線分が延びる方向は、これらのプローブ光が走査する測定ラインに沿うように設定される。本構成形態においては、測定ラインはｘ軸方向であり、光学ユニット２０からｚ軸方向に並んで出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２がミラー３１により反射され、測定面Ｗs上においてｘ軸方向に並んで照射される。
【００６０】
測定面Ｗs上における第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２のビーム間隔ｄは、測定面Ｗsの曲率や目標とする分解能等に応じて適宜に選択し、ミラー調整機構２２９により設定することができる。例えば、測定面Ｗsの曲率半径が１０mよりも大きく、目標とする分解能がnmオーダのような場合には、測定面Ｗs上における第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２のビーム間隔ｄ＝１０〜５０μｍ程度が好適なビーム間隔として例示される。
【００６１】
測定面Ｗsで正反射された第１プローブ光ＰＬ１の反射光（以下、「第１反射光」という）ＲＬ１、及び第２プローブ光ＰＬ２の反射光（以下、「第２反射光」という）ＲＬ２は、ミラー３１を介して光学ユニット２０に戻り、ビームスプリッタ２５１により反射されて受光部２５に入射する。
【００６２】
受光部２５には、第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２を受光し、第１反射光ＲＬ１の受光位置に応じた第１受光信号ＬＳ１、及び第２反射光ＲＬ２の受光位置に応じた第２受光信号ＬＳ２を出力する受光素子２５５が設けられている。受光素子２５５は、例えば、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）やＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor  Image  Sensor）を用いて構成することができる。なお、受光素子２５５に入射した反射光ＲＬ（第１反射光ＲＬ１，第２反射光ＲＬ２）のビーム位置は、反射光ＲＬの画像（画素信号）を公知の手法により処理することで求められる。
【００６３】
本構成形態においては、ビームスプリッタ２５１と受光素子２５５との間に、第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とが受光素子２５５で重複しないように、すなわち第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とが独立した二つのビームとして入射するように、第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とを分離する反射光分離素子２５３が設けられている。
【００６４】
反射光分離素子２５３は、本構成例において、第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２の偏光特性の相違を利用して構成することができる。例えば図６（ａ）に示すように、入射光の偏光方向により屈折率が異なる複屈折材料を利用した複屈折ハービング２５３ａ、図６（ｂ）に示すように、入射光の偏光方向により屈折率が異なる複屈折材料を組み合わせたウォラストンプリズム２５３ｂ、図示省略するローションプリズムなどを用いて構成することができる。
【００６５】
このように、第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とを分離する反射光分離素子２５３をビームスプリッタ２５１と受光素子２５５との間に設けることにより、第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２の位置検出精度を向上させることができる。すなわち、測定面Ｗs上における第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２のビーム間隔ｄ（例えば３０μｍ）が、各プローブ光のスポットサイズ（例えばφ２ｍｍ）と比較して小さく、そのままでは受光素子２５５において第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とが重複した一つのダルマ状のビームになるような場合であっても、反射光分離素子２５３により各々独立した二つの円形のビームに分離することができ、第１，第２反射光ＲＬ１，ＲＬ２の位置検出精度を大幅に向上させることができる。なお、プローブ光生成部２２に設けたシャッタ２２５，２２６により第１反射光ＲＬ１と第２反射光ＲＬ２とを時間的に分離してもよい。
【００６６】
このようにして受光素子２５５により検出され、受光素子２５５から出力された第１受光信号ＬＳ１及び第２受光信号ＬＳ２は、所定光路長を伝播した第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２の位置を表しており、これらの受光信号ＬＳ１，ＬＳ２に基づいて測定面Ｗsにおける第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の照射位置の傾き角度を算出することができる。そして、測定面Ｗsにおいて第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の照射位置を変化させて複数の測定部位において測定面の傾斜角度を測定し、測定された各測定部位の傾斜角度情報を積分処理及びフィッティング処理することにより測定面Ｗsの形状を導出することができる。
