形状測定方法及び形状測定装置
【課題】被検物の表面形状を短時間で測定可能な形状測定方法を提供する。
【解決手段】形状測定方法は、ｎ＝１〜Ｎ（Ｎは３以上の整数）とし、参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を第１位置〜第Ｎ位置と称するとき、参照面を第ｎ位置に固定し、物体光を被検物の光軸と所定の角度をなす方向から照射して、被検物をその光軸を中心に回転させながら、干渉縞を、被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程を備え、第１工程から第Ｎ工程を行う干渉縞画像取得工程Ｓ１１の後に、複数の領域のそれぞれに対応する干渉縞を用いて位相解析を行い、部分表面形状データを取得する位相解析工程Ｓ１２と、部分表面形状データを重複領域でつなぎ合わせて被検物の輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程Ｓ１３と、を備える。
【解決手段】形状測定方法は、ｎ＝１〜Ｎ（Ｎは３以上の整数）とし、参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を第１位置〜第Ｎ位置と称するとき、参照面を第ｎ位置に固定し、物体光を被検物の光軸と所定の角度をなす方向から照射して、被検物をその光軸を中心に回転させながら、干渉縞を、被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程を備え、第１工程から第Ｎ工程を行う干渉縞画像取得工程Ｓ１１の後に、複数の領域のそれぞれに対応する干渉縞を用いて位相解析を行い、部分表面形状データを取得する位相解析工程Ｓ１２と、部分表面形状データを重複領域でつなぎ合わせて被検物の輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程Ｓ１３と、を備える。
【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及び形状測定装置に関する。
【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形状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）。
測定結果をつなぎ合わせる方法としては、予め複数の測定領域を互いに重なり合うように設定し、重なり合う部分の一方の測定データと他方の測定データとの相関関数が最大値をとるように他方の測定データ全部を座標変換してフィッティングをする方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
上述の方法において、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５７０１６号公報
【特許文献２】特許第３１６２３５５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、縞走査のための干渉計の移動（最少３位置、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り、この事情は測定領域の分割数が増加するほど顕著になる。
【０００６】
また、複数の測定領域をつなぎ合わせる場合に特許文献２に記載の方法を使用すると、処理時間がかかるため高速測定に適さない。さらにノイズによる測定誤差の影響も受けやすいという問題がある。
【０００７】
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短時間で測定可能な形状測定方法及び形状測定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】
【０００８】
本発明の第１の態様は、光源から発する光を被検物に照射される物体光と基準とな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、ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程と、前記第１工程から前記第Ｎ工程を行った後に、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析工程と、前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様の形状測定方法によれば、被検物の各領域における干渉縞を含む表面画像が、被検物が回転している間に断続的に取得されるので、参照面を何度も移動させる必要がなくなる。
【００１０】
また、上記形状測定方法において、前記統合工程では、互いに重複領域を有する前記部分表面形状データのうちの一方に対して近似関数による当てはめを行って前記部分表面形状データのうちの一方の近似曲線を取得し、前記近似関数と前記部分表面形状データのうちの他方との差の自乗和が最小となるように前記部分表面形状データのうちの他方を座標変換して繋ぎ合わせることが好ましい。
この場合、処理をより高速化することができる。
【００１１】
さらに、これらのようにすると、被検物表面の不純物等による測定ノイズを好適に排除してより正確な表面形状測定を行うことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、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含む被検物の一部の表面画像を撮像し、該表面画像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装置であって、前記被検物をその光軸を中心として回転可能に保持するスピンドル部と、前記干渉計の前記参照面を前記参照光の光軸上の異なる複数の位置に移動させる第１の移動機構と、前記干渉計からの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する位置に前記干渉計を移動する第２の移動機構と、ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、前記スピンドル部、前記第１の移動機構、前記第２の移動機構、および前記干渉計を制御して、