(57)【要約】【課題】被検物の表面形状を高精度かつ短時間で測定する。【解決手段】本発明は、光源から発する光を物体光と参照光とに分離し、物体光と参照光との光路差によって得られる干渉縞を解析する干渉計を用いた被検物の表面形状測定方法であって、参照面を第１位置に固定して、物体光を被検物に照射し、複数の第１干渉縞を取得する第１工程と、参照面を第１位置と異なる参照光の光軸上の第２位置に固定して、複数の第２干渉縞を取得する第２工程と、参照面を第１位置及び第２位置と異なる第３位置に固定して、複数の第３干渉縞を取得する第３工程と、第１干渉縞と、第２干渉縞と、第３干渉縞とを用いて前記干渉縞の位相解析を行う位相解析工程Ｓ３とを備え、第１工程、第２工程、及び第３工程の少なくとも１つにおいて、被検物をその光軸を中心に回転させながら物体光を所定の角度から照射し、所定の角度量回転するごとに断続的に複数の干渉縞を取得する。【選択図】図４
2009192369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発する光を被検物に照射される物体光と参照面で反射される参照光とに分離し、前記被検物の表面で反射された前記物体光と前記参照光との光路差によって得られる干渉縞を解析する干渉計を用いて前記被検物の表面形状を測定する形状測定方法であって、
前記参照面を第１位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第１干渉縞として取得する第１工程と、
前記参照面を、前記第１位置と異なる前記参照光の光軸上の第２位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が前記所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第２干渉縞として取得する第２工程と、
前記参照面を、前記第１位置及び前記第２位置と異なる前記参照光の光軸上の第３位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が前記所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第３干渉縞として取得する第３工程と、
前記第１工程で得られた前記第１干渉縞と、前記第２工程で得られた前記第２干渉縞と、前記第３工程で得られた前記第３干渉縞とを用いて、各々の回転角における干渉縞の位相解析を行う位相解析工程と、
を備え、
前記第１工程、前記第２工程、及び前記第３工程の少なくとも１つにおいて、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記物体光を前記被検物の光軸と所定の角度をなす方向から照射し、前記所定の角度量回転するごとに断続的に複数の干渉縞を取得することを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記物体光を前記被検物の光軸と前記所定の角度とは異なる角度をなす方向から照射し、前記第１工程、前記第２工程、前記第３工程、および前記位相解析工程を、さらに行うことを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
前記位相解析工程において得られた位相解析結果を、前記回転角の相対的位置関係に基づいてつなぎ合わせて前記被検物の表面の一部である輪帯状領域または全体の表面形状を取得する統合工程をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検物の表面で反射される光によって生じる干渉縞を解析することにより、当該被検物の表面形状を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、干渉計を用いて大面積、高傾斜の被検物の表面形状を測定する場合に、当該被検物の表面を干渉計で測定可能な複数の測定領域に分割し、各領域の測定結果をつなぎ合わせて表面全体の測定を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記方法において、分割された各測定領域の形状測定を高精度に行うためには、被検物表面の干渉縞の縞走査による位相解析が必要となる。そのために、通常は、被検物を測定領域ごとに静止させ、干渉計の参照面をその光軸上の複数の位置に移動させて当該測定領域の縞走査を行ってから次の測定領域の縞走査を行うという手順がとられている。
