(57)【要約】【課題】測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供する。【解決手段】測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段と、を備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記変位検出手段は、前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときの前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段と、を有することを特徴とする。【選択図】　図１
2004037251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、
前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段と、
を備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記変位検出手段は、
前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときに検出される前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段と、
を有することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記照射光はレーザ光であり、その光源はレーザ光源であることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記照射光の光源は、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記変位検出手段は、前記反射光を前記ｎ個の分割光として受光してそれらの受光量差を検出する受光量差検出手段をさらに有し、
前記受光量差検出手段は、
前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段と、
前記反射光をｎ個の分割光として受光する反射光受光手段と、
を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記ｎ個の分割光のうちの少なくとも１個の分割光の少なくとも一部の受光を遮断する分割光遮断手段を有することを特徴とする、請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、
前記分割光遮断手段は、前記反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段であることを特徴とする、請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、
前記ナイフエッジ手段は、前記反射光受光手段の受光面と平行かつ前記反射光の基準焦点位置を含む面内において、前記基準焦点位置を含む境界線により前記反射光に対する透過領域と遮断領域とが分割配置され、その遮断領域の配置を任意に制御可能に構成され、
前記受光量差調整手段は、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記ナイフエッジ手段の前記遮断領域を前記基準焦点位置を中心に回転制御する遮断領域回転制御手段と、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記ナイフエッジ手段は、前記反射光に対する透過と遮断を制御可能な液晶により構成されることを特徴とする、請求項７に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、
前記受光量差調整手段は、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光受光手段の受光面と平行かつ前記反射光の基準焦点位置を含む仮想面内において、前記基準焦点位置を中心に前記ナイフエッジ手段を回転制御するナイフエッジ回転制御手段と、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
前記焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、
前記分割光遮断手段は、前記測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムであることを特徴とする、請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】
前記焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、
前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記反射光の光軸を含む縦断面と横断面との異なる焦点距離により、前記反射光の受光面への結像の形状または前記受光面内における前記結像の傾斜を変化させる非点収差手段を有することを特徴とする、請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項１２】
前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、
前記受光量差調整手段は、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記受光面と平行な仮想面内において、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、前記非点収差手段を回転制御する非点収差回転制御手段と、
検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、
を有することを特徴とする、請求項１１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１３】
前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、前記受光量差検出手段を回転制御する受光量差検出回転制御手段を有することを特徴とする、請求項４、５、６、１０または１１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１４】
前記変位検出手段は、
前記受光量差検出手段を、前記反射光の前記ｎ個の分割光への分割方向が相互に異なるように複数種類有し、
前記複数種類の各受光差検出手段のそれぞれに対して、前記反射光を分岐する変位検出用分岐手段をさらに有し、
前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記複数種類の受光量差検出手段のそれぞれにより検出された複数種類の受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された複数種類の焦点誤差信号のうちの１個を選択する受光量差選択手段を有することを特徴とする、請求項４、５、６、１０または１１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１５】
前記反射光受光手段は、前記反射光の画像イメージをデータ化して検出するイメージセンサを有することを特徴とする、請求項４ないし１４のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項１６】
前記反射光受光手段は、前記ｎ個の分割光のそれぞれを受光するｎ個のフォトダイオードを有することを特徴とする、請求項１３または１４に記載の表面形状測定装置。
【請求項１７】
前記ｎ個は２個であることを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項１８】
前記傾斜方向検出手段は、
前記傾斜方向の検出用のための方向を１方向として含む複数方向に、前記反射光を分岐する傾斜検出用分岐手段と、
分岐された前記反射光のうちの前記１方向の１個を傾斜検出光として受光する傾斜検出受光手段と、
受光された前記傾斜検出光に基づいて、前記傾斜方向を決定する傾斜方向決定手段と、
を有することを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項１９】
前記傾斜方向決定手段は、
受光された前記傾斜検出光の重心または受光面上の光軸位置を検出重心として検出する重心検出手段と、
前記測定面傾斜がないときの基準重心と前記検出重心とから前記傾斜方向を算出する傾斜方向算出手段と、
を有することを特徴とする、請求項１８に記載の表面形状測定装置。
【請求項２０】
前記傾斜検出受光手段は、前記傾斜検出光の画像イメージをデータ化して検出するイメージセンサを有することを特徴とする、請求項１８または１９に記載の表面形状測定装置。
【請求項２１】
前記傾斜検出受光手段は、前記傾斜検出光をｍ個（ｍは４以上の整数）に分割した分割光のそれぞれを受光する前記ｍ個のフォトダイオードを有することを特徴とする、請求項１８または１９に記載の表面形状測定装置。
【請求項２２】
前記ｍ個は４個であることを特徴とする、請求項２１に記載の表面形状測定装置。
【請求項２３】
前記変位検出手段は、前記傾斜検出受光手段により受光された前記傾斜検出光に基づいて、それを参照光として前記焦点誤差を補正する焦点誤差補正手段をさらに有することを特徴とする、請求項１８ないし２２のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項２４】
前記変位検出手段は、
前記参照光の検出用のための方向を１方向として含む複数方向に、前記反射光を分岐する参照用分岐手段と、
分岐された前記反射光のうちの前記１方向の１個を参照光として受光する参照光受光手段と、
受光された前記参照光に基づいて、前記焦点誤差を補正する焦点誤差補正手段と、
を有することを特徴とする、請求項１ないし２２のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項２５】
測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射し、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出することにより、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
前記測定面の傾斜方向を検出し、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときに検出される前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２６】
前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段の方向と、それに対応して前記反射光を前記ｎ個に分割する分割方向と、の組合せを保った状態で、その組合せを、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、検出された前記傾斜方向に基づいて回転させることにより、前記測定点の変位がないときの前記受光量差を調整することを特徴とする、請求項２５に記載の表面形状測定方法。
