(57)【要約】【課題】測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供する。【解決手段】レーザビームを測定対象表面上で高速に１次元走査し、かつ同時に測定対象表面の傾斜によるレーザビームの角度振れを検出する光学系で構成される形状測定装置を発明した。本装置では、平面ミラー21と凹球面ミラー22の位置関係を設定し、かつ角度振れを受けた反射レーザビームをレンズ41により光ビーム検出器42上に導くことにより、測定対象30表面の傾斜によって測定対象面からの反射レーザビームの伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行う。このため、正確に角度振れを検出することができ、測定対象30の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。【選択図】図３
2008196970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査光学系により光源から放射される光束を測定対象の表面上で走査させ、当該測定対象で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定方法であって、
前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、
前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成したことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記測定対象で反射された反射光束を前記光束変向手段で反射するように構成し、当該光束変向手段で反射された反射光束を前記レンズへ向けて反射する第２の平面ミラーを配設したことを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
【請求項３】
前記光伝搬方向検出系の検出結果である前記光位置検出器の検出位置△（△＝２θｆ、θは前記測定対象の表面の傾斜角、ｆは前記焦点距離）に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置ｘに対する位置分布△（ｘ）を測定し、次式を演算することにより、
【数１】
2008196970.tif 000006
前記測定対象の表面形状ｒ（ｘ）を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の形状測定方法。
【請求項４】
走査光学系により光源から放射される光束を測定対象の表面上で走査させ、当該測定対象で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算装置で演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定装置であって、
前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、
前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成したことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
前記測定対象で反射された反射光束を前記光束変向手段で反射するように構成し、当該光束変向手段で反射された反射光束を前記レンズへ向けて反射する第２の平面ミラーを配設したことを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記演算装置は、前記光伝搬方向検出系の検出結果である前記光位置検出器の検出位置△（△＝２θｆ、θは前記測定対象の表面の傾斜角、ｆは前記焦点距離）に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置ｘに対する位置分布△（ｘ）を測定し、次式を演算することにより、
【数２】
2008196970.tif 000007
前記測定対象の表面形状ｒ（ｘ）を求めるものであることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定面の形状を計測する形状測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の精密加工技術の発展に伴い、加工部品の表面形状に関する品質管理が重要となっている。そして、製造される加工部品のインプロセス全教表面形状検査が可能ならば、工場からの不良品出荷の抑制に大いに効果がある。現在、形状検査のために、触針式形状測定装置やレーザ干渉計などが用いられているが、これらの装置は測定対象の高い設定位置精度が要求され、また機械的な振動に弱く特別な測定室が必要なため、インプロセス全数表面形状検査装置に適用できない。
【０００３】