【特許文献１】特開２００３−５７０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような手順で表面形状の測定を行うと、静止状態にある被検物が僅かに動くことによって測定誤差が発生することがある。また、測定領域ごとに被検物の回転及び停止、縞走査のための参照面の移動（通常４位置以上）が行われるため、測定に長時間が必要となる。これは測定領域の分割数が増加するほど顕著になる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、被検物の表面形状を高精度かつ短時間で測定可能な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】
【０００６】
本発明は、光源から発する光を被検物に照射される物体光と参照面で反射される参照光とに分離し、前記被検物の表面で反射された前記物体光と前記参照光との光路差によって得られる干渉縞を解析する干渉計を用いて前記被検物の表面形状を測定する形状測定方法であって、前記参照面を第１位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第１干渉縞として取得する第１工程と、前記参照面を、前記第１位置と異なる前記参照光の光軸上の第２位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が前記所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第２干渉縞として取得する第２工程と、前記参照面を、前記第１位置及び前記第２位置と異なる前記参照光の光軸上の第３位置に固定して、前記物体光を前記被検物に照射し、前記被検物が前記所定の角度量回転するごとの前記干渉縞を、複数の第３干渉縞として取得する第３工程と、前記第１工程で得られた前記第１干渉縞と、前記第２工程で得られた前記第２干渉縞と、前記第３工程で得られた前記第３干渉縞とを用いて、各々の回転角における干渉縞の位相解析を行う位相解析工程と、を備え、前記第１工程、前記第２工程、及び前記第３工程の少なくとも１つにおいて、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記物体光を前記被検物の光軸と所定の角度をなす方向から照射し、前記所定の角度量回転するごとに断続的に複数の干渉縞を取得することを特徴とする。
【０００７】
本発明の形状測定方法によれば、参照面が第１位置、第２位置、及び第３位置の少なくとも１つにある状態において、被検物による各回転角における干渉縞が、被検物が回転している間に断続的に取得されるので、参照面を移動させる回数が飛躍的に少なくなる。
【０００８】
本発明の形状測定方法は、前記物体光を前記被検物の光軸と前記所定の角度とは異なる角度をなす方向から照射し、前記第１工程、前記第２工程、前記第３工程、および前記位相解析工程を、さらに行ってもよい。これにより、被検物に対する物体光の照射領域（干渉縞が取得される領域）が、被検物全体の表面に対して狭い場合にも、被検物全体にわたって干渉縞を取得することができる。
【０００９】
本発明の形状測定方法は、前記位相解析工程において得られた位相解析結果を、前記回転角の相対的位置関係に基づいてつなぎ合わせて前記被検物の表面の一部である輪帯状領域または全体の表面形状を取得する統合工程をさらに備えてもよい。この場合、被検物の輪帯状領域または全体の表面形状を、高精度かつ短時間で測定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の形状測定方法によれば、参照面を回転角ごとに移動させる必要がないため、被検物の表面形状を高精度かつ短時間で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。図１は、本発明の形状測定方法に用いられる干渉計１を示す図である。干渉計１は公知のトワイマングリーンタイプの干渉計である。その原理を簡潔に説明すると以下の通りである。
光源２から発せられた光Ｌは、被検物Ｓの表面に照射される物体光Ｌ１と、参照平面（参照面）３によって反射され、基準となる参照光Ｌ２とに分離される。被検物Ｓの表面で反射された物体光Ｌ１は、参照光Ｌ２と干渉し、干渉光Ｌ３となる。ビームスプリッタ４を通過した干渉光Ｌ３は結像レンズ５によってＣＣＤ素子（画像変換光電素子）６上に結像し、物体光Ｌ１と参照光Ｌ２との光路差によって生じる干渉縞が得られる。参照平面３には、参照平面３を参照光Ｌ２の光軸に沿って移動させるための移動機構３Ａが取り付けられている。移動機構３Ａとしては、ピエゾ素子等を採用することができる。
【００１２】
図２は、干渉計１が取付けられた光学素子ＳＢの研磨機（加工機）１１を示す図である。干渉計１は光学素子ＳＢを被検物として、研磨加工後の光学素子ＳＢの表面形状を測定するために取付けられている。