【請求項２７】
前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段と、それに対応して前記反射光をｎ個の分割光として受光する反射光受光手段と、の組合せを１セットとして、前記反射光の前記ｎ個の分割光への分割方向が相互に異なるように複数セット設けて、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記複数セットのそれぞれにより検出された受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された焦点誤差信号のうちの１個を選択することにより、前記測定点の変位がないときの前記受光量差を調整することを特徴とする、請求項２５に記載の表面形状測定方法。
【請求項２８】
前記焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、
前記焦点誤差反映手段は、前記反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段であることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の表面形状測定方法。
【請求項２９】
前記焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、
前記焦点誤差反映手段は、前記測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムであることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の表面形状測定方法。
【請求項３０】
前記焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、
前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記反射光の光軸を含む縦断面と横断面との異なる焦点距離により、前記反射光の受光面への結像の形状または前記受光面内における前記結像の傾斜を変化させる非点収差手段であることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の表面形状測定方法。
【請求項３１】
前記反射光を分岐させて傾斜検出光として受光し、受光された前記傾斜検出光の重心または受光面上の光軸位置を検出重心として検出し、前記測定面傾斜がないときの基準重心と前記検出重心とから前記傾斜方向を検出することを特徴とする、請求項２５ないし３０のいずれかに記載の表面形状測定方法。
【請求項３２】
前記反射光を分岐させて参照光として受光し、受光された前記参照光に基づいて、焦点誤差を補正することを特徴とする、請求項２５ないし３１のいずれかに記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦点誤差検出方法による非接触変位測定により測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置および表面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触法の表面形状測定装置として、代表的なものに焦点誤差検出方法を用いた非接触変位計があり、非点収差法、ナイフエッジ法（フーコーテスト法）および臨界角法等が提案されており、構成が簡単で且つ高分解能が得られることから、現在広く製品化されている。この種の表面形状測定装置では、原理的に、測定面への照射光（照射ビーム）に対する反射光の光量を、複数に分割された分割ディテクタ（分割フォトダイオード等）で検出して、測定面変位による光量差を出力信号（焦点誤差信号）として出力し、測定位置（測定点）による変位分布を表面形状として測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の表面形状測定装置では、測定面が傾斜した場合に、反射光のビーム変形が生じるが、それによる測定誤差（傾斜誤差）は、分割ディテクタの分割方向（受光分割方向）と測定面の傾斜方向との関係に依存する。すなわち、測定面の傾斜方向によっては、受光分割方向との相対関係に依存して、大きな傾斜誤差を生じる場合がある（具体例を後述：図７〜図８参照）。
【０００４】
本発明は、測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の表面形状測定装置は、測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段と、を備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記変位検出手段は、前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときに検出される前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段と、を有することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２５の表面形状測定方法は、測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射し、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出することにより、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、前記測定面の傾斜方向を検出し、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときに検出される前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整することを特徴とする。
【０００７】
この表面形状測定装置および表面形状測定方法では、測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射して反射光を受光し、そのｎ個（ｎは２以上の整数）の分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの測定点の変位を焦点誤差として検出することにより、焦点誤差検出方法を用いて、測定面の表面形状を測定するが、測定面の傾斜方向を検出し、検出された傾斜方向に基づいて、測定点の変位がないときに検出される焦点誤差が小さくなるように受光量差を調整する。すなわち、本来は、測定点変位がなければ焦点誤差が生じないのに対して、測定面傾斜によって焦点誤差が検出されるときには、検出された傾斜方向に基づいて、焦点誤差検出の要因となる受光量差を調整して、焦点誤差を小さくすることにより、測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【０００８】
また、請求項１の表面形状測定装置において、前記照射光はレーザ光であり、その光源はレーザ光源であることが好ましい。
【０００９】
この表面形状測定装置では、照射光はレーザ光であり、その光源はレーザ光源なので、集束性や指向性等の強いレーザ光を照射光として利用して高密度の照射ができ、光量を大きくし易いので、照射光や反射光の光路とそれ以外の光量の差が顕著となって他の光の影響を受けにくく、分解能や線形性（リニアリティ）等を向上できる。なお、この場合、安全基準クラス１のレーザ光であることが望ましい。
【００１０】
また、請求項１の表面形状測定装置において、前記照射光の光源は、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードであることが好ましい。
【００１１】
この表面形状測定装置では、照射光の光源は、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなので、エネルギー効率が高いほか、小型化、軽量化、低価格化が可能になる。また、レーザダイオードを光源とする場合、レーザ光を照射光とするので、上述したレーザ光を利用する場合の各種利点が得られる。一方、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を光源とする場合、レーザダイオードの場合ほどの光量は確保しにくくなるものの、レーザ光と同様に集束性が高く、かつ、レーザ光よりコヒーレント性（干渉性）が低い（弱い）照射光を得ることができるので、ノイズ（Ｓ／Ｎ比）を抑制して分解能をさらに向上できる。なお、このため、大きな光量を必要とする場合にはレーザダイオード、光量は小さくてもノイズを抑制したい場合にはＳＬＤとするなどの使い分けをしても良い。
【００１２】
また、請求項１ないし３のいずれかの表面形状測定装置において、前記変位検出手段は、前記反射光を前記ｎ個の分割光として受光してそれらの受光量差を検出する受光量差検出手段をさらに有し、前記受光量差検出手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段と、前記反射光をｎ個の分割光として受光する反射光受光手段と、を有することが好ましい。
【００１３】
この表面形状測定装置では、反射光をｎ個の分割光として受光してそれらの受光量差を検出する受光量差検出手段を有するので、その受光量差を対象として調整でき、検出された受光量差に基づいて焦点誤差を検出できる。また、測定点の変位により反射光の焦点位置がずれたときに、反射光のｎ個の分割光の受光量差を大きくし、その反射光をｎ個の分割光として受光するので、測定点の変位があったことをその受光量差により検出できる。
【００１４】
また、請求項４の表面形状測定装置において、前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記ｎ個の分割光のうちの少なくとも１個の分割光の少なくとも一部の受光を遮断する分割光遮断手段を有することが好ましい。
【００１５】
この表面形状測定装置では、測定点の変位により反射光の焦点位置がずれたときに、ｎ個の分割光のうちの少なくとも１個の分割光の少なくとも一部の受光を遮断し、反射光をｎ個の分割光として受光するので、測定点の変位があったことをその受光量差により検出できる。
【００１６】
また、請求項５の表面形状測定装置において、前記焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、前記分割光遮断手段は、前記反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段であることが好ましい。
【００１７】
この表面形状測定装置では、焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、分割光遮断手段は反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段なので、ナイフエッジ法により表面形状の測定ができる。すなわち、表面形状に起因して測定点の位置がずれて変位が生じたときには、反射光の焦点位置がずれてその反射光の一部をナイフエッジが遮断するので、分割受光の受光量差が生じるので、これに基づいて表面形状の測定ができる。