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する制御部と、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて前記干渉縞の位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析部と、前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて、前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は前記被検物全体の表面形状データに統合するデータ統合部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の形状測定装置によれば、被検物の各領域における干渉縞を含む表面画像が、被検物が回転している間に断続的に取得されるので、参照面を何度も移動させる必要がなくなる。また、処理をより高速化することができる。さらに、被検物表面の不純物等による測定ノイズを好適に排除してより正確な表面形状測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の形状測定方法及び形状測定装置によれば、被検物の表面形状を短時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】同形状測定装置の干渉計が取付けられた研磨機を示す図である。
【図３】同形状測定装置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】図４における表面形状測定の手順を示すフローチャートである。
【図６】光学素子の各表面画像を取得する領域を示す図である。
【図７】（ａ）から（ｄ）は、それぞれ同領域における表面画像と指標形状を示す図である。
【図８】（ａ）は、部分表面形状データの一例を、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ同部分表面形状データに対する近似関数の当てはめの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１は、本発明の形状測定装置１を示す図である。形状測定装置１は、干渉計２と、干渉計２の取得画像を処理する画像処理部３とを備えて構成されている。干渉計２は公知のフィゾー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。
【００１７】
光源４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、参照球面（参照面）５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６を通過した干渉光Ｌ３は結像レンズ７によってＣＣＤ素子（画像変換光電素子、撮像部）８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。参照球面５には、参照球面５を参照光Ｌ２の光軸に沿って移動させるための移動機構５Ａが取り付けられている。移動機構５Ａとしては、ピエゾ素子等を採用することができる。
ＣＣＤ素子８によって取得された干渉縞を含む被検物Ｓの表面画像は画像処理部３に送られ、被検物Ｓの形状測定のために処理加工が行われる。画像処理部３の詳細な構成については後述する。
【００１８】
図２は、形状測定装置１が取付けられた光学素子ＳＢの研磨機（加工機）２０を示す図である。形状測定装置１の干渉計２は光学素子ＳＢを被検物として、研磨加工後の光学素子ＳＢの表面形状を測定し、当該測定結果を研磨機２０にフィードバックして再加工を行うために取付けられている。
【００１９】
研磨機２０は、スピンドル２１と研磨部（加工部）２２とを備えて構成されている。スピンドル２１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２１の軸線を通る回転軸２３は、モータ等の回転機構２４に接続されており、スピンドル２１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２１の軸線回りに回転させることができる。
【００２０】
研磨部２２は、光学素子ＳＢに対向する面に砥石２５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２２の砥石２５を光学素子ＳＢに接触させた状態でスピンドル２１を回転させることによって、スピンドル２１に固定された光学素子ＳＢに対して研磨加工が行われる。
【００２１】
干渉計２は、スピンドル２１の軸線に対して所定の角度（例えばδ）をなし、かつその光軸が光学素子ＳＢの曲率中心に向かうように配置されている。干渉計２には移動機構９が取付けられており、干渉計２を自身の軸線（物体光Ｌ１の光軸Ｘ１と同一）方向に進退させること、及び、上記角度δを変化させるように干渉計２を回動させることが可能となっている。
【００２２】
図３は、形状測定装置１及び研磨機２０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、画像処理部３は、光学素子ＳＢの表面形状データから後述する統合処理の指標となる形状を認識して抽出する指標形状抽出部１０と、干渉縞の位相解析を行って光学素子ＳＢの一部の表面形状データを取得する演算部（位相解析部）１１と、光学素子ＳＢの各部の表面形状データをつなぎ合わせて光学素子ＳＢ全体の表面形状データを得るデータ統合部１２とを備えている。
【００２３】
演算部１１は、ＣＣＤ素子８、指標形状抽出部１０及びデータ統合部１２と接続されている。また、各移動機構５Ａ、９、及び演算部１１は、形状測定装置１全体の制御を行う制御部１３に接続されている。
なお、画像処理部３及び制御部１３は、形状測定装置１の内部に設けられてもよいし、干渉計２と接続されたパソコン等の外部機器に設けられてもよい。
【００２４】
研磨機２０の研磨部２２及び回転機構２４は、研磨機２０の動作を制御する研磨機制御部２６に接続されている。研磨機制御部２６は、形状測定装置１の制御部１３と接続されており、形状測定装置１の測定結果を研磨機２０にフィードバック可能に構成されている。
【００２５】
