(57)【要約】      （修正有）【課題】実際の使用環境下での被計測物の表面形状を高精度かつ低コストで計測可能な計測装置を提供する。【解決手段】光の干渉を用いて被計測物１２０の表面形状を計測する計測装置１であって、被計測物１２０の表面に光１１９を照射し、被計測物１２０の表面を非接触で走査するプローブ１０３と、プローブ１０３を介して被計測物１２０の表面からの光１２２を検出する検出部１１０と、被計測物１２０とプローブ１０３とを隔てる隔壁１１８を有し、被計測物１２０を収容する収容部１１８と、収容部１１８の内部の環境を制御する環境制御部１５０と、検出部１１０の検出結果と隔壁１１８に関する情報とを用いて被計測物１２０の表面形状を求める演算部１４１とを有する。【選択図】図１
2013160702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の干渉を用いて被計測物の表面形状を計測する計測装置であって、
前記被計測物の表面に光を照射し、前記被計測物の表面を非接触で走査するプローブと、
前記プローブを介して前記被計測物の表面からの光を検出する検出部と、
前記被計測物と前記プローブとを隔てる隔壁を有し、前記被計測物を収容する収容部と、
前記収容部の内部の環境を制御する環境制御部と、
前記検出部の検出結果と、前記隔壁に関する情報とを用いて、前記被計測物の表面形状を求める演算部と、を有することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記隔壁に関する情報は、前記被計測物と前記プローブとの間の前記隔壁に光が透過することにより生じる誤差であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記隔壁の形状または屈折率分布により生じる誤差を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記環境制御部は、前記収容部の内部の温度を制御する温度制御部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記環境制御部は、前記収容部の内部の気圧を制御する気圧制御部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記隔壁は、光を透過する部材からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記プローブは、ヘテロダイン干渉を用いたヘテロダイン干渉計プローブであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記ヘテロダイン干渉計プローブは、コーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉計プローブであ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】
光の干渉を用いて被計測物の表面形状を計測する計測方法であって、
原器を収容部に収容した状態および該原器を該収容部から取り出した状態の両方で該原器の表面形状を計測し、該原器の表面形状の計測結果に基づいて、前記被計測物の表面を非接触で走査するプローブと前記被計測物との間に配置された該収容部の隔壁に関する情報を求める隔壁情報取得工程と、
前記被計測物を前記収容部に収容した状態で該被計測物の表面形状を計測し、該被計測物の表面形状の計測結果に基づいて該被計測物に関する情報を求める被計測面情報取得工程と、
前記隔壁情報取得工程および前記被計測面情報取得工程で得られた結果に基づいて、前記被計測物の表面形状を求める面形状算出工程と、を有することを特徴とする計測方法。
【請求項１０】
前記計測方法は、前記収容部の内部の温度または気圧が制御された状態で行われることを特徴とする請求項９に記載の計測方法。
【請求項１１】
前記隔壁情報取得工程は、前記原器の表面形状を複数の異なる角度で計測した結果を用いることを特徴とする請求項９または１０に記載の計測方法。
【請求項１２】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の計測装置を用いて計測した被計測物の表面形状の計測結果に基づいて、前記被計測物を加工する被計測物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の表面形状を計測する計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、宇宙の成り立ちや太陽系外惑星の探査などの深宇宙探索を目的として、主鏡直径３０ｍ以上の地上望遠鏡の開発が進んでいる。直径３０ｍを超える主鏡を１枚のミラーとして製作することは困難であるため、通常、主鏡は分割されたセグメントミラーを組み合わせて構成される。セグメントミラーの表面形状は光学性能に大きな影響を及ぼすが、セグメントミラーを高精度に計測することは、計測装置が大型化して困難である。
【０００３】