【００１８】
また、請求項６の表面形状測定装置において、前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、前記ナイフエッジ手段は、前記反射光受光手段の受光面と平行かつ前記反射光の基準焦点位置を含む面内において、前記基準焦点位置を含む境界線により前記反射光に対する透過領域と遮断領域とが分割配置され、その遮断領域の配置を任意に制御可能に構成され、前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記ナイフエッジ手段の前記遮断領域を前記基準焦点位置を中心に回転制御する遮断領域回転制御手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、を有することが好ましい。
【００１９】
この表面形状測定装置では、ナイフエッジ手段は、反射光受光手段の受光面と平行かつ反射光の基準焦点位置を含む面内において、基準焦点位置を含む境界線により反射光に対する透過領域と遮断領域とが分割配置され、その遮断領域の配置を任意に制御可能に構成されている。すなわち、その遮断領域が反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ（分割光遮断手段）の役目を果たす。これに対し、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、ナイフエッジ手段の遮断領域を基準焦点位置を中心に回転制御するので、傾斜方向に適したナイフエッジの配置方向にすることができる。また、反射光受光手段は、反射光を撮像して反射光画像を検出するのに対し、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、反射光画像をｎ個の分割光としての受光結果に分割するので、実質的なナイフエッジである遮断領域の回転に合わせることにより、傾斜方向に適した方向にｎ個に分割した分割光の受光手段とそのうちの一部の受光を遮断するナイフエッジとの組合せとすることができる。
【００２０】
また、請求項７の表面形状測定装置において、前記ナイフエッジ手段は、前記反射光に対する透過と遮断を制御可能な液晶により構成されることが好ましい。
【００２１】
この表面形状測定装置では、ナイフエッジ手段は、反射光に対する透過と遮断を制御可能な液晶により構成されるので、液晶面の中心が反射光の基準焦点位置に合うように配置し、反射光に対する透過領域と遮断領域とを液晶面の中心を含む境界線により分割配置するように制御するだけで、任意に回転制御可能な所望のナイフエッジ手段となる。
【００２２】
また、請求項６の表面形状測定装置において、前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光受光手段の受光面と平行かつ前記反射光の基準焦点位置を含む仮想面内において、前記基準焦点位置を中心に前記ナイフエッジ手段を回転制御するナイフエッジ回転制御手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、を有することが好ましい。
【００２３】
この表面形状測定装置では、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、反射光受光手段の受光面と平行かつ基準焦点位置を含む仮想面内において、基準焦点位置を中心にナイフエッジ手段を回転制御するので、傾斜方向に適したナイフエッジの配置方向にすることができる。また、反射光受光手段は、反射光を撮像して反射光画像を検出するのに対し、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、反射光画像をｎ個の分割光としての受光結果に分割するので、ナイフエッジ手段の回転に合わせることにより、傾斜方向に適した方向にｎ個に分割した分割光の受光手段とそのうちの一部の受光を遮断するナイフエッジとの組合せとすることができる。
【００２４】
また、請求項５の表面形状測定装置において、前記焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、前記分割光遮断手段は、前記測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムであることが好ましい。
【００２５】
この表面形状測定装置では、焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、分割光遮断手段は、測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムなので、臨界角法により表面形状の測定ができる。すなわち、表面形状に起因して測定点の変位が生じたときに、臨界角プリズムに対する入射角が全反射条件を満足しなくなった反射光の一部は、反射光受光手段に入射されないので、この結果、臨界角プリズムにより反射光の一部の受光を遮断することになり、分割受光の受光量差が生じるので、これに基づいて表面形状の測定ができる。
【００２６】
また、請求項４の表面形状測定装置において、前記焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記反射光の光軸を含む縦断面と横断面との異なる焦点距離により、前記反射光の受光面への結像の形状または前記受光面内における前記結像の傾斜を変化させる非点収差手段を有することが好ましい。
【００２７】
この表面形状測定装置では、焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、シリンドリカルレンズ等の非点収差手段は、測定点の変位により反射光の焦点位置がずれたときに、反射光の光軸を含む縦断面と横断面との異なる焦点距離により、反射光の受光面への結像の形状または受光面内における結像の傾斜を変化させ、反射光受光手段は、受光面に結像された反射光をｎ個の分割光として受光する。この場合、測定点の変位の有無により受光面における結像の形状または傾斜が異なり、分割受光の受光量差が異なってくるので、測定点の変位があったことをその受光量差により検出でき、これにより、非点収差法による表面形状の測定ができる。なお、測定点の変位がないときの結像を反射光の光軸を中心とする円形とし、その周方向にｎ個に等分割したｎ個の円弧分の反射光を各分割光として受光するようにすれば、測定点の変位がないときの受光量差は最小値（理想値は０）となるので、受光量差調整が容易になる。
【００２８】
また、請求項１１の表面形状測定装置において、前記反射光受光手段は、前記反射光を撮像して反射光画像を検出する反射光撮像手段を有し、前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記受光面と平行な仮想面内において、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、前記非点収差手段を回転制御する非点収差回転制御手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記反射光画像を前記ｎ個の分割光としての受光結果に分割する受光結果分割手段と、を有することが好ましい。
【００２９】
この表面形状測定装置では、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、受光面と平行な仮想面内において、測定面の傾斜がないときの反射光の光軸を中心に、非点収差手段を回転制御するので、傾斜方向に適した非点収差手段の配置方向にすることができる。また、反射光受光手段は、反射光を撮像して反射光画像を検出するのに対し、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、反射光画像をｎ個の分割光としての受光結果に分割するので、非点収差手段の回転に合わせて傾斜方向に適した方向の分割受光ができる。
【００３０】
また、請求項４、５、６、１０または１１の表面形状測定装置において、前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、前記受光量差検出手段を回転制御する受光量差検出回転制御手段を有することが好ましい。
【００３１】
この表面形状測定装置では、検出された傾斜方向に基づいて、測定面の傾斜がないときの反射光の光軸を中心に、受光量差検出手段を回転制御するので、傾斜方向に適した方向に回転させることにより、傾斜方向に適した方向の分割受光ができ、これにより、測定点の変位がないときの受光量差が小さくなるように調整できるので、測定面の傾斜に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【００３２】
また、請求項４、５、６、１０または１１の表面形状測定装置において、前記変位検出手段は、前記受光量差検出手段を、前記反射光の前記ｎ個の分割光への分割方向が相互に異なるように複数種類有し、前記複数種類の各受光差検出手段のそれぞれに対して、前記反射光を分岐する変位検出用分岐手段をさらに有し、前記受光量差調整手段は、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記複数種類の受光量差検出手段のそれぞれにより検出された複数種類の受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された複数種類の焦点誤差信号のうちの１個を選択する受光量差選択手段を有することが好ましい。
【００３３】
この表面形状測定装置では、反射光をｎ個の分割光として受光してそれらの受光量差を検出する受光量差検出手段、すなわち焦点誤差反映手段および反射光受光手段のセットを有する受光量差検出手段を、反射光のｎ個の分割光への分割方向が相互に異なる複数種類有し、それぞれに対して反射光を分岐するので、複数種類の各受光量差検出手段のそれぞれに対応する複数種類の受光量差を検出できる。これに対し、受光量差調整手段は、検出された傾斜方向に基づいて、それぞれにより検出された複数種類の受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された複数種類の焦点誤差信号のうちの１個を選択する。すなわち、検出された傾斜方向に基づいて、受光量差または焦点誤差信号を選択することにより、傾斜方向に適した方向の分割受光をしたことに相当し、これにより、測定点の変位がないときの受光量差が小さくなるように調整できるので、測定面の傾斜に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【００３４】
また、請求項４ないし１４のいずれかの表面形状測定装置において、前記反射光受光手段は、前記反射光の画像イメージをデータ化して検出するイメージセンサを有することが好ましい。
【００３５】
この表面形状測定装置では、反射光受光手段は、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子、いわゆるイメージセンサを有しているので、反射光の画像イメージを容易に検出（撮像）できるとともに、画像イメージをデータ化した画像データを取得できるので、反射光を任意のｎ個に容易に分割でき、ｎ個の分割光としての受光結果を容易に取得・検出できる。