測定対象表面を１点ずつ走査して測定する従来の表面形状測定装置は、数ｃｍにわたる走査速度が数十秒と遅いため測定時問が長くなり、そのため機械的な振動の影響を受易い欠点があった。また、走査光学系が高価でもあり、インプロセス全数表面形状検査装置としては不十分であった。これらの不十分な点を解決する表面形状測定装置が、特許文献１に開示されている。
【０００４】
この表面形状測定装置は、光源から放射される光束を走査光学系を介して被測定面に入射させ、この被測定面により反射された前記光束を位置センサで確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置で積分することにより被測定面の形状を求める形状測定装置であって、光源から放射される光束を光束変向手段により実時間で変向し、この光束変向手段により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラーで反射して前記被測定面と対向状態に設けた凹面ミラーを介して前記被測定面に入射すると共に、光束変向手段により変向角度を変化させることで前記被測定面上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段と位置センサとは夫々前記平面ミラー若しくは被測定面を介して互いに凹面ミラーの共役点に設けたものである。
【０００５】
特許文献１の第一実施例において、光束変向手段と位置センサは、凹面ミラーの共役距離に配置しているが、この「共役距離に配置する」の意味は、光路Ｓ１−Ｒ−Ｍ＝Ｌ１および光路Ｍ−Ｑ−Ｓ２＝Ｌ２とおくと、（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）＝２／Ｒが成り立つようにすることである。平面ミラーおよび被測定面の位置については、光束変向手段からの距離が等しくなっているため、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｒとすることができ、（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）＝２／Ｒが成り立つ。この状態は特別の場合であり、明細書中の段落「００４３」では凹面ミラーは無収差になると表現している。この無収差のときは、被測定面からの反射光の方向が被測定面の形状に比例するため、明細書中の段落「００５１」に述べられているように、光スポット位置変位△より、被測定面の形状が得られる。
【０００６】
他方、特許文献１の第二実施例においても、光束変向手段と位置センサは、（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）＝２／Ｒが成り立つように配置されている。しかし、Ｌ１がＬ２と等しくないため、被測定面の形状に比例する光スポット位置変位（Ｓ２の位置に対応する）は光束変向手段の面上に現れる。このため、レンズを用い、光束変向手段の面を位置センサの面に結像している。つまり、第二実施例は、位置センサを凹面ミラーの共役点（光束変向手段の面上のＳ２）に配置できないときの構成（光束変向手段があるから）である。なお、位置センサは、レンズの一方の共役距離に配置され、凹面ミラーの一方の共役距離がレンズの他方の共役点になっている（上記のレンズによる結像関係にある）。
【特許文献１】特開２００４−２７９１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この表面形状測定装置では、測定対象の表面形状を１０ナノメータ以下の誤差で測定しようとするとき、測定対象面の前後方向に対して測定対象面を１ミクロン以下の誤差で設定する必要がある。しかし、実際の測定では通常１００ミクロン程度の位置設定誤差が存在するため、表面形状の測定結果には数ミクロンのオーダーの誤差が生じる。この測定誤差として生じる表面形状は、レーザビームの１次元走査方向に対して２次の関数となっている。このため、測定対象面が２次関数の表面形状成分を含む場合は、特許文献１に開示されている表面形状測定装置では表面形状を正確に測定できないという大きな問題点がある。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置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】
【０００９】
本発明における請求項１の形状測定方法及び請求項４の形状測定装置では、走査光学系により光源から放射される光束を測定対象の表面上で走査させ、当該測定対象で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定方法（又は当該検出結果に基づいて演算装置で演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定装置）であって、前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成している。
【００１０】
このようにすると、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射光束の伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行うことができるため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。