【００６７】
なお、以上説明した実施形態では、光源部２１により発生された一つのレーザ光ＬＢを、プローブ光生成部２２において二分割し結合して二つのプローブ光を生成した構成を例示したが、光学ユニット２０から出射されるプローブ光の数が複数（ｎ（ｎは２以上の自然数））であれば良い。例えば、光源部２１により発生された一つのレーザ光ＬＢをプローブ光生成部２２において三以上に分割し結合してもよく、また光源部２１から出射されるレーザ光ＬＢを複数（例えば偏光状態が異なるｎ個のレーザ光、あるいは波長が異なるｎ個のレーザ光など）とし、プローブ光生成部２２において結合するように構成しても良い。
【００６８】
［制御ユニットの構成］
次に、制御ユニット５０装置の構成について、図２を再度参照して、もう少し詳しく説明する。概要説明したように、制御ユニット５０は、オペレータが作動操作を行う操作部５１、被測定物Ｗの基準形状等を記憶する記憶部５２、各種の演算処理を行う演算部５３、演算部５３から出力される指令信号に基づいてｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５の作動を制御するステージ制御部５４、演算部５３から出力される指令信号に基づいて光学ユニット２０の作動を制御する計測制御部５５、外部と信号の入出力を行うＩ／Ｏ部５６などを備えて構成される。
【００６９】
操作部５１には、種々の画像やアイコン類、測定結果などを表示する液晶表示パネル、数値や文字情報を入力するキーボード、アイコンの選択操作等を行うマウス、オンオフスイッチやロータリースイッチ等の各種スイッチ類、磁気記録媒体やＵＳＢメモリー等に記録された測定面Ｗsの基準形状のデータや測定結果等を読み書き可能なリーダーライター等が設けられており、対話形式で測定面Ｗsのタイプ（例えば、平面、球面、非球面、シリンドリカル等）や測定パターン（ライン状、格子状、放射状等）に対応した形状測定が行えるようになっている。
【００７０】
記憶部５２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶素子が複数設けられて構成される。ＲＯＭには、形状測定装置ＬＭＳの各部の作動を制御する制御プログラム、被測定物Ｗのタイプや測定パターンに対応した測定プログラムなどが予め設定記憶されている。操作部５１において被測定物Ｗのタイプや測定パターンが選択設定され、対応する測定プログラムが制御プログラムに組み込まれることにより、被測定物Ｗに好適な形状測定装置が構成される。
【００７１】
ＲＡＭには、操作部５１に設けられたリーダーライターまたはＩ／Ｏ部５６を介して読み込まれた被測定物の測定面Ｗsの基準形状（設計値のベクターデータ）、測定プログラムに設定された測定ライン上の測定部位における各プローブ光照射位置の基準傾斜角度、測定プログラムの実行中に受光素子２５５から出力される各測定部位の第１受光信号ＬＳ１及び第２受光信号ＬＳ２、などが一時記憶される。
【００７２】
演算部５３は、ＣＰＵやシフトレジスター等により構成され、記憶部５２に予め設定記憶された制御プログラム及び測定プログラムに基づいて各種の演算処理を行い、ステージ制御部５４や計測制御部５５等に指令信号を出力して、ワーク移動ユニット１０、光学ユニット２０、ミラーユニット３０の作動を制御する。
【００７３】
ステージ制御部５４は、演算部５３から出力される指令信号に基づいてワーク移動ユニット１０のｘステージ１１、ｙステージ１２、ｚステージ１３、θzステージ１４、ミラーユニット３０のθyステージ３５等に駆動信号を出力し、各ステージの作動を制御する。計測制御部５５は、演算部５３から出力される指令信号に基づいて光学ユニット２０の光源部２１（レーザ光源２１１、シャッタ２１３）、プローブ光生成部２２（シャッタ２２５，２２６、ミラー調整機構２２９）、受光部２５（受光素子２５５）等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。
【００７４】
演算部５３は、ｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５について、測定面Ｗsの測定部位にかかわらず、光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２が略一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射するように制御する。
【００７５】
プローブ光の光路長一定かつ測定面への垂直入射を実現するため、具体的には制御プログラムに基づいて以下のような制御が実行される。演算部５３は、記憶部５２に設定記憶された測定面Ｗs全体の基準形状から、測定プログラムで設定された測定ラインに沿った測定面Ｗsの基準形状（断面形状）を算出する。次いで、測定プログラムにおいて測定ライン上に設定された測定点について、その測定点の傾斜角度を算出する。
【００７６】