【００１３】
研磨機１１は、スピンドル１２と研磨部（加工部）１３とを備えて構成されている。スピンドル１２の軸線方向の一方の端部には、被検物である光学素子ＳＢが取付けられている。スピンドル１２の軸線を通る回転軸１４は、モータ等の回転機構１５に接続されており、スピンドル１２及びスピンドルに取付けられた光学素子ＳＢをスピンドル１２の軸線回りに回転させることができる。回転軸１４には、ロータリーエンコーダ１６が設置されており、回転軸１４の回転量を検知することが可能に構成されている。
【００１４】
研磨部１３は、光学素子ＳＢに対向する面に砥石１７が設けられており、光学素子ＳＢに接触する位置まで進退可能に構成されている。研磨部１３の砥石１７を光学素子ＳＢに接触させた状態でスピンドル１２を回転させることによって、スピンドル１２に固定された光学素子ＳＢに対して研磨加工が行われる。
【００１５】
干渉計１は、スピンドル１２の軸線に対して所定の角度（例えばδ）をなして光学素子ＳＢに対向するように配置されている。干渉計１には干渉計全体を移動させる移動機構７が取付けられており、干渉計１を自身の軸線方向に進退させること、および、上記角度δを変化させるように干渉計１を回動させることが可能となっている。
【００１６】
図３は、干渉計１及び研磨機１１の各部のつながりを示すブロック図である。図３に示すように、干渉計１のＣＣＤ素子６は、干渉縞の位相解析を行う演算部８に接続されている。ＣＣＤ素子６、移動機構３Ａ、移動機構７、及び演算部８は、干渉計１全体の制御を行う干渉計制御部９に接続されている。演算部８及び干渉計制御部９は、干渉計１の内部に設けられてもよいし、ＣＣＤ素子６及び移動機構３Ａと接続されたパソコン等に設けられてもよい。
【００１７】
研磨機１１の研磨部１３及び回転機構１５は、研磨機１１の動作を制御する研磨機制御部１８に接続されている。回転軸１４に取付けられたロータリーエンコーダ１６は、回転機構１５に接続されると共に、干渉計１の干渉計制御部９にも接続されており、回転軸１４の回転量を干渉計制御部９が検知できるようになっている。
【００１８】
上記のように構成された干渉計１及び研磨機１１によって光学素子ＳＢの表面形状測定及び加工を行う手順について、図４から図６を参照して以下に説明する。
【００１９】
図４は、本実施形態の形状測定方法を含んだ、研磨機１１による光学素子ＳＢの加工手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、スピンドル１２に固定された光学素子ＳＢに対して、研磨機制御部１８を介して研磨部１３の砥石１７を接触させ、回転機構１５によってスピンドル１２を回転させて光学素子ＳＢの表面加工を行う。加工終了後、干渉計１による表面形状測定を行うために、光学素子ＳＢの表面を洗浄し、研磨機制御部１８によって研磨部１３が退避させられる。
【００２０】
次に、ステップＳ２からステップＳ４において、干渉計１を用いた光学素子ＳＢの表面形状測定が行われる。まず、ステップＳ２の干渉縞取得工程において、光学素子ＳＢ表面の干渉縞が取得される。
【００２１】
図５及び図６は、干渉縞取得工程における干渉縞の取得手順を示す図である。まず、干渉計制御部９は、移動機構３Ａにより参照平面３を、干渉縞を取得する参照平面３の位置の１つである第１位置Ｐ１に固定した状態で、移動機構７を介して干渉計１を、その光軸がスピンドル１２の軸線に対して所定の角度δをなすように回動させる。次にユーザは、光学素子ＳＢと干渉計１との距離が既定の位置になるように、移動機構７を介して干渉計１を移動させ固定する。
ここで、既定の位置としては、物体光Ｌ１が照射される領域内における光学素子ＳＢの近似曲率半径に、物体光Ｌ１の波面の曲率半径が一致する位置、とすることが望ましい。この状態で、光学素子ＳＢの外周上の任意の位置を基準位置ＰＳと設定し、基準位置ＰＳが図５及び図６における最上部に位置するときの角度位置を回転角０度とする。
【００２２】
次に、干渉計制御部９は、研磨機制御部１８を介して回転機構１５を駆動し、スピンドル１２を一定の速度、例えば毎分２０回転で回転させる。スピンドル１２の回転量はロータリーエンコーダ１６によって干渉計制御部９に伝達される。干渉計制御部９は、ロータリーエンコーダ１６からの信号に基づいて、図５（ａ）に示すように、基準位置ＰＳが、回転角０度になった状態から干渉縞の取得を開始する。
【００２３】
具体的には、干渉計制御部９は、ロータリーエンコーダ１６の信号を検知しながら、図５（ｂ）に示すように、光学素子ＳＢが所定の角度量θ、例えば１５度回転するごとに、干渉縞を含む光学素子ＳＢの表面の一部の画像をＣＣＤ素子６によって取得する。このとき、ＣＣＤ素子６の全画素において、同期読み出しを行うように設定すると、高速で画像を取得することができる。