【００１１】
本発明における請求項２の形状測定方法及び請求項５の形状測定装置では、前記測定対象で反射された反射光束を前記光束変向手段で反射するように構成し、当該光束変向手段で反射された反射光束を前記レンズへ向けて反射する第２の平面ミラーを配設している。
【００１２】
このようにすると、光伝搬方向検出系を走査光学系から離れた位置に配置できるため、当該形状測定に使用する装置（形状測定装置）が構成しやすくなる。
【００１３】
本発明における請求項３の形状測定方法及び請求項６の形状測定装置では、前記光伝搬方向検出系の検出結果である前記光位置検出器の検出位置△（△＝２θｆ、θは前記測定対象の表面の傾斜角、ｆは前記焦点距離）に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置ｘに対する位置分布△（ｘ）を測定し、次式を演算することにより、
【００１４】
【数１】
2008196970.tif 000003
【００１５】
前記測定対象の表面形状ｒ（ｘ）を求める。
【００１６】
このようにすると、光位置検出器の検出位置から測定対象の表面形状を容易に算出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１，４によると、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の請求項２，５によると、装置構成が容易となる。
【００１９】
本発明の請求項３，６によると、測定対象の表面形状を容易に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明における形状測定方法及び装置の好ましい実施例を説明する。
【００２１】
まず、本発明の要点について説明する。
【００２２】
測定対象表面の傾斜に比例した光束であるレーザビームの角度振れを検出し、表面傾斜を積分することより１次元表面形状を測定する測定原理がある。この測定原理を適用した１次元表面形状測定装置として、レーザビームを測定対象表面上で高速に１次元走査し、かつ同時に測定対象表面の傾斜によるレーザビームの角度振れを検出する光学系で構成される表面形状測定装置を発明した。本発明の走査光学系では、回転するスキャナミラー、平面ミラー、凹球面ミラーを用いることによって構成されている。従って、非常に安価な高速走査光学系となっている。
【００２３】
同様な走査光学系を用いた表面形状測定装置が特許文献１に開示されているが、この測定装置では、測定対象面からの反射レーザビームが到達する位量が測定対象表面の傾斜によって異なることから表面形状の測定を行っている。このため、上述のように、測定対象の位置設定精度が厳しく、レーザビームの１次元走査方向に対して２次の関数となる表面形状の成分を測定できないという大きな問題点を有している。
【００２４】
本発明では、これらの問題点を解決するように、平面ミラーと凹球面ミラーの位置関係を設定し、かつ角度振れを受けた反射レーザビームをレンズにより光検出器上に導くことによって、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射レーザビームの伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行っている。このため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。
【００２５】
以上の特性から本発明による表面形状測定装置では、測定対象の位置設定に対し高い精度が要求されないため、測定対象の設定が容易である。また、数ｃｍにわたる１次元表面形状の測定時問がミリ秒オーダーと非常に短時間であり除震装置を必要としないため、機械的振動が多い悪環境の中でのインプロセス全数表面形状検査に有効な測定装置となっている。
【００２６】
次に、本発明で用いる表面形状測定の原理を図１で説明する。
【００２７】
レーザ光源10から放射されたレーザビームが、測定対象30の表面Ｓ上の点Ｐに入射している。点Ｐで反射したレーザビームは、もし測定対象面Ｓが平坦ならば、レンズ41を通り光ビーム位置検出器42上の点Ｏに入射する。ただし、ＰＯはレンズ41の光軸であり、光ビーム位置検出器42の検出面は光軸に垂直である。また、レンズ41と光ビーム位置検出器42との距離はレンズ41の焦点距離ｆに等しい。測定対象30の表面Ｓ上の点Ｐにおける接線とｘ軸とのなす角である傾斜角がθならば、点Ｐからの反射レーザビームは直線ＰＯと２θの角をなす。従って、このときの光ビーム位置検出器42の面上の光束入射点としてのレーザビームスポットの位置△は、θが非常に小さいならば、レンズ41の作用により△＝２θｆとなる。光ビーム位置検出器42の出力は光ビームの位置△に比例した値であり、傾斜角θを測定することができる。測定対象30の表面上のビームスポットをｘ軸方向に走査し、光ビームの位置分布△（ｘ）を測定すれば、