次に、算出された各測定点の傾斜角度から、その測定部位にプローブ光ＰＬを垂直入射させるためのθzステージ１４（被測定物Ｗ）及びθyステージ３５（ミラー３１）の角度位置、並びにミラー３１〜測定点の距離を所定値とするためのｘステージ１１、ｙステージ１２、ｚステージ１３の座標位置を算出する。次いで、算出された各ステージの位置に基づいた駆動信号を生成し、ｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５に駆動信号を出力して、被測定物Ｗ及びミラー３１を位置決めさせる。
【００７７】
そして、位置決めされた被測定物Ｗに対し、計測制御部５５から光学ユニット２０のシャッタ２１１をオンにする計測制御信号を出力させて光学ユニット２０から第１，２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を出射させる。これにより、光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を略一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射させることができる。
【００７８】
最も単純な例として、被測定物Ｗが矩形平板である場合、測定ラインは図３に示したように平行なライン状に初期設定され、被測定物Ｗが円形平板である場合、測定ラインは図４に示したように中心を通る放射状に初期設定される。これらの場合、測定面Ｗsが平面であることから、ｘ軸に沿って測定ライン上に設定された各測定点の傾斜角度は何れも水平である。そこで、演算部５３は、θyステージ３５にミラー３１の反射面がｘ−ｚ平面内で４５度下傾した揺動角度位置になる指令信号を出力してその角度位置で固定し、ｚステージ１３に測定面Ｗsが所定の座標位置になる指令信号を出力してその高さ位置で固定する。以降は、ｘステージ１１のみ所定間隔で移動させることにより、各測定部位において光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を一定の光路長で垂直入射させることができる。
【００７９】
被測定物の測定面Ｗsが軸対称性を有する球面形状や非球面形状である場合、測定ラインは中心の対象軸を通る放射状に初期設定される。この場合において、図７に示すように、測定物の直径が比較的小径（ミラー３１の揺動によるプローブ光の走査角度範囲内）であり、測定面Ｗsの曲率半径ｒが比較的小さい（例えば１００〜５００mm程度の）凹の球面形状であるような場合には、θyステージ３５のみを作動させてｘ軸に沿った測定ライン上の各測定部位において光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を一定の光路長で略垂直入射させることができる。
【００８０】
すなわち、ミラー３１の反射面がｘ−ｚ平面内で４５度下傾した角度位置において第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２が測定面Ｗsの対象軸に沿って中心部に入射し、ミラー３１と測定面Ｗsとの間隔が曲率半径ｒと一致するように測定面Ｗsの位置を初期設定することで、以降は、θyステージ３５によりプローブ光を所定角度ピッチで揺動させるだけでｘ軸に沿った測定ライン上の各測定部位において第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を一定の光路長で略垂直入射させることができる。
【００８１】
一方、測定面Ｗsの曲率半径ｒが比較的大きい場合や凸面である場合、あるいは非球面であるような場合には、ミラー３１の角度位置を調整するだけでは、測定ライン上の各測定部位において第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を一定の光路長で垂直入射させることは困難である。
【００８２】
例えば、被測定物の測定面Ｗsが非球面形状であり、図８（ａ）に示すように、軸心部の測定部位Ｐwaの曲率半径がｒ1、周縁部の測定部位Ｐwb及びＰwcの曲率半径がｒ2であるような場合である。この場合、ミラー３１の角度位置を調整するだけでは、測定部位Ｐwb及びＰwcに第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を垂直入射させることができず、また測定部位Ｐwaの傾斜角度を測定するときの光路長（具体的には、ミラー３１の反射点Ｐ31と測定部位Ｐwaとの距離）と、測定部位Ｐwb及びＰwcの傾斜角度を測定するときの光路長（同上、ミラー３１の反射点Ｐ31と測定部位ＰwbまたはＰwcとの距離）を、一定にすることができない。
【００８３】
このような場合に、演算部５３は、記憶部５２に予め設定記憶された測定面Ｗs全体の基準形状を読み出して、測定ラインに沿った測定面の基準形状を算出し、測定ライン上に設定された測定部位Ｐwa，Ｐwb，Ｐwc…について、各測定点の傾斜角度を算出する。次いで、例えば、測定部位Ｐwaの傾斜角度を測定するときの光路長を基準とし、図８（ｂ）に示すように、測定部位Ｐwbの傾斜角度を測定するときのプローブ光の入射角度（例えば、第１プローブ光の入射角度、あるいは後述するプローブ光軸の交差角）が測定面に垂直になり、かつ光路長が測定部位Ｐwaの傾斜角度を測定するときの光路長と同一になるように、θyステージ３５の角度位置、ｘステージ１１及びｚステージ１３の座標位置を算出する。
【００８４】