干渉計制御部９は、図５（ｃ）に示すように、基準位置ＰＳが１回転して回転角が再び０度となる位置まで、すなわちθ＝１５度の場合には２４回、当該動作を反復する。こうして、参照平面３が第１位置Ｐ１に位置するときの光学素子ＳＢの各回転角における干渉縞（第１干渉縞）が断続的に取得されて、第１干渉縞の取得が終了する（第１工程）。
【００２４】
第１工程終了後、干渉縞の取得は一旦休止され、スピンドル１２が空回りを行い、それにともなって、図６（ａ）に示すように光学素子ＳＢも空回りする。その間に干渉計制御部９は、移動機構３Ａのピエゾ素子に電圧を印加して、参照平面３を、参照光Ｌ２の光軸に沿って所定の距離だけ後退させ、第１位置Ｐ１と異なる第２位置Ｐ２（図２参照）に移動させて固定する。スピンドル１２の空回りは、移動機構３Ａによる移動に必要な時間及び移動後の微調整に必要な時間を考慮して、複数回転行われてもよい。
【００２５】
参照平面３が第２位置Ｐ２に固定された後、図６（ｂ）に示すように、基準位置ＰＳの回転角が０度となる位置から、第２位置Ｐ２における干渉縞の取得が開始される。そして、図６（ｃ）に示すように、上述の第１工程と同じ要領で、参照平面３が第２位置Ｐ２に位置するときの光学素子ＳＢの各回転角における干渉縞（第２干渉縞）が断続的に取得される（第２工程）。
【００２６】
その後、同様の手順で、参照平面３は第２位置Ｐ２より後方かつ参照光Ｌ２の光軸上の第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４に移動され、第３干渉縞及び第４干渉縞が、それぞれ断続的に取得される（第３工程、第４工程）。すなわち、光学素子ＳＢ表面の干渉縞は、角度θずつ間隔をおいた各回転角の位置において、それぞれ第１ないし第４干渉縞の４種類取得される。取得されたすべての干渉縞のデータは、逐次ＣＣＤ素子６から演算部８に送られる。
【００２７】
続くステップＳ３の位相解析工程において、演算部８は、ＣＣＤ素子６から送られた干渉縞データの中から、ある回転角における第１位置Ｐ１、第２位置Ｐ２、第３位置Ｐ３、及び第４位置Ｐ４で取得した４画像を抽出し、これらの位相変化を解析して、当該回転角における干渉縞取得領域の表面形状データを得る。演算部８は同様の動作を、干渉縞が取得されたすべての回転角において行って、すべての干渉縞取得領域における表面形状データを得る。すなわち、θ＝１５度の場合には２４個の表面形状データが得られることになる。
【００２８】
ステップＳ４の統合工程において、演算部８は、各領域の表面形状データの、隣り合う領域との重複部分を利用して、各表面形状データを１つのデータに統合し、光学素子ＳＢの表面の一部である輪帯状領域の形状データを取得し、干渉計１による表面形状測定が終了する。なお、物体光Ｌ１の照射される光学素子ＳＢの領域が十分広い場合には、上記ステップＳ２からＳ４の工程のみで、光学素子ＳＢの表面全体の形状データが取得される。取得された形状データは研磨機制御部１８に送られる。
なお、統合工程において、回転角が０度の領域の表面形状データと、回転角が１回転して再び０度に戻る直前の領域の表面形状データとの重複部分を利用して、演算部８が統合作業におけるずれ量を算出してすべての領域の統合作業の補正を行うようにしてもよい。
【００２９】
続くステップＳ５において、研磨機制御部１８は、光学素子ＳＢの表面が目標精度の範囲内に加工されたか否かを、干渉計１から送られた形状データに基づいて判定する。判定結果がＹＥＳの場合は、表面加工が終了する。判定結果がＮＯの場合は、処理はステップＳ６に進み、研磨部１３の補正加工軌跡が、研磨機制御部１８によって当該形状データに基づいて設定される。
【００３０】
そして工程はステップＳ１に戻り、研磨機制御部１８は、研磨部１３を介して、当該補正加工軌跡に基づいて２度目の加工を行う。加工後、再度干渉計１による光学素子ＳＢ表面の形状測定が行われる。この一連の動作が、ステップＳ５において「ＹＥＳ」の判定が出るまで繰り返される。
【００３１】
本実施形態の形状測定方法によれば、各回転角において、参照平面３が第１位置Ｐ１から第４位置Ｐ４まで動く必要がないので、従来の方法と同程度の精度を有する表面形状測定を、はるかに短い時間で完了することができる。
また、光学素子ＳＢを、参照平面３の第１位置Ｐ１から第４位置Ｐ４においてそれぞれ１回転と、参照平面３の移動のための１回転あるいは数回転の空回りをさせるだけで、形状測定に必要な干渉縞をすべて取得することができるので、より短時間で形状測定を行うことができる。
【００３２】