【００２８】
【数２】
2008196970.tif 000004
【００２９】
数式２で測定対象30の１次元表面形状ｒ（ｘ）を測定できる。
【００３０】
図２乃至図４を用い、上記の原理に基づく本発明の実施例について説明する。
【００３１】
10はレーザ光源であり、例えば気体レーザ，半導体レーザなどを用いればよい。11は、測定対象30の表面上のビームスポット径の大きさを調整するためのレンズである。20は、レーザ光源10より放射されたレーザビームを反射（変向）することにより測定対象30の面上でビームスポットを走査させるための光束変向手段としてのスキャナミラーであり、例えばモータの回転軸に取り付けられた平面ミラー，ハーフミラー，ポリゴンミラー，ガルバノスキャナなどが用いられる。また、このスキャナミラー20は、測定対象30の表面からの反射レーザビームを反射して平面ミラー40に入射させるためにも利用される。21は、スキャナミラー20で反射したレーザビームを反射して凹球面ミラー22に入射させる平面ミラーである。22は、平面ミラー21で反射したレーザビームを反射して測定対象30に入射させる凹球面ミラーである。40は、スキャナミラー20で反射した反射レーザビームを反射してレンズ41に入射させる平面ミラーである。41は、測定対象30からの反射レーザビームの伝搬方向を検出するためのレンズである。42は、光ビーム位置検出器であり、例えばＣＣＤ素子，ＰＳＤ，フォトダイオードアレイなどを用いればよい。51は、光ビーム位置検出器42で得られた位置検出信号に対し、上記説明した測定対象30の１次元表面形状ｒ（ｘ）を求めるための演算を行う演算装置としてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）である。
【００３２】
まず図２において、レーザ光源10からの細いレーザビームを、レンズ11を通過させて、スキャナミラー20の回転中心Ａ点に入射させる。レンズ11の位置によって測定対象30の表面上のビームスポット径の大きさを調整する。スキャナミラー20が同図のような回転位置にあるときは、点Ａからの反射レーザビームは、平面ミラー21のＱ点に入射し、凹球面ミラー22のＣ点に到る。凹球面ミラー22の光軸はｚ軸方向であり、スキャナミラー20の回転中心Ａ点はこの光軸上にある。経路ＡＱとｚ軸のなす角度はφである。このような配置で、長さＡＱＣが凹球面ミラー22の曲率半径に等しい時、凹球面ミラー22のＣ点からの反射レーザビームは同じ経路ＣＱを戻り、測定対象30のＰ点に到達する。Ｐ点で測定対象面がｘ軸となす角度である傾斜角θがθ＝０のときは、Ｐ点からの反射レーザビームは経路ＡＱと平行に進み、スキャナミラー20のＲ点に達し、平面ミラー40のＴ点で反射される。経路ＲＴはレーザ光源10からのレーザビームと平行である。平面ミラー40で反射されたレーザビームはレンズ41に入射される。レンズ41の光軸はｚ軸に平行である。レンズ41からレンズ41の焦点距離ｆだけ離れた位置に光ビーム位置検出器42が配置されており、レンズ41を通過したレーザビームは光ビーム位置検出器42上のＯ点すなわち光軸と交わる点Ｏに到達する。この場合は光ビームの位置△は△＝０であり、測定対象表面の傾斜角θはθ＝０と検出される。
【００３３】
スキャナミラー20が回転すると角度φが変化し、測定対象30の表面上のビームスポットはｘ軸方向に走査される。同図のように測定対象30の面がｘ軸に平行な平坦面の場合には、測定対象30の面からの反射レーザビームは常に光軸上のＸ点を通過し、凹球面ミラーの光軸とのなす角度はφである。この反射レーザビームがスキャナミラー20で反射されると、レーザビームはレンズ41の光軸と平行となり、光ビーム位置検出器42上のＯ点に達する。なお、レーザビームと光軸との距離ｈはｈ＝２ｄφである。
【００３４】
次に図３に示すように、測定対象30の面の傾斜角がθの場合は、測定対象30の面からの反射レーザビームは、平坦面の場合に比べて角度２θだけ余分に角度触れを起こし、レンズ41に入射する時には、レーザビームとレンズ41の光軸となす角は２θとなり、光ビーム位置検出器42上の点に到達する位置は点Ｏから△＝２θｆだけ離れた位置となる。
【００３５】
スキャナミラー20の回転により測定対象30の面上のビームスポットはｘ軸方向に走査され、この走査による光ビーム位置検出器42の出力はパソコン51に取り込まれる。取り込まれた検出データから光ビームの位置△、測定対象表面の傾斜角θが求められ、表面形状ｒ（ｘ）が計算される。
【００３６】
図２，３はｘ−ｚ平面上に描かれた図であり、伝搬するレーザビームが平面ミラー40、凹球面ミラー22、あるいは平面ミラー21で遮断されるように描かれているが、実際の装置では、図４に示すように、これらのレーザビームの遮断が生じないような配置となっている。凹球面ミラー22はｙ軸方向には細い形をした矩形であり、ビーム経路ＡＱが遮断されないようになっている。平面ミラー21と凹球面ミラー22はｘ軸に平行ではあるが、ｘ軸方向を回転軸として傾いている。そのため、ビーム経路ＱＣおよびＣＰはｘ−ｚ面と平行ではなく、平面ミラー21もｙ軸方向には細い形をした矩形とすることによって、ビーム経路ＣＰは平面ミラー21によって遮断されないようになっている。