上記のように構成された形状測定装置１及び研磨機２０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８（ｃ）を参照して以下に説明する。
【００２６】
図４は、研磨機２０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２１に固定された光学素子ＳＢに対して、研磨機制御部２６を介して研磨部２２の砥石２５を接触させ、回転機構２４によってスピンドル２１を回転させて光学素子ＳＢの表面加工を行う。加工終了後、形状測定装置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２６によって研磨部２２が退避させられる。そして、続くステップＳ２において、形状測定装置１を用いて光学素子ＳＢの表面形状が測定される。
【００２７】
図５は、ステップＳ２における表面形状測定の各工程を示すフローチャートである。本ステップで行われる形状測定方法は、干渉縞を含む光学素子ＳＢの一部の表面画像（以下、単に「表面画像」と称する。）を取得する干渉縞取得工程Ｓ１１と、複数の表面画像を用いて干渉縞の位相解析を行う位相解析工程Ｓ１２と、すべての画像を統合して光学素子ＳＢ全体の表面形状データを取得する統合工程Ｓ１３とを備えている。以下、各工程について図を参照して説明する。
【００２８】
まず、測定準備として、制御部１３は、移動機構５Ａにより参照球面５を、干渉縞を取得する参照球面５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９を介して干渉計２を、その光軸がスピンドル２１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２との距離が既定の位置になるように、移動機構９を介して干渉計２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６における最上部に位置する状態（開始位置）から表面画像の取得を開始する。
【００２９】
図６は、基準位置ＰＳが設定された光学素子ＳＢの表面を示す図である。本実施形態の測定方法においては、光学素子ＳＢの表面画像を、互いに重なり合う４つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に分割して取得し、位相解析によって各領域の表面形状データ（部分表面形状データ）を取得してから、後述する統合工程においてつなぎ合わせる（フィッティングする）ことによって光学素子ＳＢ全体の表面形状データ（全体表面形状データ）を取得する。
【００３０】
次に、ステップＳ１１の干渉縞取得工程において、制御部１３は、研磨機制御部２６を介して回転機構２４を駆動し、スピンドル２１を一定の速度、例えば毎分２０回転で回転させる。そして、図６に示すように、基準位置ＰＳが開始位置に移動した時点から、スピンドル２１の回転速度に基づき所定のサンプリング周期で、干渉計２を用いて各領域Ｒ１からＲ４における表面画像を取得する。このとき、参照球面５の位置は第１位置Ｐ１に固定される。
例えば、本実施形態において、各領域Ｒ１からＲ４は、光学素子ＳＢの回転角にして９０度ずつ異なっているので、光学素子が９０度回転する７５０ミリ秒（ｍｓ）のサンプリング周期で干渉縞を取得すればよい。このように、演算部１１は、光学素子ＳＢの回転速度と取得する表面画像の設定位置から必要なサンプリング周期を算出する。
【００３１】
具体的には、制御部１３は、光学素子ＳＢが１回転する回転開始３秒後に、表面画像の取得を開始する。まず、干渉計２の参照球面５の位置を第１位置Ｐ１に固定した状態で、ＣＣＤ素子８によって回転開始３秒後に図７（ａ）に示す領域Ｒ１の表面画像を取得し、光学素子ＳＢが９０度回転する７５０ｍｓ（所定時間）経過するごとに、図７（ｂ）、図７（ｃ）、及び図７（ｄ）にそれぞれ示す領域Ｒ２，Ｒ３、及びＲ４の表面画像を取得する。このとき、ＣＣＤ素子８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、より高速で画像を取得することができる。こうして、参照球面５が第１位置Ｐ１に位置するときの光学素子ＳＢの各領域Ｒ１ないしＲ４における表面画像（第１干渉縞）が連続的に取得される（第１工程）。
【００３２】
ここで干渉縞の取得は一旦休止され、スピンドル２１が空回りを行い、それにともなって、光学素子ＳＢも空回りする。その間に制御部１３は、移動機構５Ａのピエゾ素子に電圧を印加して、参照球面５を図１に示す光軸Ｘ１に沿って所定の距離だけ後退させ、第１位置と異なる第２位置Ｐ２に移動させて固定する。スピンドル２１の空回りは、移動機構５Ａによる参照球面５の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。
【００３３】
参照球面５が第２位置Ｐ２に固定された後、基準位置ＰＳが開始位置に移動する任意のタイミングから、再度表面画像の取得が開始される。そして上述した第１工程と同じ要領で、参照球面５が第２位置Ｐ２に位置するときの各領域Ｒ１ないしＲ４における表面画像（第２干渉縞）が連続的に取得される（第２工程）。
【００３４】
その後、同様の手順で、参照球面５は光軸Ｘ１に沿って移動され、第２位置Ｐ２と異なる第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、それぞれ連続的に取得される。すなわち、光学素子ＳＢ表面の表面画像は、各領域Ｒ１ないしＲ４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表面画像のデータは、逐次ＣＣＤ素子８から演算部１１に送られる。ここで干渉縞取得工程は終了し、工程はステップＳ１２に移行する。
【００３５】
ステップＳ１２の位相解析工程において、演算部１１は、特定の領域（例えば領域Ｒ１）について参照球面５を第１位置Ｐ１ないし第４位置Ｐ４に固定して取得した４つの補正後の表面画像を抽出し、これらの位相変化を解析して、光学素子ＳＢの当該領域における部分表面形状データを得る。演算部１１は同様の動作を、Ｒ１ないしＲ４のすべての領域において行って、各領域の部分表面形状データを得る。
【００３６】
ステップＳ１３の統合工程において、データ統合部１２は、ステップＳ１２で取得された各領域の表面形状データを、共通する指標形状Ｍを用いてつなぎ合わせて１つのデータに統合し、光学素子ＳＢの表面全体の形状データを取得する。