そこで、光の干渉を用いた非接触のプローブを被計測物であるセグメントミラーに対して走査することで、セグメントミラーの表面形状を計測する。特許文献１には、光ビームを被計測面に沿って移動させ、位置検出素子を用いて被計測面の角度を計測する際に、被計測面の角度に応じた補正量を適用する方法が開示されている。また特許文献２には、非接触式プローブを用いて、基準ミラーと被計測面との距離をダブルパスレーザー干渉により被計測面の表面形状を計測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０１−２９５１０９号公報
【特許文献２】特開２００９−１４５０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、大型天体望遠鏡は例えば標高４０００ｍ以上の山頂付近に設置されることが多いため、実際の使用温度環境下でのミラーの計測が要求される場合がある。この場合、計測装置の部品やユニットの結露や凍結の防止および温調コスト低減のため、計測装置の全体を実際の使用温度に設定するのではなく、少なくとも被計測面の周辺を実際の使用温度に設定することが好ましい。このとき、所望の温度に制御されたチャンバ内に被計測物であるミラーを収容して被計測物の表面形状を計測する必要がある。また、宇宙空間などの真空下で使用するミラーなどの被計測物の表面形状を高精度に計測するには、真空状態に気圧制御されたチャンバ内に被計測物を収容して被計測物の表面形状を計測する必要がある。
【０００６】
しかしながら、被計測物をチャンバ内に収容するため、被計測面に光を直接照射して表面形状を計測することができない。そのため、被計測物の表面形状を高精度に計測することができない。
【０００７】
そこで本発明は、実際の使用環境下での被計測物の表面形状を高精度かつ低コストで計測可能な計測装置および計測方法を提供する。また、このような計測装置を用いて計測した被計測物の表面形状の計測結果に基づいて、被計測物を加工する被計測物の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての計測装置は、光の干渉を用いて被計測物の表面形状を計測する計測装置であって、前記被計測物の表面に光を照射し、前記被計測物の表面を非接触で走査するプローブと、前記プローブを介して前記被計測物の表面からの光を検出する検出部と、前記被計測物と前記プローブとを隔てる隔壁を有し、前記被計測物を収容する収容部と、前記収容部の内部の環境を制御する環境制御部と、前記検出部の検出結果と、前記隔壁に関する情報とを用いて、前記被計測物の表面形状を求める演算部とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての計測方法は、光の干渉を用いて被計測物の表面形状を計測する計測方法であって、原器を収容部に収容した状態および該原器を該収容部から取り出した状態の両方で該原器の表面形状を計測し、該原器の表面形状の計測結果に基づいて、前記被計測物の表面を非接触で走査するプローブと前記被計測物との間に配置された該収容部の隔壁に関する情報を求める隔壁情報取得工程と、前記被計測物を前記収容部に収容した状態で該被計測物の表面形状を計測し、該被計測物の表面形状の計測結果に基づいて該被計測物に関する情報を求める被計測面情報取得工程と、前記隔壁情報取得工程および前記被計測面情報取得工程で得られた結果に基づいて、前記被計測物の表面形状を求める面形状算出工程とを有する。
【００１０】
本発明の他の側面としての被計測物の製造方法は、前記計測装置を用いて計測した被計測物の表面形状の計測結果に基づいて、前記被計測物を加工する。
【００１１】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、実際の使用環境下での被計測物の表面形状を高精度かつ低コストで計測可能な計測装置および計測方法を提供することができる。また、このような計測装置を用いて計測した被計測物の表面形状の計測結果に基づいて、被計測物を加工する被計測物の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における計測装置の構成図である。
【図２】実施例１において、被検光であるビームと参照光であるビームとの重複領域を示す図である。
【図３】実施例１における計測方法を示すフローチャートである。
【図４】実施例１における原器計測時の計測装置の要部拡大図である。
【図５】実施例１における被計測面情報行列と、プローブと被計測面との距離の関係を示す図である。
【図６】実施例２における計測装置の構成図である。
【図７】実施例２における計測方法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】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。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。
【実施例１】
【００１５】
まず、図１乃至図５を参照して、本発明の実施例１における計測装置について説明する。図１は、本実施例における計測装置１（非接触式３次元計測装置）の構成図であり、コーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉方式における非球面計測の様子を示している。計測装置１は、光の干渉を用いて被計測物の表面形状を計測する計測装置である。被計測物の非球面のサグ量は、例えばミクロンオーダー以上である。