【００３７】
ここで、上記特許文献１に開示される形状測定装置と本発明に係る形状測定装置との差異点について説明する。
【００３８】
特許文献１の明細書中において段落「００５９」に述べられているように、第一実施例の平面ミラーの位置は障害があり実用的でない。このため、本発明の実施例でも、特許文献１の第二実施例と同様の構成となっており、平面ミラーおよび被測定面の位置については、光束変向手段からの距離が異なっている。しかし、特許文献１では、光路Ｓ１−Ｒ−Ｍは光路Ｍ−Ｑ−Ｓ２より必ず短くなるため、光路Ｓ１−Ｒ−Ｍおよび光路Ｍ−Ｑ−Ｓ２の長さは凹面ミラーの共役距離となるように平面ミラーおよび被測定面の位置が決められている。そして、凹面ミラーの一方の共役距離にある光束変向手段の面上での光の動きを検出するために、位置センサは、レンズの一方の共役距離に配置され、凹面ミラーの一方の共役距離がレンズの他方の共役点になっている。
【００３９】
このような特許文献１の配置では（第二実施例の場合）、以下の２つの欠点が生じている。（ａ）測定対象の表面形状を１０ナノメータ以下の誤差で測定しようとするとき、測定対象面の前後方向に対して測定対象面を１ミクロン以下の誤差で設定する必要がある。（ｂ）レーザビームの１次元走査方向に対して２次の関数となっている表面形状成分を測定できない。
【００４０】
これらの欠点を取り除くため、本発明の実施例では以下の配置とした。光路Ｓ１−Ｒ−Ｍは凹面ミラーの曲率半径に等しくする。すなわち、図２で光路Ａ−Ｑ−Ｃは凹球面ミラーの曲率半径に等しい。
【００４１】
このような本発明の実施例における配置で、測定対象表面の傾斜θによって測定対象面からの反射レーザビームの伝搬方向が変化し、光学系の光軸に対して２θだけ傾く（図３参照）。このとき、測定対象表面の位置には制限がない。これに対して特許文献１では、光路Ｍ−Ｑ−Ｓ２の長さは凹面ミラーの共役距離であると言う制限があり、測定対象表面の位置を正確に設定する必要がある。
【００４２】
本発明の実施例では、反射レーザビームの伝搬方向（光学系の光軸に対して傾いている角度２θ）を検出するためにレンズ41を用い、レンズ41の焦点面に光ビーム位置検出器42を配置する。２θｆの光ビームの位置を検出する。すなわち、レンズ41は結像するためのレンズ（結像レンズ）ではない。
【００４３】
これに対して特許文献１では、レンズは、光束変向手段の面上での光の動きを検出するために、光束変向手段の面上の光の像が位置センサの面上に形成されるように配置されている。すなわち、ここでのレンズは結像レンズである。
【００４４】
以上の配置によって、前記（ａ）の欠点を排除し測定対象面の位置設定精度は数ｍｍ程度で良い。また、前記（ｂ）の欠点を排除し、２次の関数となっている表面形状成分も測定できる。
【００４５】
ところで、出願人は、図２乃至図４に示した本実施例における形状測定装置を用いて、その作用効果を検証するための形状測定実験を行った。
【００４６】
当該形状測定実験にあたり、具体的な条件としては以下のようにした。レーザ光源10は出力５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ光源を用いた。凹球面ミラー22の形状は８０ｍｍ×１５ｍｍの矩形であり、曲率半径はＲ＝４００ｍｍであった。測定対象30の表面上のビームスポットの半値幅は３０μｍであった。測定対象30と平面ミラー21の距離はｄ＝７ｍｍであった。レンズ41の焦点距離は２００ｍｍであった。光ビーム位置検出器42は２次元位置検出センサであり、位置検出分解能は１．５μｍであった。したがって、測定対象30の面の傾斜角検出分解能は３．５×１０−６ｒａｄであった。スキャナミラー20は速度制御可能なサーボモータに取り付けられ、モータの回転角速度は２５０ｒｐｍであった。試料面Ｓとスキャナミラーの距離は約２００ｍｍなので、測定対象30の面上のビームスポットの走査速度は約５ｍｍ／ｍｓであった。測定対象30はポリゴンミラーであり、測定面の幅は５ｍｍであった。幅は５ｍｍにわたるビームスポットの走査時間すなわち測定時間は１ｍｓであるため、１ｍｓの逆数である１ｋＨｚ以下の機械的な振動によって測定誤差は生じないことから、測定には除震台を用いなかった。
【００４７】
ポリゴンミラーの表面形状を測定した結果を図５に示す。ポリゴンミラーの表面をｚ軸に沿って３ｍｍの範囲で移動させて測定を行った場合にも、同様な測定結果が得られた。太線はレーザビーム高速走査法による本装置での測定結果で、細線はレーザ干渉計Wyko NT3300（ビーコインスツルメンツ社製）による測定結果である。両者の差は、二乗平均平方根で０．９８ｎｍであった。レーザビーム高速走査法による表面形状測定の安定性を調べるために、２０回の繰り返し測定を行った。その結果、各測定結果のばらつきは、二乗平均平方根で０．３１ｎｍであった。
【００４８】