【００３７】
まず指標形状抽出部１０は、領域Ｒ１ないしＲ４の各表面形状データの中から任意の１領域を基準領域（フィッティング領域）として選択し、図６に示す４つの領域Ｒ１ないしＲ４すべてが重複する領域ＳＲ１の中から、公知の形状抽出方法等によって、フィッティングの指標となる指標形状Ｍを抽出する。したがって、指標形状Ｍは、図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、位置や向きが異なった状態で領域Ｒ１ないしＲ４すべての表面形状データに含まれている。抽出した指標形状Ｍの情報は、データ統合部１２に送信される。
【００３８】
指標形状Ｍとしては、例えば光学素子ＳＢ表面の微細な傷等を用いることができる。その形状について特に制限はないが、領域ＳＲ１内に偶然同一の形状が存在するとフィッティングが良好に行えなくなるので、特異的な形状であることが好ましい。また、回転に対して非対称である形状が設定されると、位置及び向きの両方のパラメータを用いて補正が行えるため好ましい。ユーザは、抽出する指標形状について、所望の条件を予めデータ統合部１２に設定しておく。
【００３９】
次に、データ統合部１２は、基準領域の表面形状データから指標形状Ｍの部分の表面形状データを取り出して、数１に示すＮＵＲＢＳ関数によるあてはめを行い、指標形状Ｍの表面形状データの近似曲面を示す曲線（近似曲線）を取得する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ＮＵＲＢＳ関数においては、ωの値を変更することによって座標ごとに重み付けをすることができる。そこで、ある座標の値が明らかに測定エラーや光学素子ＳＢの表面に付着したゴミ等による不正値であると判断できる場合は、当該座標に重み付けを与えない、あるいは他の座標よりも重み付けを小さくすることによって、より正確な近似曲線を得ることができる。
【００４２】
例えば、図８（ａ）に示す指標形状Ｍの表面形状のデータＤＭにおいて、点列データＣ１がゴミ等による不正値である場合、通常の多項式等を用いた当てはめでは、図８（ｂ）に示すように、点列データＣ１のノイズを含む近似曲線Ａ１が取得されるが、ＮＵＲＢＳ関数を用いると、図８（ｃ）に示すように、点列データＣ１の影響が排除され、あるいは補正された、より正確な近似曲線Ａ２を得ることができる。
不正値か否かの判断は、ユーザが表面形状データを見て逐次判断してもよいし、データ統合部１２に当該判断のための条件を与えて自動判別させてもよい。例えば、所定の範囲から外れる外れ値を不正値と判断する、あるいは、隣接する点列データ間の差が所定値以上のときに、点列データの平均値からより離れた点列データの方を不正値と判断するなどの条件が挙げられる。
【００４３】
指標形状Ｍの近似曲線を得たあと、残りの領域（被フィッティング領域）の表面形状データにおける指標形状Ｍの表面形状データを取り出し、近似曲線と当該表面形状データとの差の自乗和が最小となるように、最小自乗法によって、被フィッティング領域の補正量を算出する。補正量は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸それぞれに沿った平行移動量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚと、それぞれの軸周りのティルト量ｄａ、ｄｂ、ｄｃ、及び光軸方向のシフトに伴う拡大・縮小変形の相似倍率Ｐの７種類である。演算部１１は、上記の演算をすべての被フィッティング領域について行い、各被フィッティング領域の補正量を算出する。
【００４４】
補正量算出後、データ統合部１２は、各被フィッティング領域の表面形状データの全座標値を、補正量に基づいて変換し、基準として選択した領域の表面形状とフィッティングさせる。そして、すべての領域の表面形状データをつなぎ合わせて光学素子ＳＢの全体表面形状データを得る。こうしてステップＳ２の表面形状測定が終了する。取得された全体表面形状データは研磨機制御部２６に送られる。
【００４５】
ステップＳ３において、研磨機制御部２６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、形状測定装置１の制御部１３から送られた全体表面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Ｓ４に進み、研磨部２２の補正加工軌跡が、研磨機制御部２６によって当該全体表面形状データに基づいて設定される。
【００４６】
そして工程はステップＳ１に戻り、研磨機制御部２６は、研磨部２２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、再度形状測定装置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Ｓ３において「ＹＥＳ」の判定が出るまで繰り返される。
【００４７】
本実施形態の形状測定装置１によれば、光学素子ＳＢが一定の回転速度で回転されながら、ＣＣＤ素子８が所定間隔で断続的に表面画像を取得することによって、ロータリーエンコーダ等の機構を用いることなく光学素子ＳＢの所望の位置における表面画像が取得される。そして、演算部１１が取得された表面画像を用いた位相解析を行って光学素子ＳＢの部分表面形状データが取得される。さらに、データ統合部１２において各領域の測定結果がつなぎ合わされることによって、光学素子ＳＢの全体表面形状データが取得される。
したがって、各領域の表面画像を取得する度に、参照球面５を第１位置Ｐ１ないし第４位置Ｐ４の各位置に移動させる必要がないので、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。
【００４８】
また、被検物である光学素子ＳＢの回転角度量を検知するためのロータリーエンコーダ等の回転量検知機構を必要としないので、本実施形態のように、研磨機２０等の加工機に取付ける際も、当該機構を別途設置する必要がなく、加工機への組み込み汎用性が非常に高い形状測定装置を構成することができる。
【００４９】