【００１６】
計測装置１は、ミラーなどの被計測ワーク１２０（被計測物）の表面形状を計測するため、被計測物の表面に光を照射しながら被計測ワーク１２０を非接触で走査するプローブ（干渉計プローブ）を備えている。また計測装置１は、種々の環境下に配置される被計測ワーク１２０の表面形状を正確に計測するため、被計測ワーク１２０を収容するチャンバ１１８（収容部）、および、チャンバ１１８の内部の環境を制御する環境制御部１５０を有する。被計測ワーク１２０が室温よりも低い温度（例えば２℃）の環境下（例えば山頂付近）で使用されることになる場合、被計測ワーク１２０の表面形状の計測を、その温度に制御した状態で行うことが好ましい。このような場合、環境制御部１５０として、チャンバ１１８の内部の温度を制御する温度制御部を設けることにより、実際の使用温度環境下での被計測ワーク１２０の表面形状をより正確に計測することが可能となる。また、被計測ワーク１２０が大気圧よりも低い気圧（例えば真空）の環境下（例えば宇宙）で使用されることになる場合、被計測ワーク１２０の表面形状の計測を、その気圧に制御した状態で行うことが好ましい。このような場合、環境制御部１５０として、チャンバ１１８の内部の気圧を制御する気圧制御部を設けることにより、実際の使用気圧下での被計測ワーク１２０の表面形状をより正確に計測することが可能となる。チャンバ１１８は、被計測ワーク１２０と後述するプローブステージ１０３（プローブ）とを隔てる隔壁１１８ａを有する。隔壁１１８ａは、少なくとも後述のビームが通過する部分についてガラスなどの光を透過する部材から構成されている。隔壁（環境制御用隔壁）を光路上に配置した場合、隔壁に光が透過することによる影響について考慮する必要がある。
【００１７】
レーザーヘッド１０１から射出されたビーム１０２は、Ｘ軸と略平行であり、プローブステージ１０３に配置された偏光ビームスプリッタ１０４に入射する。プローブステージ１０３は、図示しない駆動系を有し、後述するステージ制御部１４２により制御され、主にＸＹ平面内を移動する。また図１において、プローブステージ１０３の内部に設けられている各要素によりプローブが構成される。本実施例のプローブは、ヘテロダイン干渉を用いたヘテロダイン干渉計プローブである。また、ヘテロダイン干渉計プローブは、コーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉計プローブである。
【００１８】
レーザーヘッド１０１と偏光ビームスプリッタ１０４との間には、光ファイバーや複数の反射ミラーが設けられていてもよい。また、ビーム１０２は、互いに直交する２種類のＳ偏光とＰ偏光を有する。偏光ビームスプリッタ１０４は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。すなわち、偏光ビームスプリッタ１０４において、ビーム１０２のうちＳ偏光は反射されてＺ軸と略平行なビーム１０５となり、λ／４板１０６へ向かう。一方、ビーム１０２のうちＰ偏光は透過して、Ｘ軸と略平行なビーム１０７となり、コーナーキューブ１０８へ向かう。ビーム１０７は、コーナーキューブ１０８で入射方向と同じ方向に反射され、ビーム１０９となる。ビーム１０９の偏光状態はＰ偏光のままであるため、ビーム１０９は偏光ビームスプリッタ１０４を再び透過してビーム受光部１１０に入射する。ビーム１０９は、参照光として扱われる。
【００１９】
一方、ビーム１０５はλ／４板１０６を透過し、円偏光状態となったビーム１１１はＺ基準ミラー１１２で反射されてビーム１１３となる。ビーム１１３は、λ／４板１０６を再び透過し、Ｓ偏光と直交するＰ偏光であるビーム１１４となる。ビーム１１４はＰ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０４を透過してビーム１１５となる。ビーム１１５は、λ／４板１１６を透過し、円偏光状態となったビーム１１７はチャンバ１１８の隔壁１１８ａを透過してビーム１１９となる。図１において、簡略化のため、チャンバ１１８の隔壁１１８ａはＸＹ平面と平行に配置されているように描かれているが、実際には隔壁１１８ａは自身の自重のためにたわんでいる。このため、ビーム１１９は、Ｚ軸と略平行であるが、ＸＹ平面内においてビーム１１７とビーム１１９は互いにずれている。この詳細については後述する。
【００２０】
ビーム１１９は、チルトステージ４０４（チルト機構）に搭載された被計測ワーク１２０（被計測物）の被計測面１２１（表面）で反射され、ビーム１２２となる。被計測ワーク１２０は、例えば３点以上の多点支持でチルトステージ４０４に保持されている。ここで、被計測面１２１がＸＹ平面に対してθ［ｒａｄ］傾いているとすると、ビーム１２２はＺ軸に対して２θ［ｒａｄ］傾いている。チャンバ１１８の隔壁１１８ａの傾き方向や被計測面１２１の傾き方向は、被計測ワーク１２０の計測位置に応じて変化する。ビーム１２２は、チャンバ１１８の隔壁１１８ａを透過してビーム１２３となる。ここでも同様に簡略化のため、チャンバ１１８の隔壁１１８ａはＸＹ平面と平行に描かれているが、実際には隔壁１１８ａは自身の自重のためにたわんでいる。このため、ビーム１２３はビーム１２２と略平行であるが、ビーム１２２と垂直な平面内においてずれている。