【００３６】
また、請求項１３または１４の表面形状測定装置において、前記反射光受光手段は、前記ｎ個の分割光のそれぞれを受光するｎ個のフォトダイオードを有することが好ましい。
【００３７】
この表面形状測定装置では、反射光受光手段は、ｎ個の分割光のそれぞれを受光するｎ個のフォトダイオードを有するので、反射光をｎ個に分割したｎ個の分割光のそれぞれを容易に受光できるともに、フォトダイオードなので、小型化、軽量化、低価格化に適している。
【００３８】
また、請求項１ないし１６のいずれかの表面形状測定装置において、前記ｎ個は２個であることが好ましい。
【００３９】
この表面形状測定装置では、ｎ個は２個なので、反射光を最低限の２個に分割した分割光の受光量差に基づいて、測定面の表面形状を測定するが、受光量差調整等も２個の受光量差の調整で済むので、簡易且つコンパクトな構成にできる。
【００４０】
また、請求項２５の表面形状測定方法において、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段の方向と、それに対応して前記反射光を前記ｎ個に分割する分割方向と、の組合せを保った状態で、その組合せを、前記測定面の傾斜がないときの前記反射光の光軸を中心に、検出された前記傾斜方向に基づいて回転させることにより、前記測定点の変位がないときの前記受光量差を調整することが好ましい。
【００４１】
この表面形状測定方法では、まず、測定点の変位を受光量差に反映させる焦点誤差反映手段の方向と、それに対応して反射光をｎ個に分割する分割方向と、の組合せがあるので、その組合せにおいては、測定面の傾斜等の他の要因がない限り、測定点の変位に対して適切な受光量差が検出できる。ここでは、この組合せを保った状態で、その組合せを、測定面の傾斜がないときの反射光の光軸を中心に、検出された傾斜方向に基づいて回転させるので、焦点誤差反映手段の方向とｎ個に分割する分割方向とは適切な関係を保ったままとなり、その上で、検出された傾斜方向に基づいて、回転により測定点の変位がないときの受光量差が小さくなるように調整するので、傾斜方向に適した分割方向による分割受光ができ、測定面の傾斜に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【００４２】
また、請求項２５の表面形状測定方法において、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに前記受光量差が大きくなるように反映させる焦点誤差反映手段と、それに対応して前記反射光をｎ個の分割光として受光する反射光受光手段と、の組合せを１セットとして、前記反射光の前記ｎ個の分割光への分割方向が相互に異なるように複数セット設けて、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記複数セットのそれぞれにより検出された受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された焦点誤差信号のうちの１個を選択することにより、前記測定点の変位がないときの前記受光量差を調整することが好ましい。
【００４３】
この表面形状測定方法では、測定点の変位を受光量差に反映させる焦点誤差反映手段と、それに対応して反射光をｎ個の分割光として受光する反射光受光手段と、の組合せを１セットとするので、そのセットにおいては、測定面の傾斜等の他の要因がない限り、測定点の変位に対して適切な受光量差が検出できる。ここでは、反射光のｎ個の分割光への分割方向が相互に異なるように複数セット設けて、検出された傾斜方向に基づいて、複数セットのそれぞれにより検出された受光量差のうちの１個またはそれらにより生成された焦点誤差信号のうちの１個を選択することにより、傾斜方向に適した方向の分割受光をしたことに相当し、これにより、実質的に測定点の変位がないときの受光量差が小さくなるように調整できるので、測定面の傾斜に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【００４４】
また、請求項２６または２７の表面形状測定方法において、前記焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、前記焦点誤差反映手段は、前記反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段であることが好ましい。
【００４５】
この表面形状測定方法では、焦点誤差検出方法は、ナイフエッジ法であり、焦点誤差反映手段は、反射光の基準焦点位置に合わせて設けられたナイフエッジ手段なので、表面形状に起因して測定点の変位が生じたときには、反射光の焦点位置がずれてその反射光の一部をナイフエッジが遮断し、分割受光の受光量差が生じるので、これに基づいて表面形状の測定ができる。
【００４６】
また、請求項２６または２７の表面形状測定方法において、前記焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、前記焦点誤差反映手段は、前記測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムであることが好ましい。
【００４７】
この表面形状測定方法では、焦点誤差検出方法は、臨界角法であり、焦点誤差反映手段は、測定点が基準位置のときの反射光を平行光として入射したときに臨界角となって全反射するように設けられた臨界角プリズムなので、表面形状に起因して測定点の変位が生じて、入射角が全反射条件を満足しなくなった反射光の一部の受光を、臨界角プリズムにより遮断することになり、分割受光の受光量差が生じるので、これに基づいて表面形状の測定ができる。
【００４８】
また、請求項２６または２７の表面形状測定方法において、前記焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、前記焦点誤差反映手段は、前記測定点の変位により前記反射光の焦点位置がずれたときに、前記反射光の光軸を含む縦断面と横断面との異なる焦点距離により、前記反射光の受光面への結像の形状または前記受光面内における前記結像の傾斜を変化させる非点収差手段であることが好ましい。
【００４９】
この表面形状測定方法では、焦点誤差検出方法は、非点収差法であり、焦点誤差反映手段は、非点収差手段なので、非点収差法による表面形状の測定ができる。この場合、測定点の変位の有無により受光面における結像の形状または傾斜が異なり、分割受光の受光量差が異なってくるので、測定点の変位があったことをその受光量差により検出でき、例えば測定点の変位がないときの結像を反射光の光軸を中心とする円形とし、その周方向にｎ個に等分割したｎ個の円弧分の反射光を各分割光として受光するようにすれば、測定点の変位がないときの受光量差は最小値（理想値は０）となるので、受光量差調整が容易になる。
【００５０】
また、請求項１ないし１７のいずれかの表面形状測定装置において、前記傾斜方向検出手段は、前記傾斜方向の検出用のための方向を１方向として含む複数方向に、前記反射光を分岐する傾斜検出用分岐手段と、分岐された前記反射光のうちの前記１方向の１個を傾斜検出光として受光する傾斜検出受光手段と、受光された前記傾斜検出光に基づいて、前記傾斜方向を決定する傾斜方向決定手段と、を有することが好ましい。
【００５１】
この表面形状測定装置では、傾斜方向の検出用のための方向を１方向として含む複数方向に、反射光を分岐し、そのうちの１個を傾斜検出光として受光し、受光された傾斜検出光に基づいて、傾斜方向を決定するので、決定された傾斜方向に基づいて、受光量差の調整ができ、測定面の傾斜に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【００５２】
また、請求項１８の表面形状測定装置において、前記傾斜方向決定手段は、受光された前記傾斜検出光の重心または受光面上の光軸位置を検出重心として検出する重心検出手段と、前記測定面傾斜がないときの基準重心と前記検出重心とから前記傾斜方向を算出する傾斜方向算出手段と、を有することが好ましい。
【００５３】
また、請求項２５ないし３０のいずれかの表面形状測定方法において、前記反射光を分岐させて傾斜検出光として受光し、受光された前記傾斜検出光の重心または受光面上の光軸位置を検出重心として検出し、前記測定面傾斜がないときの基準重心と前記検出重心とから前記傾斜方向を検出することが好ましい。
【００５４】
この表面形状測定装置および表面形状測定方法では、反射光を分岐させて受光された傾斜検出光の重心または受光面上の光軸位置を検出重心として検出し、測定面傾斜がないときの基準重心と検出重心とから傾斜方向を算出することにより、傾斜方向を決定する。すなわち、測定面が傾斜した場合には、反射光の形状が変形（ビーム変形）し、測定面傾斜がないときの基準重心から重心がずれるので、その重心のズレを検出（算出）することにより傾斜方向を決定できる。
【００５５】
また、請求項１８または１９の表面形状測定装置において、前記傾斜検出受光手段は、前記傾斜検出光の画像イメージをデータ化して検出するイメージセンサを有することが好ましい。
【００５６】
この表面形状測定装置では、傾斜検出受光手段は、ＣＣＤ等から成るイメージセンサを有しているので、傾斜検出光（反射光）の画像イメージを容易に検出（撮像）できるとともに、画像イメージをデータ化した画像データを取得できるので、傾斜検出光の重心や光軸位置を容易に算出・決定できる。また、参照光検出をも容易に兼ねることができる。
【００５７】
また、請求項１８または１９の表面形状測定装置において、前記傾斜検出受光手段は、前記傾斜検出光をｍ個（ｍは４以上の整数）に分割した分割光のそれぞれを受光する前記ｍ個のフォトダイオードを有することが好ましい。
【００５８】
この表面形状測定装置では、傾斜検出受光手段は、傾斜検出光をｍ個（ｍは４以上の整数）に分割した分割光のそれぞれを受光するｍ個のフォトダイオードを有するので、受光量差によって傾斜検出光の重心や光軸の位置などを容易に算出・決定できるとともに、フォトダイオードなので、小型化、軽量化、低価格化に適し、また、参照光検出をも容易に兼ねることができる。
【００５９】
また、請求項２１の表面形状測定装置において、前記ｍ個は４個であることが好ましい。
【００６０】
この表面形状測定装置では、傾斜検出受光手段は、傾斜検出光を４個に分割した分割光のそれぞれを受光する４個のフォトダイオードを有するので、例えば各ダイオードに４象限の各象限を担当させることにより、受光量差によって傾斜検出光の重心や光軸がどの象限に位置するかなど、傾斜検出光の傾向を容易に算出・決定できる。
【００６１】
また、請求項１８ないし２２のいずれかの表面形状測定装置において、前記変位検出手段は、前記傾斜検出受光手段により受光された前記傾斜検出光に基づいて、それを参照光として前記焦点誤差を補正する焦点誤差補正手段をさらに有することが好ましい。
【００６２】
この表面形状測定装置では、傾斜方向の検出のために受光された傾斜検出光を参照光として利用して焦点誤差を補正する。一般に、測定面からの反射光には反射光強度むら（スペックルノイズ）などの誤差要因を含んでいるので、傾斜検出光（すなわち反射光それ自体）を参照光として、例えば誤差検出用に受光された反射光から差し引けば、スペックルノイズ等の誤差要因は相殺できる。このため、傾斜検出光を参照光として利用して焦点誤差を補正でき、これにより、さらに正確な表面形状測定ができる。