当該形状測定実験の結果から、本実施例の構成に基づく特有の効果が次のように結論づけられる。測定対象面を前後に移動させた場合でも表面形状の測定結果は変化しないことから、測定対象面の位置設定精度は数ｍｍ程度で良い。測定対象面上のビームスポットの走査速度は約５ｍｍ／ｍｓと高速であるため、測定時間はミリ秒オーダーと非常に短時間となり、測定において除震装置を必要としない。以上の特性を有するため、機械的振動が多く存在するインプロセス計測において本形状測定装置はその有用性を発揮する。
【００４９】
以上のように本実施例の形状測定方法及び装置では、走査光学系によりレーザ光源10から放射される光束を測定対象30の表面上で走査させ、当該測定対象30で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算を行うことにより測定対象30の表面形状を求める形状測定方法（又は当該検出結果に基づいて演算装置としてのパソコン51で演算を行うことにより測定対象30の表面形状を求める形状測定装置）であって、前記走査光学系を、レーザ光源10から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段としてのスキャナミラー20と、該スキャナミラー20で変向された光束を反射する平面ミラー21と、該平面ミラー21と対向して設けられ、前記平面ミラー21で反射された光束を反射して測定対象30に入射させる凹球面ミラー22とから構成すると共に、前記光束がスキャナミラー20から平面ミラー21を介して凹球面ミラー22に至るまでの光路長Ａ−Ｑ−Ｃが凹球面ミラー22の曲率半径に等しくなるよう平面ミラー21及び凹球面ミラー22を配設し、前記光伝搬方向検出系を、測定対象30で反射された反射光束が入射するレンズ41と、該レンズ41から該レンズ41の焦点距離ｆだけ離れた位置に配置された光ビーム位置検出器42とから構成している。
【００５０】
このようにすると、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射光束の伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行うことができるため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象30の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。従って、測定対象30の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、２次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供することができる。
【００５１】
また本実施例の形状測定方法及び装置では、測定対象30で反射された反射光束をスキャナミラー20で反射するように構成し、当該スキャナミラー20で反射された反射光束をレンズ41へ向けて反射する第２の平面ミラー40を配設している。
【００５２】
このようにすると、光伝搬方向検出系を走査光学系から離れた位置に配置できるため、当該形状測定に使用する装置（形状測定装置）が構成しやすくなる。
【００５３】
さらに本実施例の形状測定方法及び装置では、前記光伝搬方向検出系の検出結果である光ビーム位置検出器42の検出位置△（△＝２θｆ、θは前記測定対象の表面の傾斜角、ｆは前記焦点距離）に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置ｘに対する位置分布△（ｘ）を測定し、次式を演算することにより、
【００５４】
【数３】
2008196970.tif 000005
【００５５】
前記測定対象の表面形状ｒ（ｘ）を求める。
【００５６】
このようにすると、光ビーム位置検出器42の検出位置から測定対象30の表面形状を容易に算出することができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明における形状測定方法及び装置の測定原理を示す説明図である。
【図２】同上、測定対象表面の傾斜がない場合の形状測定装置内におけるレーザビームの伝搬経路を示す説明図である。
【図３】同上、測定対象表面の傾斜角がある場合の形状測定装置内におけるレーザビームの伝搬経路を示す説明図である。
【図４】同上、形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図５】同上、形状測定装置による測定実験結果を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５９】
10  レーザ光源
20  スキャナミラー（光束変向手段）
21  平面ミラー
22  凹球面ミラー
30  測定対象
40  平面ミラー（第二の平面ミラー）
41  レンズ
42  光ビーム位置検出器
51  パソコン（演算装置）
【図１】
2008196970.tif 000008
【図２】
2008196970.tif 000009
【図３】
2008196970.tif 000010
【図４】
2008196970.tif 000011
【図５】
2008196970.tif 000012