【００２１】
続いて、ビーム１２３はλ／４板１１６を透過し、Ｐ偏光と直交するＳ偏光であるビーム１２４となる。ビーム１２４はＳ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０４で反射されてビーム１２５となる。λ／４板１１６は、チャンバ１１８の隔壁１１８ａと比較して薄く、かつ横幅も小さいため、λ／４板１１６の自重変形は無視することができ、また、λ／４板１１６はＸＹ平面と略平行と考えてもよい。このため、ビーム１２３とビーム１２４は、略同一直線上に存在する。ビーム１２５は、コーナーキューブ１０８で入射方向と同じ方向に反射され、ビーム１２６となる。ビーム１２６の偏光状態はＳ偏光のままであるため、偏光ビームスプリッタ１０４で再び反射し、ビーム１２７となる。ビーム１２７とビーム１２４は略平行である。
【００２２】
ビーム１２７は、再び、λ／４板１１６を透過し、円偏光状態となったビーム１２８は隔壁１１８を透過してビーム１２９となる。ここでも同様に簡略化のため、チャンバ１１８の隔壁１１８ａはＸＹ平面と平行に描かれているが、実際にはチャンバ１１８の隔壁１１８ａは自身の自重のためにたわんでいる。このため、ビーム１２９はビーム１２８と略平行であるが、ビーム１２９と垂直な平面内でずれている。ここで、Ｚ軸に対するビーム１２９の角度と、Ｚ軸に対するビーム１２２の角度は略一致し、この角度は２θ［ｒａｄ］である。ビーム１２９は、被計測面１２１で反射してビーム１３０となるが、Ｚ軸に対するビーム１２９の角度とＺ軸に対するビーム１２２の角度が略一致するため、ビーム１３０はＺ軸と略平行となる。
【００２３】
ビーム１３０は、チャンバ１１８の隔壁１１８ａを透過してビーム１３１となる。ここでも同様に簡略化のため、チャンバ１１８の隔壁１１８ａはＸＹ平面と平行に描かれているが、実際にはチャンバ１１８の隔壁１１８ａは自身の自重のためにたわんでいる。このため、ビーム１３１はビーム１３０と略平行であるが、ビーム１２９と垂直な平面内でずれている。続いて、ビーム１３１はλ／４板１１６を透過し、Ｓ偏光と直交するＰ偏光であるビーム１３２となる。ビーム１３２はＰ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０４を透過してビーム１３３となる。
【００２４】
次に、ビーム１３３はλ／４板１０６を透過し、円偏光状態となったビーム１３４はＺ基準ミラー１１２で反射されてビーム１３５となる。ビーム１３５は、再び、λ／４板１０６を透過し、Ｐ偏光と直交するＳ偏光であるビーム１３６となる。ビーム１３６はＳ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０４で反射してビーム１３７となり、ビーム１３７はビーム受光部１１０（検出部）に入射する。ビーム１３７は、被検光として扱われる。このようにビーム受光部１１０は、プローブステージ１０３（プローブ）を介して被計測ワーク１２０の表面からの光（被検光）を検出する。
【００２５】
図１において、被検光であるビーム１３７と参照光であるビーム１０９は、同一直線上に存在しないように描かれているが、実際には、ビーム１３７とビーム１０９は所定の広がりを有するビームである。このため、図２に示されるように、各ビームの一部が重複した重複領域２０１が存在する。図２は、ビーム受光部１１０における、ビーム１３７とビーム１０９の形状を示している。本実施例において、重複領域２０１をＣＣＤなどを用いて計測し、後述する被計測面１２１の角度（ローカルな角度）を計算してもよい。また、被検光であるビーム１３７の例えばＸ軸に対する角度をオートコリメータなどを用いて計測し、後述する被計測面１２１のローカルな角度を計算することもできる。
【００２６】
ビーム受光部１１０に入射したビーム１３７とビーム１０９は、光ファイバー１３８により、位相／距離情報変換部１３９に伝送される。位相／距離情報変換部１３９は、重複領域２０１におけるヘテロダイン干渉現象を利用して、被検光であるビーム１３７と参照光であるビーム１０９との位相ずれを計測し、その位相情報を距離情報に変換して出力する。位相／距離情報変換部１３９から出力された距離情報は、ＰＣ１４１（演算部）に送られる。ＰＣ１４１は、プローブステージ１０３を駆動するステージ制御部１４２、および、誤差補正部１４０を有する。
【００２７】
ステージ制御部１４２は、被計測面１２１の所望の計測領域を全て網羅するように、ラスターまたはベクタースキャンとなるように、プローブステージ１０３を駆動させる。Ｚ基準ミラー１１２、図示しないＸ基準ミラーおよびＹ基準ミラーに対するプローブステージ１０３の位置と傾きは、干渉計等を用いて計測され、ＰＣ１４１内に、プローブステージ１０３の位置情報および傾き情報として保存される。プローブステージ１０３の位置情報および傾き情報は、被計測面１２１のＸＹ座標位置の計算に用いられる。なお、図１の計測装置１とは別の構成として、プローブステージ１０３を駆動する代わりに、被計測ワーク１２０を駆動させてもよい。この場合、ステージ制御部１４２は、被計測ワーク１２０またはチルトステージ４０４を搭載する図示しないステージを駆動する。プローブステージ１０３を駆動する場合と同様に、被計測ワーク１２０の位置と傾きは、干渉計等を用いて計測され、ＰＣ１４１内に被計測ワーク１２０の位置情報および傾き情報として保存される。