また、干渉縞取得の際に、光学素子ＳＢを静止させる必要がないので、光学素子ＳＢの静止時のブレによる形状測定結果における誤差の発生を防ぐことができる。
また、光学素子ＳＢを静止させる必要がないので、スピンドル１２にサーボ機構を設ける必要がない。従って、より広い範囲の加工機に適用することができる。
【００３３】
さらに、測定精度を高めたい場合は、ＣＣＤ素子６の干渉縞取得間隔、すなわち角度量θの値を小さくして、より多くの干渉縞を取得するように調整するだけでよいため、容易に形状測定の精度を高めることができる。このとき、ＣＣＤ素子６の干渉縞取得に要する時間が、上述の干渉縞取得間隔よりも長くなってしまう場合は、光学素子ＳＢの回転速度を遅くすることによって調整することが可能である。
【００３４】
なお、上記実施形態の形状測定方法によれば、光学素子ＳＢの表面のうち、一部の輪帯状領域の形状データを取得することはできるが、物体光Ｌ１の照射される光学素子ＳＢの領域は、一般的に光学素子ＳＢの表面全体に比べて狭いので、光学素子ＳＢ全体の形状データを取得することは困難である。
【００３５】
この場合には、上記ステップＳ２の工程が終了した後、移動機構７を介して干渉計１を例えば１５度回動させ、角度δを変化させる。そして上記ステップＳ２と同様の工程、およびステップＳ３の工程を引続き行う。このように、複数の輪帯状領域の表面形状データを取得することによって、光学素子ＳＢ全体をカバーする干渉縞取得領域の表面形状データを得る。その後、ステップＳ４の統合工程を行うことによって、各表面形状データを１つのデータに統合し、光学素子ＳＢ全体の形状データを取得する。
【００３６】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態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において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施例においては、第１位置Ｐ１における干渉縞の取得が終了した後、参照平面３が第２位置Ｐ２に移動した後も、光学素子ＳＢが回転角０度の状態になるまで光学素子ＳＢが空回りを行う例を説明したが、本発明はこれには限定されない。例えば、光学素子ＳＢを空回りさせずに、参照平面３が第２位置Ｐ２に移動完了した時点における光学素子ＳＢの回転角を０度として、当該回転角の位置から第２位置Ｐ２における干渉縞の取得が開始されてもよい。この場合、位相解析工程において、第１干渉縞取得時と第２干渉縞取得時の回転角のずれに基づいて処理を行うように演算部８の設定を行えばよい。
【００３７】
また、上記実施形態においては、参照平面のすべての位置Ｐ１ないしＰ４において、光学素子ＳＢを回転させながら干渉縞が取得される例を説明したが、本発明はこれには限定されず、一部の位置（例えばＰ１）においてのみ、光学素子ＳＢを回転させながら干渉縞が取得され、残りの位置においては、従来と同様に、光学素子ＳＢを所定の回転角だけ回転させて静止させた状態で干渉縞が取得されても良い。このようにしても、干渉縞取得に要する時間を相当程度短縮することができる。
【００３８】
さらに、干渉縞が取得される参照平面の位置は、最低３箇所あればよく、５箇所以上あってもよい。この場合、ステップ数に応じて異なる公知の位相解析方法を用いて位相解析工程を進めればよい。
加えて、上述の実施形態においては、トワイマングリーン型の干渉計が用いられる例を説明したが、本発明は、参照面および被検物のいずれかを進退させてフリンジスキャンを行うものであれば、他の方式の干渉計にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の形状測定方法に使用される干渉計の構成を示す図である。
【図２】同干渉計が取付けられた研磨機を示す図である。
【図３】同干渉計及び同研磨機の各部のつながりを示すブロック図である。
【図４】同形状測定方法を含んだ同研磨機による光学素子の加工手順を示すフローチャートである。
【図５】干渉縞取得工程における干渉縞の取得手順を示す図である。
【図６】干渉縞取得工程における干渉縞の取得手順を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  干渉計
２  光源
３  参照平面（参照面）
Ｌ１  物体光
Ｌ２  参照光
Ｐ１  第１位置
Ｐ２  第２位置
Ｐ３  第３位置
Ｓ３  位相解析工程
Ｓ４  統合工程
ＳＢ  光学素子（被検物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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