【００６３】
また、請求項１ないし２２のいずれかの表面形状測定装置において、前記変位検出手段は、前記参照光の検出用のための方向を１方向として含む複数方向に、前記反射光を分岐する参照用分岐手段と、分岐された前記反射光のうちの前記１方向の１個を参照光として受光する参照光受光手段と、受光された前記参照光に基づいて、前記焦点誤差を補正する焦点誤差補正手段と、を有することが好ましい。
【００６４】
また、請求項２５ないし３１のいずれかの表面形状測定方法において、前記反射光を分岐させて参照光として受光し、受光された前記参照光に基づいて、焦点誤差を補正することが好ましい。
【００６５】
この表面形状測定装置および表面形状測定方法では、反射光を分岐させて参照光として受光し、受光された参照光に基づいて、焦点誤差を補正する。このため、その参照光に基づいて、スペックルノイズの影響分を除くなどの焦点誤差信号の補正ができ、さらに正確な表面形状測定ができる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６７】
図１に示すように、表面形状測定装置１は、操作部１０、制御部２０、測定部５０を備え、外部に測定結果等を印刷するためのプリンタやプロッタ等の印刷装置（以下「プリンタ」で代表する）６、ハードディスクや光磁気ディスク等の外部記憶装置（以下「ハードディスク」で代表する）７などを接続できるようになっている。
【００６８】
操作部１０は、ユーザとのインタフェースを行うためのブラウン管や液晶等のディスプレイ３、キーボード４、および、マウスやディジタイザやタブレット等のポインティングディバイス（以下「マウス」で代表する）５を備えている。キーボード４には、アルファベットキー群、記号キー群、数字キー群、平仮名や片仮名等の仮名キー群、および外字を呼び出して選択するための外字キー群等として割り当てられた文字キー群の他、各種の動作モードなどを指定するための機能キー群などが配列されている。
【００６９】
ユーザは、ディスプレイ３の操作画面上で、キーボード４やマウス５により、測定のための各種指示やデータを入力したり、入力結果や処理結果をディスプレイ４の画面に表示して編集でき、測定結果を画面表示で確認したり、プリンタ６に出力して印刷結果により確認できる。また、この測定結果は、その印刷結果の用紙として、あるいはデータとしてハードディスク７に記憶することにより、保存できる。
【００７０】
制御部２０は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２２０、キャラクタジェネレータＲＯＭ（ＣＧ−ＲＯＭ）２３０、ＲＡＭ２４０、光学系コントローラ（ＯＰＣ）２５０、Ｉ／Ｏコントローラ（ＩＯＣ）２６０、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２７０を備え、互いに内部バス２８０により接続されている。また、この制御部２０には、電源部２９０が搭載されている。
【００７１】
この電源部２９０は、電源ユニット２９１の他、外部から着脱可能なニッカド、アルカリ等の乾電池、蓄電池などから成るバッテリ２９２と、ＡＣアダプタ接続口２９３とを備え、電源ユニット２９１は、これらに接続されて電力の供給を受け、昇圧・降圧や安定化の処理を行った後、表面形状測定装置１の各部に電力を供給する。
【００７２】
ＲＯＭ２２０は、ＣＰＵ２１０で処理する制御プログラムを記憶する制御プログラム領域２２１の他、各種の制御データを記憶する制御データ領域２２２を有している。ＣＧ−ＲＯＭ２３０は、表面形状測定装置１の入力・編集のために用意されている文字、記号、図形等のフォントデータを記憶していて、文字等を特定するコードデータが与えられたときに、対応するフォントデータを出力する。
【００７３】
ＲＡＭ２４０は、各種レジスタ群２４１の他、測定部（変位計）５０から入力される変位データを記憶する変位データ領域２４２、補正に使用する補正データを記憶する補正データ領域２４３、補正処理その他の処理結果のデータを記憶する処理結果データ領域２４４、各種バッファ領域２４５などの領域を有している。このＲＡＭ２４０は、キーボード４の図外の電源キーの操作により電源がオフにされても、記憶したデータを保持しておくようにバックアップされていて、各種制御処理のための作業領域として使用される。
【００７４】
ＩＯＣ２６０には、ＣＰＵ２１０の機能を補うとともに周辺回路等とのインタフェース信号を取り扱うための回路が、ゲートアレイやカスタムＬＳＩなどにより構成されて組み込まれている。例えば種々の計時を行うタイマなどもＩＯＣ２６０内の機能として組み込まれている。このため、ＩＯＣ２６０は、ディスプレイ３、キーボード４、マウス５、プリンタ６等と接続され、キーボード４やマウス５からの各種指示や入力データなどをそのままあるいは加工して内部バス２８０に取り込むとともに、ＣＰＵ２１０と連動して、ＣＰＵ２１０等から内部バス２８０に出力されたデータや制御信号を、そのままあるいは加工してディスプレイ３やプリンタ６に出力するなど、これらの周辺回路や周辺機器との間の各種制御信号および各種データの入出力を制御する。
【００７５】
ＨＤＤ２４は、ＣＰＵ２１０からの指令に従い、ハードディスク７を制御・駆動して、ハードディスク７との間の各種制御信号および各種データの入出力を制御する。
【００７６】
ＯＰＣ２５０には、ＣＰＵ２１の機能を補うとともに、測定部５０の各部とのインタフェース信号を取り扱うための回路が組み込まれ、測定部５０の各部を制御し、また、それらとの間の入出力を制御する。このため、ＯＰＣ２５０は、論理回路セルの他にアナログ回路等を混在するディジタル／アナログ混在セルアレイＬＳＩや、複数のベアチップを搭載したフリップチップ方式等によるチップサイズのマルチチップモジュールなどにより構成され、測定部５０の各部と接続されて、ＣＰＵ２１０と連動してまたはその機能を補うことにより、それらを制御し、また、それらとの間の入出力を制御する。
【００７７】
そして、ＣＰＵ２１０は、上記の構成により、ＲＯＭ２２０内の制御プログラムに従い、制御データを参照して、ＣＧ−ＲＯＭ２３０からのフォントデータやＲＡＭ２４０内の各種データ等を処理し、ＩＯＣ２６０を介して周辺回路等と各種指示や各種データの授受を行うとともに、ＯＰＣ２５０を介して測定部５０の各部を制御することにより、測定対象物（ターゲットサンプル：以下単に「ターゲット」）ＴＳの表面形状を求めるなど、表面形状測定装置１全体を制御する。
【００７８】
なお、制御部２０は、測定部５０とのインタフェース（ＯＰＣ２５０等）の構成を工夫すること（例えば標準仕様の拡張ボードへ搭載するなど）により、測定部５０以外を、パソコンやワークステーション等と同様の構成にすることができるので、表面形状測定装置１用の専用（制御）機である必要はなく、他のシステムで利用しているパソコン等と兼用しても良い。また、逆に表面形状測定装置１用に特化したプロセッサ（ＭＰＵ）等として用意しても良い。
【００７９】
そこで、本実施形態では、図１に示す制御部２０は、他のシステムと兼用する制御部とし、その一部の機能を表面形状測定装置１の制御部ＣＮの機能として兼用するものとする。このため、図２以降では、制御部ＣＮを仮想線で示し、全体を表面形状測定装置１として、以下、表面形状測定装置１の測定部５０について、詳細に説明する。
【００８０】
ところで、表面形状測定装置１は、焦点誤差検出方法を用いた非接触の変位計を測定部５０として応用したものであり、特にナイフエッジ法を用いた変位計の応用なので、ここでは、まず、基本となるナイフエッジ法による変位計５００を測定部として適用した表面形状測定装置１００の構成とその原理並びに本実施形態において解決すべき課題について説明しておく。
【００８１】
図２および図３に示すように、この表面形状測定装置１００の測定部（変位計）５００は、レーザビーム光源（以下単に「光源」）ＬＤと、発光された照射光をターゲットＴＳの測定面に照射してその反射光を得る光学系（第１光学系）Ｓ１と、その反射光を２分割受光して受光量の差の検出信号（焦点誤差信号）をターゲットＴＳの測定面変位（表面形状測定結果）として検出する光学系（第２光学系）Ｓ２と、を備えている。
【００８２】
ここで、光源ＬＤは、照射光（発光ビーム、照射ビーム：レーザビーム）を発光するレーザダイオード等から成り、制御部ＣＮにより発光量（照射光量）等が制御される。
【００８３】
また、第１光学系Ｓ１は、光源ＬＤからの発光ビームを平行光（平行ビーム：波長λ＝６７０ｎｍ、ビーム径８ｍｍ）にするためのコリメータレンズＬ１と、その平行光を通過させる一方でターゲットＴＳからの反射光を集光レンズＬ３側に曲げる偏光ビームスプリッタ（以下単に「ビームスプリッタ」）ＢＳ１と、ターゲットＴＳからの反射光を光源ＬＤに戻さないための１／４波長板Ｐｈ（図２等では図示省略）と、変位感度の低下を防ぐための円形マスク（中心光除去手段）ＭＫ（同様に図示省略）と、ターゲットＴＳに焦点を合わせるための対物レンズＬ２（焦点距離ｆ＝６．５ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．６１５）と、ビームスプリッタＢＳ１によって曲げられた光を第２光学系Ｓ１側へ集光する集光レンズＬ３（ｆ＝２００ｍｍ）と、を備えている。
【００８４】
なお、ここでは、円形マスクＭＫは、ビームスプリッタＢＳ１と対物レンズＬ２との光路間に配置されているが、これに限らず、ビームスプリッタＢＳ１と集光レンズＬ３間など、ターゲットＴＳからの反射光が得られる位置において配置されても良い。これらの場合、円形マスクＭＫを平行光が得られる位置に配置するので、照射ビームの口径が変化しないため、測定が容易になる。
【００８５】
また、ここで、円形マスクＭＫは、図４に示すように、照射ビームのビーム径８ｍｍに対応して、直径８ｍｍの円形ガラス板ＭＫ１の中心部に直径５ｍｍ程度の円形の黒色フィルムＭＫ２を貼着したものであり、この黒色フィルムＭＫ２により反射光の中心部の光を取り除くことができる。これは、回折によって反射光中心部に反射光強度むら（ランダムな光の干渉により生じるスペックルパターンによるノイズ：スペックルノイズ）が集中する場合の感度減少を抑えるためである。
【００８６】
また、第２光学系Ｓ２は、図２および図３に示すように、集光レンズＬ３からの光（反射光）を２分割受光するための２分割フォトダイオード等から成る２分割ディテクタ２ＰＤ０と、予め定められた焦点位置（基準焦点位置）に設けられたナイフエッジ（光遮断手段、光切断手段）ＮＦ０と、を備えている。
【００８７】
２分割ディテクタ２ＰＤ０は、上述の制御部ＣＮに接続され、例えば図５（ａ）に示すように、２分割の各フォトダイオードによる受光量に比例した出力（Ａ、Ｂ）は、ドライバ（アンプ等）Ｄｒを介して制御部ＣＮ内のＯＰＣ２５０内の制御回路（演算回路）ＣＮ０に入力され、演算増幅器（オペアンプ）Ａ０１により受光量の差Ａ０１ｓ（＝Ａ−Ｂ）、オペアンプＡ０２により受光量の和Ａ０２ｓ（＝Ａ＋Ｂ）、演算回路（除算回路）Ｅ０３によりそれらの比（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が求められ、その比をターゲットＴＳの測定面変位に応じた変位信号（焦点誤差信号）Ｆｅｓ０（＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））として検出する。