そして、各測定部位に応じて算出されたステージ位置に基づいた駆動信号をｘ，ｚ，θyステージ１１，１３，３５に出力して被測定物Ｗ及びミラー３１を移動及び位置決めさせることにより、光学ユニット２０から出射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を略一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射させることができる。測定面Ｗsの曲率半径ｒが比較的大きい場合や凸面である場合についても、同様の処理を行うことにより第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を略一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射させることができる。
【００８５】
なお、プローブ光を測定面Ｗsに垂直入射させる場合に、第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２のいずれかを基準としてステージ位置を算出することができるほか、第１プローブ光ＰＬ１の光軸と第２プローブ光ＰＬ２の光軸の中間を通る仮想のプローブ光軸を規定し、このプローブ光軸が測定面Ｗsに垂直に交わるようにステージ位置を算出することができる。本構成形態の場合には、第１プローブ光と第２プローブ光とのビーム間隔は数十μｍ程度であり、何れを基準としても第１プローブ光及び第２プローブ光を実質的に一定の光路長で垂直入射させることができる。
【００８６】
厳密には、前者の場合に第２プローブ光または第１プローブ光について、垂直入射から微小角度傾いた相対的な傾斜角度分が補正項として加味され、後者の場合には第１プローブ光及び第２プローブ光の両者について、プローブ光軸が交わる測定面の傾斜角に対する第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の各照射位置の相対的な傾斜角度分が垂直入射補正項として加味される。
【００８７】
［二つのプローブ光による傾斜角度測定］
上記のようにして一定の光路長で測定面Ｗsに垂直入射される第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２は、測定面上においてｘ軸方向に延びる測定ラインＬに沿って所定間隔ｄ離れて照射される。図９（ａ）は、測定面Ｗsに照射された第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を模式的に示した平面図であり、二つのプローブ光が一組になってステージの駆動により一体的に移動する測定部位が形成される。図では便宜的に第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を囲む楕円で測定部位を表している。
【００８８】
形状測定装置ＬＭＳにおいては、図９（ｂ）に示すように、ｘ軸に沿った測定ラインＬ上に第１，第２プローブ光のビーム間隔と同程度の間隔（本実施形態においてはビーム間隔と同じ間隔ｄ）で測定点１，２，３，４，５…が設定される。そして第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２からなる測定部位が移動ピッチｄで順次Ｉ，II，III，IV…の位置に相対移動され、各測定部位において第１プローブ光ＰＬ１の照射位置の傾斜角度及び第２プローブ光ＰＬ２の照射位置の傾斜角度が測定される。
【００８９】
具体的には、測定部位Ｉにおいて、プローブ光軸が測定面に垂直に交わり光路長が所定値になるように各ステージを移動させて位置決め保持し、測定点１に第１プローブ光ＰＬ１、測定点２に第２プローブＰＬ２を照射して各測定点の傾斜角度を算出する。次に測定部位IIにおいて、プローブ光軸が測定面に垂直に交わり光路長が所定値になるように各ステージを移動させて位置決め保持し、測定点２に第１プローブ光ＰＬ１、測定点３に第２プローブ光ＰＬ２を照射して各測定点の傾斜角度を算出する。以降の測定部位III，IV…についても同様である。
【００９０】
このとき、測定部位がＩのときの第２プローブ光ＰＬ２の照射位置と、測定部位がIIのときの第１プローブ光ＰＬ１の照射位置とは、測定面上の同一測定位置２である。測定部位がIIのときの第２プローブ光ＰＬ２の照射位置と、測定部位がIIIのときの第１プローブ光ＰＬ１の照射位置、及び測定部位がIIIのときの第２プローブ光ＰＬ２の照射位置と、測定部位がIVのときの第１プローブ光ＰＬ１の照射位置等についても、測定面上の測定位置は各々３，４であり同一である。すなわち、形状測定装置ＬＭＳにおいては、測定部位の変化に伴い、第１プローブ光ＰＬ１と第２プローブ光ＰＬ２とにより同一測定位置の傾斜角度が重複して測定されるようになっている。
【００９１】
ここで、これまでの説明から明らかなように、測定ラインＬに沿って測定部位を移動させるということは、ｘ，ｙ，ｚ，θz，θyステージ１１，１２，１３，１４，３５の少なくともいずれかを駆動して、プローブ光ＰＬ（ＰＬ１，ＰＬ２）と被測定物Ｗとを相対移動させることを意味する。各ステージには除去困難な誤差成分が含まれており、測定部位の移動に伴って測定面に微細なシフトやチルトが発生する。この誤差成分は位置決め停止される測定部位Ｉ，II，III，IV…ごとに固有の値となる。