【００２８】
誤差補正部１４０は、ビーム受光部１１０（検出部）の検出結果と、チャンバ１１８の隔壁１１８ａに関する情報とを用いて被計測ワーク１２０の表面形状を求める演算部である。すなわち誤差補正部１４０は、プローブステージ１０３（プローブ）と被計測ワーク１２０との間のチャンバ１１８の隔壁１１８ａにより生じる誤差を補正して被計測面１２１（面形状データ）を求める。隔壁１１８ａにより生じる誤差（隔壁に関する情報）とは、例えば、隔壁１１８ａの形状または屈折率分布により生じる誤差である。誤差補正部１４０は、隔壁１１８ａにより生じる誤差、および、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差を補正し、被計測面１２１の面形状データを求める。誤差補正部１４０は、位相／距離情報変換部１３９から出力された複数の２次元距離情報を保持するメモリを有する。被計測面１２１の傾きにより生じる誤差は、このメモリに保存された複数の計測データの偏微分情報を用いて算出される。また、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差は、予めメモリに保存された被計測面１２１の設計値情報を用いて算出してもよい。誤差補正部１４０による補正の詳細については後述する。
【００２９】
なお、図１に示される計測装置１は、プローブとしてコーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉計プローブを用いているが、本実施例はこれに限定されるものではない。例えば、ホモダイン干渉を用いたホモダイン干渉計プローブを用いてもよい。この構成では、Ｚ基準ミラー１１２を参照面とするトワイマングリーンタイプのプローブや、透過型の参照面を用いるフィゾータイプのプローブが採用される。
【００３０】
また本実施例では、プローブとして、シングルパスヘテロダイン干渉計プローブを用いてもよい。この場合、被計測面１２１では１回のみ反射するため、被計測面１２１の反射率が小さい場合に効果的である。また図１において、多くのビームは、Ｘ軸またはＺ軸と平行であるように表現されているが、これらは簡略的に描かれたものであり、実際には全てのビームがわずかの傾き誤差を有する。
【００３１】
次に、図３を参照して、本実施例における計測方法について説明する。図３は、計測方法を示すフローチャートであり、各ステップは計測装置１の誤差補正部１４０（演算部）により実行される。ステップＳ３０１〜Ｓ３０３では、原器を用いて、基準面であるＺ基準ミラー１１２を基準とした原器の表面形状を計測し、その計測結果に基づいて、隔壁１１８ａに関する情報を取得する。ここで、隔壁１１８ａに関する情報には隔壁１１８ａの形状や屈折率分布により生じる誤差などがある。ステップＳ３０１〜Ｓ３０３を隔壁情報取得工程と定義する。以下、各ステップについて詳述する。
【００３２】
まずステップＳ３０１では、被計測ワーク１２０の代わりに原器を用いて、原器の表面形状（原器面）を計測する。このとき、チャンバ１１８を用いることなく、すなわちプローブと原器との間にチャンバ１１８の隔壁１１８ａを配置せずに、原器の表面形状を計測する。このようにして得られた計測結果を行列Ａとする。行列Ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に等間隔のデータ配列であり、等間隔でない複数の計測データを内挿することで得られる。内挿は、多項式補間やキュービック補間など、種々の補間技術を用いて行われる。データ間隔は、必要とする計測データの空間周波数を考慮して決定されているため、必要な空間周波数帯域の情報の欠落はない。以下、本実施例における全ての行列に関し、データ配列はＸ軸方向とＹ軸方向に等間隔であり、必要な空間周波数帯域の情報を満足しているものとする。また、全ての行列には表面形状を反映する有意なデータ点と、表面形状を反映しない有意でないデータ点（Ｎｏｔ  ａ  Ｎｕｍｂｅｒ）が混在する。
【００３３】
本実施例において、原器面は平面である。この原器面は、例えば干渉計を用いた３枚合わせ法やシア法などにより予め絶対校正されており、これを行列Ｃと定義する。また、原器面の計測結果である行列Ａから原器面の校正情報である行列Ｃを差し引いた行列を、行列Ａ’と定義する。すなわち、行例Ａ’は以下の式（１）のように表される。
【００３４】
Ａ’＝Ａ−Ｃ  … （１）
行列Ａ’は、主にＺ基準ミラー１１２の面形状誤差情報を含んでいる。それに加えて、偏光ビームスプリッタ１０４、λ／４板１０６、および、コーナーキューブ１０８による誤差情報も含まれている。
【００３５】