【００８８】
この場合、上述のように、受光量の差をそれらの和に対する比で示すことにより、照射光（レーザ光）の光量やターゲットＴＳ毎の表面反射率の違いによる変動を補正できる。なお、上述のドライバ（アンプ等）Ｄｒの代わりにＡＤコンバータを介して、出力（Ａ、Ｂ）をディジタルデータとして制御部ＣＮに入力し、プログラム等（ソフトウェア）による演算処理を行うことによって、上述の制御回路（演算回路）ＣＮ０を省略してその代用としても良い。
【００８９】
ここで、図２および図３の第１光学系Ｓ１のうちの集光レンズＬ３を除く光学系、すなわち、ビームスプリッタＢＳ１の出力までの光学系を、図６（ｄ）に示し、この出力光に対して、代表的な焦点誤差検出方法を用いた検出側の光学系を示すと、同図（ａ）〜（ｃ）に示すようになる。なお、非点収差法や臨界角法の応用例については、ナイフエッジ法による実施形態の説明の後に、触れるものとし、下記では原理的な説明のみとする。
【００９０】
すなわち、同図（ａ）は、非点収差法によるものであり、縦断面と横断面との異なる焦点距離により光学系に非点収差を持たせるシリンドリカルレンズＣＬを介して、４分割ディテクタ（４分割フォトダイオード等）４ＰＤにより反射光を受光する。この場合、ターゲットＴＳの測定面が基準位置のとき（変位０のとき）の観測点（４ＰＤの位置）の結像を円形にしておくと、測定面が近づいたときには（−Δ側）、集光点（焦点、結像点）は後方にずれて（点線で図示）、非点収差によりシリンドリカルレンズＣＬの長手方向に長い像となり（図示の例では横長の像となり）、逆に遠ざかったときには（＋Δ側）、集光点は前方にずれて（２点鎖線で図示）、縦長の像となるので、このことを利用して、検出信号（焦点誤差信号）Ｅａを検出でき、それに基づいて測定面変位を表面形状として測定できる。
【００９１】
また、同図（ｃ）は、臨界角法によるものであり、臨界角プリズムＣＰを介して、２分割ディテクタ（２分割フォトダイオード等）２ＰＤにより反射光を受光する。この場合、ターゲットＴＳの測定面の基準位置を対物レンズＬ２の焦点位置とし、測定面がその基準位置のとき（変位０のとき）に、平行光が臨界角プリズムに入射して全反射する（臨界角となる）ようにしておくと、測定面が近づいたとき（−Δ側）または逆に遠ざかったとき（＋Δ側）には、上半分または下半分が全反射の条件を満足しなくなり、受光量が減少するので、このことを利用して、検出信号（焦点誤差信号）Ｅｃを検出でき、それに基づいて測定面変位を表面形状として測定できる。
【００９２】
そして、本実施形態は、同図（ｂ）のナイフエッジ法によるものであり、図２および図３に示すナイフエッジＮＦ０は、基準焦点位置に設けられ、ターゲットＴＳの測定面の変位により反射光の焦点位置がずれたときに、２分割ディテクタ２ＰＤ０で受光して検出する（ｎ＝）２個の分割光のいずれか１個の少なくとも一部を遮断する。
【００９３】
すなわち、図６（ｂ）に示すように（図５（ｂ）（ｃ）も参照）、ナイフエッジ法の場合、ターゲットＴＳの測定面が基準位置のとき（変位０のとき）の焦点位置（基準焦点位置）にナイフエッジＮＦＥ（図２〜図３ではナイフエッジＮＦ０）を設けておくと、測定面が近づいたときには（−Δ側）、集点（焦光点、結像点）は後方にずれるので（点線で図示）、ナイフエッジＮＦＥによってＢ側のフォトダイオードで受光すべき反射光の一部（または全部）が遮られ、検出信号Ｅｋ（図５（ａ）のＦｅｓ０）は正となる。
【００９４】
一方、測定面が遠ざかったときには（＋Δ側）、集点は前方にずれるので（２点鎖線で図示）、ナイフエッジＮＦＥによってＡ側のフォトダイオードで受光すべき反射光の一部（または全部）が遮られ、検出信号Ｅｋは負となる。したがって、検出信号Ｅｋ（＝焦点誤差信号Ｆｅｓ０）を検出し、それに基づいてターゲットＴＳの測定面変位を表面形状として測定できる。
【００９５】
ところで、ここで、図２に示すように、互いに直交する平面内に角度θｘ（水平面内）および角度θｙ（垂直面内）を考える。図７に示すように、ターゲットＴＳの測定面が傾斜すると、反射光の光軸が例えば同図（ｂ）に図示の矢印のように傾くので、反射光（反射ビーム）のビーム変形が生じる。なお、測定面が例えば球面等の場合には、ターゲットＴＳが傾斜しなくても、傾斜した場合と同様のビーム変形が測定点の違いによって生じるが、以下では測定面傾斜に含めて同様に扱うものとする。
【００９６】
ここで、図２の２分割ディテクタ２ＰＤ０の反射光を受光したときの結像のイメージ（受光イメージ）は、その傾斜方向によって、大まかには図８に示すように、３通りに分類できる。すなわち、▲１▼図２で図示の角度θｘの方向（θｘ方向）には傾かず、角度θｙの方向（θｙ方向）にのみ（例えば角度αだけ）傾いた場合（θｘ＝０、θｙ＝αの場合）、▲２▼θｘ方向とθｙ方向の双方にそれぞれ（例えば角度αだけ）傾いた場合（θｘ＝θｙ＝αの場合）、▲３▼θｙ方向には傾かず、θｘ方向にのみ（例えば角度αだけ）傾いた場合（θｘ＝α、θｙ＝０の場合）、の３通りに分類できる。なお、▲２▼と反対側の斜め方向なども含めて図９に示すように分類して考えても良い。
【００９７】
まず、基本的に、上述の図８の▲１▼〜▲３▼のいずれの場合であっても、ターゲットＴＳの測定面の測定点が基準位置にあり、測定点変位が０であれば、焦点誤差はないので、ナイフエッジＮＦ０による光遮断はなく、受光量差に基づく焦点誤差信号Ｆｅｓ０＝０となるべきである。すなわち焦点誤差（測定点変位）が検出されるべきではない。
【００９８】
この点、図８（ａ）に示すように、▲１▼（θｘ＝０、θｙ＝α）の場合、ターゲットＴＳの測定面が傾斜しても、測定点が基準位置（変位が０）であれば、２分割ディテクタ２ＰＤ０の２分割受光の受光量差（に基づく出力Ａと出力Ｂの差：図５（ａ）参照）はないので、誤差は生じない。
【００９９】
しかしながら、▲３▼（θｘ＝α、θｙ＝０）の場合、測定点が基準位置（測定点変位が０）であっても、ターゲットＴＳの測定面が傾斜した分だけ、２分割ディテクタ２ＰＤ０の２分割受光の受光量差となり、あたかも測定点変位が存在するかのように、焦点誤差信号Ｆｅｓ０が検出される。例えば図８（ａ）▲１▼に図示の場合、Ａ＞Ｂなので、測定点が近づいた（−Δ側）ように検出される。
【０１００】
また、▲２▼（θｘ＝θｙ＝α）の場合、上記▲３▼の場合ほどではないものの、同様に測定面傾斜による受光量差が生じ、測定点変位が存在するかのように、焦点誤差信号Ｆｅｓ０が検出される。
【０１０１】
そこで、本実施形態の表面形状測定装置１では、原理的に図８（ｂ）に示すように、ターゲットＴＳの測定面の傾斜方向に合わせて、測定点が基準位置（変位が０）にあるときの受光量差が小さく（理想的には０に）なるように、２分割ディテクタ２ＰＤ０の２分割受光の分割方向を調整する。
【０１０２】
すなわち、▲１▼（θｘ＝０、θｙ＝α）の場合と同様の関係の受光量差となるように、▲２▼（θｘ＝θｙ＝α）の場合には斜め方向、▲３▼（θｘ＝α、θｙ＝０）の場合には横（水平）方向に２分割した２分割受光ができるようにして、測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できるように、分割方向を調整する。
【０１０３】
まず、図１０および図１１に示すように、表面形状測定装置１の測定部５０として適用可能な第１実施形態の変位計６０（制御部ＣＮと合わせて全体では表面形状測定装置１）は、図２で前述の光源ＬＤと、第１光学系Ｓ１と、を備え、前述の第２光学系Ｓ２の代わりに、第３光学系Ｓ３を備えている。
【０１０４】
この第３光学系Ｓ３は、電荷結合素子（ＣＣＤ）等による固体撮像素子（イメージセンサ）から成る傾斜検出回路（傾斜ディテクタ、傾斜センサ）Ｎ−ＣＣＤと、第１光学系Ｓ１の集光レンズＬ３からの反射光を傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤに分岐させるビームスプリッタＢＳ２と、同様にＣＣＤ等のイメージセンサから成りビームスプリッタＢＳ２を直進通過させた反射光を受光する反射光受光回路（反射光ディテクタ、反射光センサ）Ｓ−ＣＣＤと、液晶（液晶フィルタ、液晶シャッタ）等から成り光遮断方向（光遮断領域）を任意に制御できるナイフエッジＬ−ＮＦＥと、を備えている。
【０１０５】
ここで、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤは、制御部ＣＮに接続され、ビームスプリッタＢＳ２によって分岐された反射光を受光（撮像）し、受光結果の画像イメージをＡＤコンバータを介して制御部ＣＮに入力する。制御部ＣＮでは、入力された画像イメージから変形された受光ビームの重心を求めるなどの演算を行うことにより、ターゲットＴＳの傾斜方向（法線ベクトル等）を検出（算出）し、その結果に基づいて、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤによる２分割受光の分割方向を決定する。
【０１０６】
この場合、受光された反射光（上記の受光ビーム）の重心は、受光面上の光軸位置にも相当するが、これらを検出重心として検出し、その一方で、予め測定面傾斜がないときの基準重心を受光面の中心に合わせておけば、検出重心の基準重心からのズレの方向によって、傾斜方向を決定できる。すなわち、画像処理や演算等により検出重心のズレを検出または算出することにより、傾斜方向を決定できる。
【０１０７】
また、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤは、同様に制御部ＣＮに接続され、ビームスプリッタＢＳ２を直進通過した反射光を撮像し、その（反射光画像の）画像イメージを制御部ＣＮに入力する。制御部ＣＮでは、検出された傾斜方向に基づいて決定された２分割受光の分割方向に従って、撮像された画像イメージを２分割し、２分割受光の受光量差を検出（算出）する。
【０１０８】
ナイフエッジＬ−ＮＦＥは、同様に制御部ＣＮに接続され、ターゲットＴＳの測定点が基準位置（測定面変位＝０）のときのビームスプリッタＢＳ２を直進通過した反射光の焦点位置（基準焦点位置）に設けられ、制御部ＣＮからの指示により、２分割受光の分割方向に従った光遮断を行う。
【０１０９】
なお、図１０は、傾斜方向が図８で前述の▲２▼（θｘ＝θｙ＝α）の場合のイメージで、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤやナイフエッジＬ−ＮＦＥを図示したものであり、▲１▼（θｘ＝０、θｙ＝α）の場合は図１２に示すように、▲３▼（θｘ＝α、θｙ＝０）の場合は図１３に示すようになる。すなわち、これらのいずれの場合も、測定点変位が無いときの受光量差が小さく（最小値と）なるように、分割方向を決定して２分割受光ができる。
【０１１０】
上述のように、第１実施形態の変位計６０（全体では表面形状測定装置１）では、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤにより任意の傾斜方向を検出でき、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤやナイフエッジＬ−ＮＦＥはそれに対応できる構成となっているので、検出された傾斜方向に基づいて、適切な２分割受光ができる。すなわち、測定点の変位がないときの２分割受光の受光量差が小さく（理想的には０に）なるように調整できるので、ターゲットＴＳの測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【０１１１】