【００９２】
いま、記憶部５２に設定記憶された測定面Ｗsの基準形状（設計値）に基づいて演算部５３により算出された測定点１，２，３，４…の理想的な傾斜角度をｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4…とし、被測定物Ｗにおける測定点１，２，３，４…の現実の傾斜角度をＳ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…とする。
【００９３】
また、各測定点１，２，３，４…について、受光素子２５５から出力された第１受光信号（第１プローブ光の反射光の受光位置に応じた信号）ＬＳ１に基づいて演算部５３により算出された測定点１，２，３，４…の傾斜角度をＤ11，Ｄ21，Ｄ31，Ｄ41…とし、第２受光信号（第２プローブ光の反射光の受光位置に応じた信号）ＬＳ２に基づいて演算部５３により算出された測定点１，２，３，４…の傾斜角度をＤ12，Ｄ22，Ｄ32，Ｄ42…とする。
【００９４】
さらに、測定部位Ｉ，II，III，IV…における各ステージのチルト等及び測定に同期する誤差成分の総和をＴ1，Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4…とする。
【００９５】
このとき、測定部位をＩ，II，III，IV…ｎのように移動させて測定される傾斜角度は、図１０に示す各式で表される。
【００９６】
ここで、測定部位Ｉにおける各ステージのチルト等及び測定に同期する誤差成分の総和Ｔ1をゼロであると仮定する。そして、演算部５３において図１０に示される連立方程式を解き、各測定点の現実の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…を算出する。具体的には、以下のようにして測定点の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…を算出する。
【００９７】
まず、誤差成分の総和Ｔ1＝０とすることにより、測定部位Ｉにおける第１プローブ光ＰＬ１の照射位置（測定点１）と第２プローブ光ＰＬ２の照射位置（測定点２）の傾斜角度の式は、
Ｓ1＝Ｄ11−ｋ1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｓ2＝Ｄ22−ｋ2・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００９８】
測定部位IIにおける第１プローブ光ＰＬ１の照射位置（測定点２）と第２プローブ光ＰＬ２の照射位置（測定点３）の傾斜角度の式は、
Ｓ2＋Ｔ2＝Ｄ21−ｋ2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｓ3＋Ｔ2＝Ｄ32−ｋ3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
ここで、測定点２の現実の傾斜角度Ｓ2は（２）式により求められており既知である。そのため（３）式から測定部位IIにおける誤差成分の総和Ｔ2が下記（３）′式により求められ、求めたＴ2を（４）式に代入して
Ｔ2＝Ｄ21−ｋ2−Ｓ2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）′
Ｓ3＝Ｄ32−ｋ3−Ｔ2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）′
【００９９】
以下、同様にして誤差成分の総和Ｔ3，Ｔ4…が求められ、求めたＴ3，Ｔ4…を用いて各測定点の傾斜角度Ｓ4，Ｓ5…が順次算出される。これにより、測定部位Ｉにおける誤差成分の総和Ｔ1を基準として、各測定部位ごとにランダムに生じる固有の誤差成分の影響を排除して各測定点の現実の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…が求められる。そして、算出された各測定点の傾斜角度情報に基づいて、測定ラインＬに沿った測定面Ｗsの形状が導出される。
【０１００】
具体的には、算出された測定点１，２，３，４…の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…が、演算部５３において測定点間の間隔ｄを用いて積分処理され（最も簡明な例として台形積分が挙げられる）、各測定点の傾斜角度が測定面Ｗsの形状に変換される。この際、測定部位ごとに断片化された形状の連続性を補償するため、演算部５３においてスプライン補間等の関数を用いた積分誤差の低減が実行される。なお、微分Zernike関数を用いた関数フィッティングにより測定面Ｗsの形状に変換するように構成しても良い。微分Zernike関数を用いた関数フィッティング手法によれば、積分処理により生じる誤差を低減することができ、傾斜角度から測定面Ｗsの形状に変換する処理の精度を向上させることができる。
【０１０１】
なお、説明簡明化のため、測定部位Ｉにおける誤差成分の総和Ｔ1をゼロと仮定した場合を説明したが、測定部位Ｉにおける誤差成分の総和Ｔ1をゼロ以外の所定値とし、あるいは任意の測定部位における誤差成分の総和をゼロまたは所定値としても良い。
【０１０２】