プローブステージ１０３の位置と傾きの誤差から生じる行列Ａの誤差は、プローブがＺ基準ミラー１１２を基準とした原器の面形状を計測しているため、無視できる程度に小さい。または、プローブステージ１０３の位置と傾きの誤差から生じる行列Ａの誤差を補正してもよい。以下、本実施例の全ての計測結果において、プローブステージ１０３の位置と傾きの誤差は無視できる程度に小さいか、または適切に補正されているものとする。
【００３６】
次にステップＳ３０２では、チャンバ１１８を用いて、すなわちプローブと原器との間にチャンバ１１８の隔壁１１８ａを配置した状態で、ステップＳ３０１と同様に原器の面形状（原器面）を計測する。このようにして得られた計測結果を行列Ｂとする。ステップＳ３０１と同様に、原器面の計測結果である行列Ｂから原器面の構成情報である行列Ｃを差し引いた行列を、行列Ｂ’と定義する。すなわち、行列Ｂ’は以下の式（２）のように表される。
【００３７】
Ｂ’＝Ｂ−Ｃ  … （２）
行列Ｂ’は、主に、Ｚ基準ミラー１１２の面形状誤差情報、隔壁１１８ａの形状および屈折率分布により生じる誤差（隔壁に関する情報）を含んでいる。ステップＳ３０２で用いる原器の表面（原器面）は、ステップＳ３０１と同様に平面である。
【００３８】
図４は、原器４０３の計測時における計測装置１の要部拡大図であり、隔壁１１８ａの近傍の光路を示している。前述のように、隔壁１１８ａは自身の自重のためにたわんでおり、この場合にはＸＺ平面内で傾いている。また、原器４０３自身は、自身の自重が原器面４０２に影響しないように、３点以上の多点保持されており、かつ原器４０３の厚さは十分厚い。ビーム４０１の光路は、隔壁１１８ａの形状および屈折率分布により生じる誤差により曲がり、光路長が変化した状態で原器面４０２で反射し、入射と同様の光路でプローブへ戻る。後に、原器４０３に代えて被計測ワーク１２０を計測する場合も、隔壁１１８ａは同様の環境下で同様に保持される。
【００３９】
図４において、原器４０３は、原器面４０２（被計測面）を傾けるチルトステージ４０４の上に搭載されている。チルトステージ４０４を用いて、原器面４０２をＸ軸方向およびＹ軸方向に複数回傾けて、その都度、原器面４０２の面形状データを取得する。すなわち、原器４０３の表面形状（原器面４０２）を複数の異なる角度で計測する。これらの計測結果は、実際の被計測面１２１を計測する際に、被計測面１２１のローカルな角度に応じた隔壁１１８ａの補正情報として用いることができる。式（２）中の行列Ｂは、４次元配列としてＢ（θｘ，θｙ）と表すことができるため、式（２）は以下の式（３）のように表される。
【００４０】
Ｂ’（θｘ，θｙ）＝Ｂ（θｘ，θｙ）−Ｃ  …  （３）
原器面４０２が球面の場合、原器面４０２の曲率半径が被計測面１２１の近似曲率半径に近い曲率半径である原器を用いることが好ましい。原器面４０２として球面を用いた場合、行列Ｂ’は２次元行列となり、原器面４０２が平面の場合と同様に、実際の被計測面１２１を計測する際の被計測面１２１のローカルな角度に応じた隔壁１１８ａの補正情報として用いることができる。また、平面の原器を用いる場合と比較して、原器面の面形状計測データ数を低減することができる。ただし、球面の原器を用いると、所定環境（例えば２℃近辺の温度環境）に対する曲率半径の保証が困難であり、２℃近辺で曲率半径の絶対値を保証する構成が必要となる場合がある。
【００４１】
続いてステップＳ３０３において、隔壁情報行列Ｄ（θｘ，θｙ）を求める。隔壁情報行列Ｄ（θｘ，θｙ）は、以下の式（４）のように表される。
【００４２】
Ｄ（θｘ，θｙ）＝Ｂ’（θｘ，θｙ）−Ａ’  …  （４）
隔壁情報行列Ｄ（θｘ，θｙ）は、各ピクセルにおいて、隔壁１１８ａの局所的な形状誤差と局所的な屈折率分布によるビームの光路長がどれだけ変化するか、という情報を含んでいる。隔壁１１８ａの形状誤差とは、隔壁１１８ａの自重によるたわみも含む。隔壁情報行列Ｄ（θｘ，θｙ）は、４次元配列である。各データ点の間は、多項式補間やキュービック補間などの種々の補間技術を用いて内挿することが可能である。その結果、実際の被計測面１２１のローカルな角度に応じた隔壁情報を、４次元配列である隔壁情報行列Ｄ（θｘ，θｙ）の内挿からピックアップすることができ、被計測面１２１のローカルな角度に応じた隔壁情報行列をＤ’と定義する。
【００４３】
原器面が球面の場合、原器面の曲率半径が被計測面１２１の近似曲率半径に近い曲率半径となるような原器を用いるため、４次元配列を用いずに直接隔壁情報行列Ｄ’を定義することができる。ただし、前述のように、原器面として球面を用いる場合には所定環境（例えば２℃近辺の温度環境）に対する曲率半径の保証が困難である。
【００４４】
このように、隔壁情報取得工程では、原器４０３をチャンバ１１８に収容した状態および原器４０３をチャンバ１１８から取り出した状態の両方で原器４０３の表面形状を計測する。そして、原器４０３の表面形状の計測結果に基づいてプローブと被計測ワーク１２０との間に配置されたチャンバ１１８の隔壁１１８ａにより生じる誤差を算出する。
【００４５】