なお、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤの代わりに、４分割受光するための４分割フォトダイオード等から成る４分割ディテクタ４ＰＤを利用して、傾斜方向をラフに（４方向に絞って）検出し、それに対応する分割方向（２分割受光方向）とすることもできる（図９の▲１▼〜▲４▼等参照）。もちろん、８分割や１６分割などさらに分割数を増やして傾斜方向をさらに詳細に絞ることもできるし、傾斜方向は詳細に検出した上で、反射光受光の分割方向をより少ない数（例えば図９の４方向）に絞ることもできる。
【０１１２】
また、光遮断方向（光遮断領域）を任意に制御可能なナイフエッジＬ−ＮＦＥの代わりに、図２および図３で前述のナイフエッジＮＦ０と同様のナイフエッジを、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤの受光面と平行な仮想面内において、検出された傾斜方向に基づいて、最適な分割受光方向に合うように、回転機構により回転させてもよい。また、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤも前述の２分割ディテクタ２ＰＤ０等と同様のものに代え、その２分割ディテクタとナイフエッジとをセットで、測定面傾斜がないときの反射光の光軸を中心に、傾斜方向に対する最適な分割受光方向に合わせて回転させても良い。
【０１１３】
また、上述の２分割ディテクタ２ＰＤ０とナイフエッジＮＦ０とのセット（組合せ）と同様のセットを、２分割受光方向（分割方向）が相互に異なるように複数セット使用し、検出された傾斜方向に基づいて、最も適切な分割方向のセットの受光結果を選択することもできる。
【０１１４】
例えば図１４および図１５に示すように、表面形状測定装置１の測定部５０として適用可能な第２実施形態の変位計７０（制御部ＣＮと合わせて全体で表面形状測定装置１）は、図１０〜図１３で上述の変位計６０の第３光学系Ｓ３の代わりに、第４光学系Ｓ４を備えている。
【０１１５】
この第４光学系Ｓ４は、第３光学系Ｓ３の反射光ディテクタＳ−ＣＣＤやナイフエッジＬ−ＮＦＥの代わりに、水平方向に２分割された２分割ディテクタ２ＰＤ１と、それに対応して水平方向の光遮断を行うナイフエッジＮＦ１と、垂直方向の２分割ディテクタ２ＰＤ２と、それに対応する垂直方向のナイフエッジＮＦ２と、２組の２分割ディテクタ２ＰＤ１、２ＰＤ２に反射光を分岐させるビームスプリッタＢＳ３と、を備えている。
【０１１６】
この場合、第１実施形態の変位計６０と同様に、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤにより任意の傾斜方向を検出できるので、図８で前述の▲１▼（θｘ＝０、θｙ＝α）に近ければ、垂直分割の２分割ディテクタ２ＰＤ２の受光結果を、▲３▼（θｘ＝α、θｙ＝０）に近ければ、水平分割の２分割ディテクタ２ＰＤ１の受光結果を選択すれば良い。
【０１１７】
より具体的に、図１４の制御部ＣＮ内（の例えばＯＰＣ２５０内）に制御回路（演算回路）ＣＮ１を設けるとすると、例えば図１６に示すように、水平分割の２分割ディテクタ２ＰＤ１からの受光量に比例した出力（ＡＢ）および（ＣＤ）を、図５（ａ）で前述の制御回路ＣＮ０と同様の演算回路ＣＮ１１に入力して、水平分割側の検出信号ＨＦｅｓ（＝（ＡＢ−ＣＤ）／（ＡＢ＋ＣＤ））を求め、垂直分割の２分割ディテクタ２ＰＤ２の出力（ＡＣ）および（ＢＤ）も、同様の演算回路ＣＮ１２に入力して、垂直分割側の検出信号ＶＦｅｓ（＝（ＡＣ−ＢＤ）／（ＡＣ＋ＢＤ））を求める。
【０１１８】
ここで、制御部ＣＮの傾斜方向検出処理部ＣＮ１４にて、前述の第１実施形態の変位計６０と同様に、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤを介して傾斜方向を検出し、検出した傾斜方向に基づく選択信号（判別信号）Ｊｕｄｇｅに従って、制御回路（選択回路）ＣＮ１３において選択し、焦点誤差信号Ｆｅｓ１（＝ＨＦｅｓまたはＶＦｅｓ）として出力する。
【０１１９】
上述のように、第２実施形態の変位計７０（全体では表面形状測定装置１）では、検出された傾斜方向に基づいて、各分割方向の検出信号（受光結果）を選択するだけで、適切な２分割受光ができ、測定点の変位がないときの２分割受光の受光量差が小さく（理想的には０に）なるように調整できるので、ターゲットＴＳの測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。
【０１２０】
なお、この場合の演算回路ＣＮ１１、ＣＮ１２、選択回路ＣＮ１３をも含めて、制御部ＣＮ全体をプログラム等（ソフトウェア）によって行うこともできるし、傾斜方向検出処理部ＣＮ１４をも含めて全体を回路化（ハードウェア化、ＩＣ化）しても良い。また、上述の変位計７０では、２分割ディテクタとナイフエッジとのセットを２組とし、分割方向を水平と垂直の２方向に絞ったが、さらに多くのセットを用いて、各種の分割方向およびそれらによる受光結果を選択できるようにしても良い。
【０１２１】
ところで、実際のターゲットＴＳの測定面からの反射光は反射光強度むら（スペックルノイズ）を含んでいる。そこで、次に、スペックルノイズの影響を除去可能な実施形態の表面形状測定装置１について説明する。
【０１２２】
図１７〜図２０に示すように、表面形状測定装置１の測定部５０として適用可能な第３実施形態の変位計８０（制御部ＣＮと合わせて全体で表面形状測定装置１）は、図１０〜図１３で前述の変位計６０の第３光学系Ｓ３の代わりに、第５光学系Ｓ５を備えている。
【０１２３】
図１７〜図２０は、それぞれ図１０〜図１３に対応する図であり、第５光学系Ｓ５は、第３光学系Ｓ３のビームスプリッタＢＳ２とナイフエッジＬ−ＮＦＥとの間に配置（挿入）され、ナイフエッジＬ−ＮＦＥへの反射光を分岐させるビームスプリッタＢＳ３と、分岐された反射光をそのまま参照光として受光する参照光受光回路（参照光ディテクタ、参照光センサ）Ｒ−ＣＣＤと、をさらに備えている。
【０１２４】
参照光ディテクタＲ−ＣＣＤは、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤ等と同様に、ＣＣＤ等のイメージセンサから成り、同様に制御部ＣＮに接続され、ビームスプリッタＢＳ３によって分岐された反射光を受光（撮像）し、受光結果の画像イメージをＡＤコンバータを介して制御部ＣＮに入力する。
【０１２５】
制御部ＣＮでは、参照光ディテクタＲ−ＣＣＤからの入力画像イメージに基づいてスペックルノイズのみを検出したり、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤからの入力画像イメージから参照光分やスペックルノイズ分を差し引くなど、受光した参照光に基づく演算を行うことにより、スペックルノイズの影響分やその他の相殺可能分を取り除くことができる。
【０１２６】
上述のように、第３実施形態の変位計８０では、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤにより任意の傾斜方向を検出でき、反射光ディテクタＳ−ＣＣＤやナイフエッジＬ−ＮＦＥにより、検出された傾斜方向に基づいて、適切な２分割受光ができ、測定点の変位がないときの２分割受光の受光量差が小さくなるように調整でき、ターゲットＴＳの測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できるとともに、参照光ディテクタＲ−ＣＣＤにより参照光を検出し、その参照光に基づいて、スペックルノイズの影響分を除くなどの焦点誤差信号の補正ができ、より正確な表面形状測定ができる。
【０１２７】
なお、傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤに参照光ディテクタＲ−ＣＣＤの役割を兼用させることにより、参照光ディテクタＲ−ＣＣＤおよびビームスプリッタＢＳ３を省略して、図１０〜図１３で前述の変位計６０と同一構成にすることもできる。逆に言えば、前述の変位計６０の構成においても、制御部ＣＮにおける処理を付加するだけで、スペックルノイズの影響などの相殺可能分を除けるようにすることもできる。
【０１２８】
次に、表面形状測定装置１の測定部５０として適用可能な第４実施形態の変位計５０は、図１の測定部５０として図示したものであり、制御部ＣＮ（２０）と合わせて全体では表面形状測定装置１を構成する。この変位計５０（１）は、図２１および図２２に示すように、図１４および図１５で前述の変位計７０の第４光学系Ｓ３の代わりに、第６光学系Ｓ６を備えている。
【０１２９】
そして、この第６光学系Ｓ６は、第４光学系の傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤの代わりに、４分割ディテクタ４ＰＤを利用したものであり、この４分割ディテクタ４ＰＤは、同様に制御部ＣＮに接続されている。
【０１３０】
この場合、図２１の制御部ＣＮ（の例えばＯＰＣ２５０内）に制御回路（演算回路）ＣＮ２を設けるとすると、例えば図２３に示すように、図１６で前述の制御回路ＣＮ１の演算回路ＣＮ１１、ＣＮ１２と同様の演算回路ＣＮ２１、ＣＮ２２により、水平分割側、垂直分割側それぞれの検出信号ＨＦｅｓ（＝（ＡＢ−ＣＤ）／（ＡＢ＋ＣＤ））、検出信号ＶＦｅｓ（＝（ＡＣ−ＢＤ）／（ＡＣ＋ＢＤ））を求める。また、図１６の選択回路ＣＮ１３と同様の選択回路ＣＮ２３では、判別信号Ｊｕｄｇｅに従って、焦点誤差信号Ｆｅｓ１（＝ＨＦｅｓまたはＶＦｅｓ）として出力する。
【０１３１】
一方、制御回路ＣＮ２４は、図１６の傾斜方向検出処理部ＣＮ１４に対応する回路であり、水平方向の傾斜の検出信号（水平傾斜検出信号、θｙ検出信号）ＨＲおよび垂直方向の傾斜の検出信号（垂直傾斜検出信号、θｘ検出信号）ＶＲを検出（演算）するための検出回路（演算回路）ＣＮ２５と、水平傾斜検出信号ＨＲおよび垂直傾斜検出信号ＶＲから選択信号（判別信号）Ｊｕｄｇｅを生成する判別回路ＣＮ２６と、を備えている。
【０１３２】
演算回路ＣＮ２５では、図示のように、オペアンプＡ２５１、Ａ２５２、Ａ２５３、Ａ２５４により、４分割の各フォトダイオードによる受光量に比例した出力（Ａ）〜（Ｄ）に対して、それぞれ各２の受光量の和（Ａ＋Ｂ）、（Ｂ＋Ｄ）、（Ｃ＋Ｄ）、（Ａ＋Ｃ）を求め、オペアンプＡ２５６、Ａ２５７により、それぞれ水平分割側、垂直分割側の２分割受光量差（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））、（（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ））を求め、オペアンプＡ２５５、Ａ２５８（これらはいずれか一方で兼用しても良い）により、４分割受光の総受光量（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を求め、演算回路（除算回路）Ｅ２５９Ｈ、Ｅ２５９Ｖにより、それらの比を、それぞれ水平傾斜検出信号ＨＲ＝（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）、垂直傾斜検出信号ＶＲ＝（（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）として求める。