このように、形状測定装置ＬＭＳでは、測定ライン上の各測定点の「傾斜角度」を測定し、測定された各測定点の傾斜角度を積分処理やフィッティング処理等することにより、測定ラインに沿った測定面Ｗsの形状を導出する。この構成により、測定面Ｗsに微小な高低差しかないような形状を高精度に測定することができる。
【０１０３】
すなわち、測定点の高さ（光学ユニットと測定点との間の距離）を測定するような構成の場合、仮に高さ測定の分解能が１nmであるとすると、測定可能な測定面Ｗsの形状は測定点の間隔ｄにかかわらず、高低差が１nm以上のものに限られる。一方、測定点の傾斜角度を測定する本構成によれば、光てこの原理により光路長に応じて分解能を向上可能であることに加えて、測定点の間隔ｄを変化させることにより分解能をさらに向上させることができる。
【０１０４】
例えば、間隔がｄ離れた二つの測定点の高低差が＝１nmの場合において、ｄ＝１mmのときに検出される傾斜角度が１μradであったと仮定すると、ｄ＝０．１mmのときに検出される傾斜角度は１０μrad、ｄ＝０．０１mmのときに検出される傾斜角度は１００μradとなる。逆説すれば、傾斜角度の分解能が１μradのシステムにおいて、測定点の間隔ｄを０．０１mmとすることにより、測定点の高低差が＝０．０１nmの形状を測定可能ということである。
【０１０５】
また、形状測定装置ＬＭＳにおいては、第１、第２プローブ光ＰＬ１,ＰＬ２を測定面Ｗsに「垂直入射」させ、測定面Ｗsで反射された第１、第２反射光ＲＬ１,ＲＬ２が光学ユニット２０の受光素子２５５に入射するように構成される。そのため、比較的小型の受光素子２５５を用いて高い角度分解能のシステムを構築することができる。また、ステージ等の振動の影響を受けにくいという効果を併せて得ることができる。
【０１０６】
また、形状測定装置ＬＭＳでは、測定面Ｗsに入射する第１、第２プローブ光ＰＬ１,ＰＬ２の光路長が一定となるように制御される。そのため、測定面Ｗsに入射する第１、第２プローブ光ＰＬ１,ＰＬ２、受光素子２５５に入射する第１、第２反射光ＲＬ１,ＲＬ２のビーム径がそれぞれ一定となり、安定的な形状測定が可能になっている。
【０１０７】
さらに、形状測定装置ＬＭＳにおいては、測定ライン方向（ｘ軸方向）に間隔ｄ離れた第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２が一体的に移動ピッチｄで測定ライン上を相対移動するように構成される。すなわち、測定部位が測定ライン上を移動するたびに、各測定部位で第１，第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２により同一測定点の傾斜角度が重複測定される。この構成により、ステージの移動〜位置決め停止に伴って生じる各測定部位に固有の誤差成分（チルトや同期誤差等）を確実に排除することができ、高精度の形状測定を実現することができる。
【０１０８】
［形状測定装置による形状測定の流れ］
次に、形状測定装置ＬＭＳによる形状測定の流れについて説明する。オペレータは、操作部５１において被測定物Ｗのタイプや測定パターンを選択するとともに、測定面Ｗsの基準形状のデータを読み込んで記憶部５２に記憶させる。次に、操作部５１において「アライメント」を選択して実行し、ワークホルダ１５に保持された被測定物のアライメントを行わせる。
【０１０９】
具体的には、演算部５３は、操作部５１において選択設定された被測定物Ｗのタイプ及び測定パターン、並びに記憶部５２に記憶された測定面の基準形状に基づいて、測定面に沿って第１、第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２を粗く走査させ、受光素子２５５で受光できることを確認するとともに、ワークホルダ１５に保持された被測定物Ｗの位置を算出する。そして、算出された被測定物の位置に基づいてｘ，ｙ，ｚ，θzステージ１１，１２，１３，１４等を作動させ、例えば被測定物Ｗが軸対称性を有する非球面レンズ等の場合には、測定ラインが中心軸と交差するように被測定物Ｗの位置を調整する。そして、測定パターに応じた原点位置に被測定物Ｗを移動させてアライメント処理を完了する。
【０１１０】
アライメント処理が完了したのち、操作部５１において「形状測定」が選択され、スタートされると、制御ユニット５０は形状測定の制御プログラムに基づいてワーク移動ユニット１０、光学ユニット２０、ミラーユニット３０の各部の作動を制御し、測定面Ｗsの形状測定を実行する。ここでは、［二つのプローブ光による傾斜角度測定］の項で説明した測定ラインに沿って形状測定を行う場合について、図１１に示す形状測定の制御プログラムのフローチャートＦを参照して説明する。
【０１１１】
ステップＳ１０では、ステージ位置の算出処理が行われる。この処理により測定ラインがｘ軸に沿い、測定ライン上の測定部位（図９の測定部位Ｉとする）にプローブ光を一定光路長で垂直入射させるｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５の位置が算出される。具体的には、演算部５３が記憶部５２に設定記憶された測定面Ｗsの基準形状を読み出し、ｘ軸に沿った測定ライン上の各測定点について理想的な傾斜角度（「基準傾斜角度」という）ｋ1，ｋ2を算出して記憶部５２のＲＡＭに一時記憶する。次いでプローブ光の光路長が一定になり、かつ、測定しようとする測定点１，２において、例えば、前述したプローブ光軸が測定面Ｗsに垂直に交わる各ステージ位置を算出する。