また、光学素子ＳＢを、参照球面５を第１位置Ｐ１から第４位置Ｐ４の各位置に固定した状態においてそれぞれ１回転と、参照球面５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含む表面画像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。
【００５０】
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２１にサーボ機構を設ける必要がない。したがって、より広い範囲の加工機に適用することができる。
【００５１】
さらに、測定精度を高めたい場合は、ＣＣＤ素子８による表面画像のサンプリング周期を短くしてより多くの表面画像を取得するように調整するだけでよいため、測定時間を増加させることなく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８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。
【００５２】
また、ステップＳ１３の統合工程においては、データ統合部１２がＮＵＲＢＳ関数を用いて指標形状Ｍの表面形状データの近似曲線を取得し、当該近似曲線に基づいて各領域の表面形状データのフィッティングを行う。したがって、ゴミ等の不純物や測定エラーによる不正値を排除して、より正確な近似曲線に基づくフィッティングを行うことができ、精度の高い表面形状データを得ることができる。
【００５３】
本実施形態においては、基準として選択した領域の指標形状Ｍの表面形状データの近似曲線を取得し、被フィッティング領域の表面形状の点列データと最小自乗法によってフィッティングする例を説明したが、これに代えて、被フィッティング領域の指標形状Ｍの表面形状データについても同様の方法で近似曲線を取得し、相関係数を用いて両者のフィッティングを行ってもよい。
また、近似曲線を取得する際の座標の重み付けについては、特定の周波数に該当する座標の重みを重くしたり軽くしたりして変化させる、いわゆる周波数フィルタを用いて行ってもよい。
また、上述したＮＵＲＢＳ関数のメリットはなくなるものの、一般的な多項式等によって近似曲線を取得して、フィッティングを行ってもよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、すべての領域の表面形状データに対して共通の指標形状Ｍを使用してフィッティングを行う例を説明したが、これに代えて、各領域が隣接する領域との重畳部分でそれぞれ異なる任意の指標形状を抽出することによって、領域ごとに異なる指標形状を用いてフィッティングを行ってもよい。
【００５５】
このとき、時計回りあるいは反時計回りに順次隣接する領域をフィッティングし、最後の領域をフィッティングする際に、あわせて最初に基準とした領域に対しても補正量の算出を行い、検出された補正量の誤差に基づいて、すべてのフィッティングの補正を行うように演算部及びデータ統合部を設定してもよい。
【００５６】
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全体の表面形状データを取得することは困難である。
【００５７】
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９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Ｓ１５の統合工程と同様の処理によりすべての輪帯状領域の表面形状データを１つのデータに統合することによって、光学素子ＳＢ全体の表面形状データを取得する。
【００５８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、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。
【００５９】
例えば、上述の実施形態においては、フィゾー型の干渉計が用いられる例を説明したが、本発明は、参照面及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、トワイマングリーン型等の他の方式の干渉計を用いた形状測定装置にも適用することができる。
【００６０】
さらに、上述の実施形態においては、演算部１１が表面画像を取得するためのサンプリング周期を算出するとともに、位相解析を行う位相解析部としても機能する例を説明したが、これらの処理をそれぞれ異なる機構に分担させて、より高速の処理が可能となるように、本発明の形状測定装置が構成されても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１ 形状測定装置
２ 干渉計
４ 光源
５ 参照球面（参照面）
８ ＣＣＤ素子（撮像部）
１１ 演算部（位相解析部）
１２ データ統合部
Ｌ１ 物体光
Ｌ２ 参照光
Ｍ 指標形状
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置
Ｓ１２ 位相解析工程
Ｓ１３ 統合工程
ＳＢ 光学素子（被検物）
【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及び形状測定装置に関する。
【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形状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）。
測定結果をつなぎ合わせる方法としては、予め複数の測定領域を互いに重なり合うように設定し、重なり合う部分の一方の測定データと他方の測定データとの相関関数が最大値をとるように他方の測定データ全部を座標変換してフィッティングをする方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
上述の方法において、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５７０１６号公報
【特許文献２】特許第３１６２３５５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、縞走査のための干渉計の移動（最少３位置、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り、この事情は測定領域の分割数が増加するほど顕著になる。
【０００６】