【０１３３】
ここで、水平傾斜検出信号（θｙ検出信号）ＨＲは、水平分割側の２分割受光量差を全体に対する比で示したものであり、垂直傾斜検出信号（θｘ検出信号）ＶＲは、垂直分割側の２分割受光量差を全体に対する比で示したものである。
【０１３４】
このため、判別回路ＣＮ２６では、θｙ検出信号ＨＲの絶対値がθｘ検出信号ＶＲの絶対値より大きければ（｜ＨＲ｜＞｜ＶＲ｜であれば）、垂直方向より水平方向の傾きが大きい（｜θｙ｜＞｜θｘ｜）ので、すなわち図８で前述の▲１▼（θｘ＝０、θｙ＝α）の状態に近いので、垂直分割側の検出信号ＶＦｅｓを選択する判別信号Ｊｕｄｇｅを生成する。また、逆に｜ＨＲ｜＜｜ＶＲ｜であれば、｜θｙ｜＜｜θｘ｜から、▲３▼（θｘ＝α、θｙ＝０）の状態に近いので、水平分割側の検出信号ＨＦｅｓを選択する判別信号Ｊｕｄｇｅを生成する。この結果、選択回路ＣＮ２３では、判別信号Ｊｕｄｇｅに従って、焦点誤差信号Ｆｅｓ１（＝ＨＦｅｓまたはＶＦｅｓ）として出力する。
【０１３５】
なお、図１０等で前述の変位計６０の傾斜ディテクタＮ−ＣＣＤに参照光ディテクタＲ−ＣＣＤの役割を兼用させ、制御部ＣＮにおける処理を付加するだけで、スペックルノイズの影響を除けたのと同様に、上述の４分割ディテクタ４ＰＤを利用し、かつ制御部ＣＮを工夫することで、スペックルノイズの影響などの相殺可能分を取り除くことができる。
【０１３６】
すなわち、図２３で上述の制御回路ＣＮ２において、水平傾斜検出信号ＨＲは、測定点変位がない場合の水平分割側の検出信号ＨＦｅｓと同じ値を示し、垂直傾斜検出信号ＶＲは、測定点変位がない場合の垂直分割側の検出信号ＶＦｅｓと同じ値を示すので、差分を求めることにより、水平傾斜検出信号ＨＲや垂直傾斜検出信号ＶＲによってスペックルノイズ分などを相殺できる。
【０１３７】
例えば図２１の制御部ＣＮに制御回路（演算回路）ＣＮ３を設けるものとし、図２４に示すように、この演算回路ＣＮ３は、図２３で上述の演算回路ＣＮ２に、演算回路ＣＮ２７を付加したものとする。
【０１３８】
この演算回路ＣＮ２７では、演算回路ＣＮ２５からの出力である水平傾斜検出信号ＨＲを、演算回路ＣＮ２１からの検出信号ＨＦｅｓの参照信号とし、同じく垂直傾斜検出信号ＶＲを、演算回路ＣＮ２２からの検出信号ＶＦｅｓの参照信号として、オペアンプＡＡ２７１、Ａ２７２により、それぞれ差分を求めれば、それぞれスペックルノイズ分が相殺された水平分割側の検出信号ＨＦｓ（＝ＨＦｅｓ−ＨＲ）、垂直分割側の検出信号ＶＦｓ（＝ＶＦｅｓ−ＶＲ）となるので、図２３の選択回路ＣＮ２３と同様の選択回路ＣＮ３３では、判別信号Ｊｕｄｇｅに従って、焦点誤差信号ＦＥｓ（＝ＨＥｓまたはＶＥｓ）として出力する。
【０１３９】
上述のように、第４実施形態の変位計５０（全体では表面形状測定装置１）では、検出された傾斜方向に基づいて、各分割方向の検出信号を選択するだけで、適切な２分割受光ができ、測定点の変位がないときの２分割受光の受光量差が小さく（理想的には０に）なるように調整できるので、ターゲットＴＳの測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる。また、参照光を検出できるので、その参照光に基づいて、スペックルノイズの影響分を除くなどの焦点誤差信号の補正ができ、より正確な表面形状測定ができる。
【０１４０】
なお、これらの場合も、制御回路ＣＮ２や制御回路ＣＮ３の全体または一部をプログラム等（ソフトウェア）によって行うこともできる。この方法によれば、熱によるドリフト等の問題が無くなると共にデータの保持が容易になる。また、各ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３の全部または一部に代えてハーフミラーを用いるようにしても良い。この方法によれば、表面形状測定装置１を安価で構成することができる。
【０１４１】
また、上述の変位計５０においても、２分割ディテクタとナイフエッジとのセットを２組とし、分割方向を水平と垂直の２方向に絞ったが、例えば図９に示すように斜め方向の２セットを追加して４方向の分割方向にするなど、さらに多くのセットを用いて、各種の分割方向およびそれらによる受光結果を選択できるようにしても良い。
【０１４２】
また、例えば第１実施形態（図１０〜図１３参照）や第３実施形態（図１７〜図２０参照）では、光遮断方向を任意に制御できるナイフエッジＬ−ＮＦＥと反射光ディテクタＳ−ＣＣＤとのセットを用いたが、２分割ディテクタとナイフエッジとのセットとして、回転駆動機構等により、そのセットを傾斜方向に合わせて回転させるようにしても良い。また、図示等の都合上、傾斜、反射光、参照光などの各検出回路その他の外形を矩形として図示したが、例えばビーム形状等に合わせて方向性のない円形にするなど、任意の形状で良い。
【０１４３】
なお、上述の各実施形態の変位計では、焦点誤差検出方法としてナイフエッジ法を適用したが、他の方法を適用した非接触の変位計を用いても良い。
【０１４４】
例えば図６（ａ）で前述の非点収差法を適用する場合、シリンドリカルレンズＣＬと４分割ディテクタ４ＰＤとのセットを用いて、測定面傾斜がないときの反射光の光軸を中心にそのセットを傾斜方向に適するように回転させるようにしても良いし、上述の第２実施形態（図１４〜図１６参照）や第４実施形態（図２１〜図２４参照）の変位計と同様に２セットまたは４セットなど（図９参照）、複数セット配置しておいて、傾斜方向に基づいて受光結果を選択できるように良い。また、４分割ディテクタ４ＰＤの代わりに、分割受光方向を任意に制御できる反射光ディテクタＳ−ＣＣＤを用い、シリンドリカルレンズＣＬのみ傾斜方向に合わせて回転させ、それに合わせて分割受光方向を制御（回転）させても良い。
【０１４５】
同様に、例えば図６（ｃ）で前述の臨界角法を適用する場合、臨界角プリズムＣＰと２分割ディテクタ２ＰＤとのセットを用いて、測定面傾斜がないときの反射光の光軸を中心にそのセットを傾斜方向に適するように回転させるようにしても良いし、複数セット配置しておいて、傾斜方向に基づいて受光結果を選択できるように良い。
【０１４６】
また、これらの非点収差法や臨界角法などの焦点誤差検出方法を適用する場合においても、さらに多くのセットを用いて、各種の分割方向およびそれらによる受光結果を選択できるようにしても良い。また、制御部ＣＮ全体をプログラム等（ソフトウェア）によって行うこともできるし、一部または全部を回路化（ハードウェア化、ＩＣ化）しても良い。
【０１４７】
また、上述の各実施形態では、光源ＬＤとして、レーザダイオードを利用したが、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を利用しても良く、同様に集束性が高く、かつ、レーザ光よりコヒーレント性（干渉性）が低い（弱い）照射光を得ることができる。もちろん、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【０１４８】
【発明の効果】
上述のように、本発明の表面形状測定装置および表面形状測定方法によれば、測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる、などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】従来からの変位計を測定部として適用した表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図３】図２に対応して表面形状測定装置のブロック構成を示す説明図である。
【図４】図２の第１光学系表に利用する円形マスクを示す説明図である。
【図５】図２の制御部ＣＮ内の演算回路の構成およびナイフエッジ法の原理を示す説明図である。
【図６】代表的な焦点誤差検出方法を用いた光学系を示す説明図である。
【図７】測定面傾斜に起因する測定誤差として傾斜誤差の原理を示す説明図である。
【図８】図７に続き、測定面傾斜に起因するビーム変形の例およびそれに適した分割受光の原理を示す説明図である。
【図９】４方向の２分割受光が可能な場合の水平方向傾斜（θｙ）検出信号ＨＲ、垂直方向傾斜（θｘ）検出信号ＶＲ、受光ビーム重心、受光ビーム形状イメージおよび最適分割受光方向の例を示す説明図である。
【図１０】第１実施形態の変位計を測定部として適用した表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１１】図１０に対応して表面形状測定装置のブロック構成を示す説明図である。
【図１２】測定面の傾斜方向が図１０と異なる例を示す、図１０と同様の説明図である。
【図１３】さらに別の傾斜方向の例を示す、図１０と同様の説明図である。
【図１４】第２実施形態の変位計を測定部として適用した表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１５】図１４に対応して表面形状測定装置のブロック構成を示す説明図である。
【図１６】図１４の制御部ＣＮ内の制御回路の回路構成例を示す説明図である。
【図１７】第３実施形態の変位計を測定部として適用した表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１８】図１７に対応して表面形状測定装置のブロック構成を示す説明図である。
【図１９】図１７と異なり図１２と同様の測定面の傾斜方向の例を示す、図１７と同様の説明図である。
【図２０】さらに別の、図１３と同様の測定面の傾斜方向の例を示す、図１７と同様の説明図である。
【図２１】第４実施形態の変位計を測定部として適用した表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２２】図２１に対応して表面形状測定装置のブロック構成を示す説明図である。
【図２３】図２１の制御部ＣＮ内の制御回路の回路構成例を示す説明図である。
【図２４】さらに別の例を示す、図２３と同様の説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　表面形状測定装置
２０、ＣＮ　……　制御部
５０　　　　測定部（変位計：変位検出手段）
６０、７０、８０　……　変位計（表面形状測定装置）
２ＰＤ１、２ＰＤ２　……　２分割ディテクタ
４ＰＤ　　　４分割ディテクタ
ＢＳ１〜ＢＳ３　……　ビームスプリッタ
ＣＮ１〜ＣＮ３　……　制御回路（演算回路）
Ｌ１〜Ｌ３　……　レンズ
ＬＤ　　　　光源
Ｌ−ＮＦＥ　ナイフエッジ
Ｍｋ　　　　円形マスク
Ｎ−ＣＣＤ　傾斜ディテクタ
Ｒ−ＣＣＤ　参照光ディテクタ
Ｓ−ＣＣＤ　反射光ディテクタ
Ｓ１〜Ｓ６　……　（第１〜第６）光学系
ＴＳ　　　　ターゲット
【図１】
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【図２】
2004037251.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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