次に、ステップＳ３０４、Ｓ３０５において、被計測ワーク１２０をチャンバ１１８に収容した状態で、被計測ワーク１２０の表面形状を計測する。そして、被計測ワーク１２０の表面形状の計測結果に基づいて被計測ワーク１２０の傾きにより生じる誤差（被計測物に関する情報）を求める。すなわち、原器４０３に代えて被計測ワーク１２０を用いて、基準面であるＺ基準ミラー１１２を基準とした被計測面１２１の面形状を計測し、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差を算出する。ステップＳ３０４、３０５を被計測面情報取得工程と定義する。以下、各ステップについて詳述する。
【００４６】
ステップＳ３０４では、被計測ワーク１２０をチャンバ１１８に収容した状態で、被計測面１２１の面形状を計測する。被計測ワーク１２０の表面に光を照射し、プローブステージ１０３を介して被計測ワークの表面からの光をビーム受光部１１０で検出する。このビーム受光部の検出結果から得られる被計測ワーク１２０の表面形状には隔壁による誤差が含まれている。このとき得られた計測結果を行列Ｅと定義する。また、行列Ｅから原器面４０２の校正情報である行列Ｃを差し引いた行列をＥ’と定義する。行列Ｅ’は以下の式（５）のように表される。
【００４７】
Ｅ’＝Ｅ−Ｃ  …  （５）
行列Ｅ’は、主に、隔壁１１８ａの形状および屈折率分布により生じる誤差と、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差を含んでいる。式（５）で表される行列Ｅ’から行列Ｄ’を差し引くことで、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差のみを含む行列Ｆを得ることができる。行列Ｆは以下の式（６）のように表される。
【００４８】
Ｆ＝Ｅ’−Ｄ’  …  （６）
続いてステップＳ３０５において、被計測面１２１に関する被計測面情報行列（θｘ，θｙ）を求める。これらは行列Ｆの偏微分により求められ、以下の式（７）のように表される。
【００４９】
【数１】
2013160702.tif 000003
【００５０】
被計測面情報行列（θｘ，θｙ）は、被計測面１２１の各ピクセルにおける局所的な傾きである。ただし、被計測面１２１の各ピクセルにおいては、離れた２つのビームを用いて計測を行うため、２つのビーム間隔以下の空間周波数を計測することは、構成上困難となる。例えば、図１に示される構成の場合、ビーム１１９とビーム１２９は、Ｘ軸方向に所定の間隔だけ離れている。このため、この間隔を所望の空間周波数仕様を満足するように設定する必要がある。本実施例において、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）は、行列Ｆの偏微分により算出されるが、予めメモリに保存された被計測面１２１の設計値情報を用いて算出してもよい。
【００５１】
次にステップ３０６において、隔壁情報取得工程（ステップＳ３０１〜Ｓ３０３）および被計測面情報取得工程（ステップＳ３０４、Ｓ３０５）で得られた結果に基づいて、被計測ワーク１２０の表面形状を算出する。ステップＳ３０６を面形状算出工程と定義する。
【００５２】
ここで図５を参照して、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）を用いてプローブと被計測面１２１との間の距離（Ｚ軸方向の距離）を求める方法について説明する。図５は、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）と、プローブと被計測面との距離の関係を示す図である。図５において、Ｌ１は、プローブの下面であるλ／４板１１６と被計測面１２１との距離行列を示す。Ｌ２は、被計測面１２１で反射したビームを表し、傾いた状態でのλ／４板１１６と被計測面１２１との距離行列を示す。Ｘは距離行列Ｌ２のＸ成分の距離行列、Ｙは距離行列Ｌ２のＹ成分の距離行列をそれぞれ示す。θｘは距離行列Ｌ２のＹＺ平面における角度行列、θｙは距離行列Ｌ２のＹＺ平面における角度行列をそれぞれ示す。図５では、被計測面１２１の一部のみを示している。距離行列Ｌ１、Ｌ２、Ｘ、Ｙを用いて、以下の式（８）が成立する。
【００５３】
Ｌ１２＋Ｘ２＋Ｙ２＝Ｌ２２  …  （８）
ここで、行列Ｆを以下の式（９）のように定義する。
【００５４】
Ｆ＝Ｌ１＋Ｌ２  …  （９）
このとき、式（８）は以下の式（１０）のように表される。
【００５５】
Ｌ１２＋Ｘ２＋Ｙ２＝（Ｆ−Ｌ１）２  …  （１０）
ここで、距離行列Ｘ、Ｙはそれぞれ以下の式（１１）で与えられる。
【００５６】
Ｘ＝Ｌ１ｔａｎθｙ
Ｙ＝Ｌ１ｔａｎθｘ  …  （１１）
このため、式（１１）を式（１０）に適用して式（１０）を展開すると、以下の式（１２）が成立する。
【００５７】
Ｌ１２（ｔａｎ２θｙ＋ｔａｎ２θｘ）＋２ＦＬ１−Ｆ２＝０  …  （１２）
式（１２）で表される距離行列Ｌ１に関する２次方程式を解くと、距離行列Ｌ１は以下の式（１３）のように表される。
【００５８】
【数２】
2013160702.tif 000004
【００５９】
ここで、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）はゼロではないものとする。被計測面情報行列（θｘ，θｙ）がゼロの場合については、後述する。
【００６０】