【０１１２】
ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出されたステージ位置に基づき、ステージ移動処理が行われる。具体的には、演算部５３がステップＳ１０で算出したステージ位置に応じた指令信号をステージ制御部５４に出力する。ステージ制御部５４は指令信号に応じた駆動信号を各ステージに出力し、ｘ，ｙ，ｚ，θz，θyの各ステージ１１，１２，１３，１４，３５を駆動して被測定物Ｗとプローブ光とを相対移動させ、測定ライン上の測定部位Ｉに位置決めさせて、ステップＳ３０に進む。
【０１１３】
ステップＳ３０では、光学ユニット２０による第１、第２受光信号の取得処理が行われる。このとき、計測制御部５５から光学ユニット２０に指令信号が出力されてシャッタ２１３が開となり、第１プローブ光ＰＬ１及び第２プローブ光ＰＬ２が測定部位Ｉの測定点１及び測定点２に照射される。これらの測定点で反射された第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２は受光素子２５５に入射し、受光素子２５５から各測定点１，２の傾斜及び測定部位Ｉに固有の誤差成分の総和Ｔ1を含んだ第１受光信号ＬＳ１及び第２受光信号ＬＳ２が出力されて制御ユニット５０に入力される。なお、第１、第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２は、アライメント処理段階から測定面に常時照射されるように構成しても良い。
【０１１４】
ステップＳ４０では、ステップＳ３０で取得された第１、第２受光信号ＬＳ１，ＬＳ２に基づいて傾斜角度の算出処理が行われる。第１受光信号ＬＳ１及び第２受光信号ＬＳ２は、所定光路長を伝播した第１反射光ＲＬ１及び第２反射光ＲＬ２の位置を表し、第１、第２プローブ光を垂直入射させることにより、受光素子２５５における各反射光の基準受光位置からのずれ量は、各測定点の基準傾斜角度からのずれ量を表している。
【０１１５】
演算部５３は、光学ユニット２０の構成により定まる変換係数に基づき、第１、第２受光信号ＬＳ１，ＬＳ２から各測定点の傾斜角度を算出する。このとき、第１、第２プローブ光ＰＬ１，ＰＬ２の垂直入射からのずれ、すなわち既述した垂直入射補正項による補正が行われた傾斜角度が算出される。このようにして算出される測定点の傾斜角度は、［二つのプローブ光による傾斜角度測定］の項で説明した傾斜角度Ｄ11，Ｄ22に相当する。算出された傾斜角度（「測定傾斜角度」という）は、記憶部５２のＲＡＭに一時記憶され、ステップＳ５０に進む。
【０１１６】
ステップＳ５０では、測定ライン上に設定された全測定点について傾斜角度の測定が行われたか否かが判断される。例えば、測定プログラムにおいて測定ライン上に測定点がｎ点設定されている場合に、ステップＳ２０によるステージの移動処理がｎ回実行されたか否か、あるいはステップＳ４０による傾斜角度の算出処理がｎ回実行されたか否か等により判断される。そして測定ライン上に設定された全測定点について傾斜角度測定が行われていないと判断されるときは、ステップＳ１０に戻って測定ライン上の次の測定点の傾斜角度測定が行われ、全測定点について傾斜角度測定が行われたと判断されるときにはステップＳ６０に進む。
【０１１７】
ステップＳ６０では、測定ラインに沿った測定面Ｗsの形状を導出する処理が行われる。ここまでのステップにより記憶部５２のＲＡＭには、測定ライン上の全測定点について、設計上の基準傾斜角度ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4…、第１、第２プローブ光による測定傾斜角度（Ｄ11，Ｄ22），（Ｄ2１，Ｄ32），（Ｄ3１，Ｄ42）…が記憶されている。演算部５３は、これらの基準傾斜角度及び測定傾斜角度を読み出し、測定ライン上の測定点の角度分布から測定ラインに沿った測定面の形状を導出する。この測定ラインに沿った形状導出処理（ステップＳ６０）の詳細を図１２に示す。
【０１１８】
ステップＳ６０の形状導出処理は、まず、ステップＳ６１において、基準傾斜角度ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4…、及び測定傾斜角度（Ｄ11，Ｄ22），（Ｄ2１，Ｄ32），（Ｄ3１，Ｄ42）の読出し処理が行われる。続くステップＳ６３では、演算部５３において（１）（２）式の処理後、（３）′（４）′式の演算処理が順次行われ、測定部位II，III，IV…の誤差成分の総和Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4…と、現実の各測定点の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…とが算出される。
【０１１９】
ステップＳ６５では、算出された各測定点の傾斜角度Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状の導出処理が行われる。具体的には、所定間隔ｄ（例えばｄ＝３０μｍ）ごとに変化する離散的な傾斜角度データＳ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4…に対し、積分処理、微分Zernike関数を用いた関数フィッティング処理、スプライン補間処理等を行うことにより、傾斜角度が連続的（滑らか）に変化する測定面の形状導出が行われる。