このように、被計測面１２１の傾きにより生じる誤差のみを含む行列Ｆと、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）を用いることで、プローブの下面であるλ／４板１１６と被計測面１２１との距離行列Ｌ１を求めることができる。距離行列Ｌ１のピストン項を除くことで、最終的に求めるべき被計測面１２１の面形状を算出すること可能である。
【実施例２】
【００６１】
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施例２における計測装置について説明する。図６は、本実施例における計測装置２（非接触式３次元計測装置）の構成図であり、コーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉方式における平面計測の様子を示している。ここで、被計測面である平面のサグ量は、例えば絶対値で１０ｎｍから１００ｎｍオーダーである。
【００６２】
本実施例の計測装置２は、非球面の被計測面１２１を有する被計測ワーク１２０に代えて、平面の被計測面８０２を有する被計測ワーク８０１を計測する点で実施例１の計測装置１と異なるが、計測装置２のそれ以外の基本的構成は計測装置１と同様である。本実施例において、被計測面８０２で反射される反射ビームは、隔壁１１８ａの近傍において、入射ビームと略同一の光路をたどる。例えば、ビーム１１９とビーム１２２、ビーム１２９とビーム１３０、ビーム１０９とビーム１３７などは、互いに略同一の光路となる。
【００６３】
次に、図７を参照して、本実施例における計測方法について説明する。図７は、計測方法を示すフローチャートである。図７に示される計測方法は、複数の角度からの原器面４０２の計測が必要ない点、および、被計測面情報行列（θｘ，θｙ）の計算が必要ない点で、図３の計測方法（実施例１）と異なる。
【００６４】
ステップＳ３０１にて行列Ａ’を算出した後、ステップＳ７０２に進む。平面原器５０３を用いた場合と被計測ワーク８０１を用いた場合、隔壁１１８ａにおける光路は互いに略同一となる。このため、チルトステージ４０４を用いた複数の角度に応じた隔壁１１８ａの補正情報を取得する必要はない。上記の式（２）で表される行列Ｂ’を、本実施例ではＢｆ’と表すと、以下の式（１４）で表される２次元行列が得られる。
【００６５】
Ｂｆ’＝Ｂ−Ｃ  …  （１４）
続いてステップＳ７０３において、被計測面８０２の角度（ローカルな角度）に応じた隔壁情報行列Ｄ’は必要なく、以下の式（１５）で表される隔壁情報行列Ｄｆのみが次のステップＳ７０４で必要となる。
【００６６】
Ｄｆ＝Ｂｆ’−Ａ’  …  （１５）
式（１５）を用いて、上記の式（６）は、以下の式（１６）のように変更される。
【００６７】
Ｆ＝Ｅ’−Ｄｆ’  …  （１６）
続いてステップＳ７０５において、被計測面情報取得工程における被計測面情報行列（θｘ，θｙ）はゼロと近似できる。このため、上記の式（１２）は以下の式（１７）のように表され、距離行列Ｌ１を求めることができる。
【００６８】
Ｆ＝２Ｌ１  …  （１７）
距離行列Ｌ１のピストン項を除くことで、最終的に求めるべき被計測面８０２の面形状を算出することができる。
【００６９】
本実施例の計測装置２では、プローブとしてコーナーキューブを用いたダブルパスヘテロダイン干渉計プローブを用いているが、被計測面が略平面である場合には、コーナーキューブの代わりに参照平面を用いてもよい。このような構成では、ビーム１１９とビーム１３０、およびビーム１２２とビーム１２９は略一致し、ビーム１０２とビーム１０９およびビーム１３７は分離される。また実施例１と同様に、プローブはホモダイン干渉を用いたホモダイン干渉計プローブであってもよい。このような構成では、Ｚ基準ミラー１１２を参照面とするトワイマングリーンタイプのプローブや、透過型の参照面を用いるフィゾータイプのプローブが用いられる。また本実施例の計測装置２では、プローブとしてシングルパスヘテロダイン干渉計プローブを用いてもよい。この場合、被計測面８０２では１回のみ反射するため、被計測面８０２の反射率が小さい場合に効果的である。
【００７０】
上記各実施例によれば、実際の使用環境下での被計測物の表面形状を高精度かつ低コストで計測可能な計測装置および計測方法を提供することができる。また、このような計測装置を用いて計測した被計測物の表面形状の計測結果に基づいて、被計測物を加工する被計測物の製造方法を提供することができる。
【００７１】
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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１、２  計測装置
１０３  プローブステージ
１１８  チャンバ
１２０  被計測ワーク
１４０  誤差補正部
１５０  環境制御部
【図１】
2013160702.tif 000005
【図２】
2013160702.tif 000006
【図３】
2013160702.tif 000007
【図４】
2013160702.tif 000008
【図５】
2013160702.tif 000009
【図６】
2013160702.tif 000010
【図７】
2013160702.tif 000011