【０１２０】
このようにして測定ラインに沿った測定面Ｗsの形状を導出する処理が完了すると、算出された測定ライン（第１測定ライン）の形状データが、第１測定ラインの設定位置とともに記憶部５２のＲＡＭに記録され、ステップＳ７０（図１１）に進む。
【０１２１】
ステップＳ７０では、測定プログラムで設定された測定面Ｗs上の全測定ラインについて測定ラインに沿った形状が導出されたか否かが判断される。例えば、測定プログラムにおいて測定面上に測定ラインがｍ本設定されている場合に、ステップＳ６０による測定ラインに沿った測定面の形状導出処理がｍ回実行されたか否か、あるいは記憶部５２のＲＡＭにｍ個の測定ラインに沿った測定面の形状データが記録されているか否か等により判断される。
【０１２２】
そして測定面に設定された全測定ラインについて、測定ラインに沿った形状が導出されていないと判断されるときは、ステップＳ７５においてθzステージが旋回駆動されて被測定物が次の測定ラインの角度位置に位置決めされ、ステップＳ１０に戻って次の測定ラインに沿った形状の導出処理が行われる。一方、全測定ラインについて測定ラインに沿った形状の導出処理が行われたと判断されるときにはステップＳ８０に進む。
【０１２３】
ステップＳ８０では、測定面Ｗs全体の形状の導出処理が行われる。具体的には、各測定ラインに沿って導出され、記憶部５３に記録された放射状（平行ライン状、格子状等）の形状データに基づいて、測定面Ｗs全体の形状（例えば、三次元の非球面形状）が導出される。導出された測定面Ｗs全体の形状データは記憶部５３のＲＡＭに記録され、ステップＳ９０に進む。
【０１２４】
ステップＳ９０では、ステップＳ８０で導出された測定面Ｗsの形状データが出力される。例えば、図示省略する画像処理部により画像処理された測定面Ｗsの三次元画像や解析画像等が操作部５１の液晶表示パネルに表示され、あるいはＩ／Ｏ部５６を介して外部（例えば測定面の形状データを印刷するプリンタやデータ処理する他のコンピュータ等）に出力される。
【０１２５】
オペレータは、操作部５１により表示情報を選択的に切り替えることができ、測定面のＷsの三次元画像や任意の測定ラインに沿った測定面の形状、各種の解析画像等を液晶表示パネルに表示させることができる。これにより、高精度に測定された測定面のＷsの形状や、基準形状（設計値）と比較した誤差領域の位置、大きさ、範囲などを容易に把握することができる。
【０１２６】
以上説明したように、本発明の態様によれば、プローブ光と被測定物とを相体移動させるステージ等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の測定面の形状を高精度に測定可能な形状測定手段を提供することができる。そして、本発明を使用することにより初めて精度よい測定が可能になる被測定物の例として、プロジェクタの光学系に使用するレンズや、プリンタスキャナレンズ、リアプロジェクションテレビレンズ、集光型太陽光発電システムレンズ（ＣＶＰ）、カメラレンズ、露光装置の光学系に使用されるレンズ、長尺ミラー、放射光用ミラー、高精度金型などが例示される。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  ワーク移動ユニット
１１  ｘステージ
１２  ｙステージ
１３  ｚステージ
１４  θzステージ
１５  ワークホルダ
２０  光学ユニット
２１  光源部（２１１  レーザ光源）
２２  プローブ光生成部
２５  受光部（２５５  受光素子）
３０  ミラーユニット
３５  θyステージ
５０  制御ユニット
５２  記憶部
５３  演算部
５４  ステージ制御部
５５  計測制御部
Ｉ，II，III，IV…  測定部位
ｄ  測定面上における第１，第２プローブ光のビーム間隔
Ｆ  形状測定の制御プログラムのフローチャート
Ｌ（Ｌ1〜Ｌ3）  測定ライン
ＬＭＳ  形状測定装置
ＬＳ１  第１受光信号
ＬＳ２  第２受光信号
ＰＬ１  第１プローブ光
ＰＬ２  第２プローブ光
Ｗ（Ｗ1，Ｗ2）  被測定物
Ｗs  測定面
Ｓ１０  ステージ位置の算出処理を行うステップ
Ｓ２０  ステージ移動処理を行うステップ
Ｓ３０  第１、第２受光信号の取得処理を行うステップ
Ｓ４０  傾斜角度の算出処理を行うステップ
Ｓ５０  測定ライン上の全測定点完了か否かを判断するステップ
Ｓ６０  測定ラインに沿った測定面の形状を導出処理するステップ
Ｓ６１  基準傾斜角度及び測定傾斜角度の読出し処理を行うステップ
Ｓ６３  各測定部位の誤差成分の総和と現実の各測定点の傾斜角度を算出するステップ
Ｓ６５  測定ラインに沿った測定面の形状の導出処理を行うステップ
Ｓ７０  測定面上の全測定ライン完了か否かを判断するステップ
Ｓ７５  被測定物を次の測定ラインの角度位置に位置決めステップ
Ｓ８０  測定面全体の形状の導出処理を行うステップ
Ｓ９０  測定面の形状データを出力するステップ
【図１】
0005648903.tif 000002
【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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