また、複数の測定領域をつなぎ合わせる場合に特許文献２に記載の方法を使用すると、処理時間がかかるため高速測定に適さない。さらにノイズによる測定誤差の影響も受けやすいという問題がある。
【０００７】
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短時間で測定可能な形状測定方法及び形状測定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】
【０００８】
本発明の第１の態様は、光源から発する光を被検物に照射される物体光と基準とな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、ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程と、前記第１工程から前記第Ｎ工程を行った後に、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析工程と、前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様の形状測定方法によれば、被検物の各領域における干渉縞を含む表面画像が、被検物が回転している間に断続的に取得されるので、参照面を何度も移動させる必要がなくなる。
【００１０】
また、上記形状測定方法において、前記統合工程では、互いに重複領域を有する前記部分表面形状データのうちの一方に対して近似関数による当てはめを行って前記部分表面形状データのうちの一方の近似曲線を取得し、前記近似関数と前記部分表面形状データのうちの他方との差の自乗和が最小となるように前記部分表面形状データのうちの他方を座標変換して繋ぎ合わせることが好ましい。
この場合、処理をより高速化することができる。
【００１１】
さらに、これらのようにすると、被検物表面の不純物等による測定ノイズを好適に排除してより正確な表面形状測定を行うことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、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含む被検物の一部の表面画像を撮像し、該表面画像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装置であって、前記被検物をその光軸を中心として回転可能に保持するスピンドル部と、前記干渉計の前記参照面を前記参照光の光軸上の異なる複数の位置に移動させる第１の移動機構と、前記干渉計からの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する位置に前記干渉計を移動する第２の移動機構と、ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、前記スピンドル部、前記第１の移動機構、前記第２の移動機構、および前記干渉計を制御して、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する制御部と、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて前記干渉縞の位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析部と、前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて、前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は前記被検物全体の表面形状データに統合するデータ統合部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の形状測定装置によれば、被検物の各領域における干渉縞を含む表面画像が、被検物が回転している間に断続的に取得されるので、参照面を何度も移動させる必要がなくなる。また、処理をより高速化することができる。さらに、被検物表面の不純物等による測定ノイズを好適に排除してより正確な表面形状測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の形状測定方法及び形状測定装置によれば、被検物の表面形状を短時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】同形状測定装置の干渉計が取付けられた研磨機を示す図である。
【図３】同形状測定装置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】図４における表面形状測定の手順を示すフローチャートである。
【図６】光学素子の各表面画像を取得する領域を示す図である。
【図７】（ａ）から（ｄ）は、それぞれ同領域における表面画像と指標形状を示す図である。
【図８】（ａ）は、部分表面形状データの一例を、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ同部分表面形状データに対する近似関数の当てはめの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１は、本発明の形状測定装置１を示す図である。形状測定装置１は、干渉計２と、干渉計２の取得画像を処理する画像処理部３とを備えて構成されている。干渉計２は公知のフィゾー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。
【００１７】
光源４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、参照球面（参照面）５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６を通過した干渉光Ｌ３は結像レンズ７によってＣＣＤ素子（画像変換光電素子、撮像部）８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。参照球面５には、参照球面５を参照光Ｌ２の光軸に沿って移動させるための移動機構５Ａが取り付けられている。移動機構５Ａとしては、ピエゾ素子等を採用することができる。
ＣＣＤ素子８によって取得された干渉縞を含む被検物Ｓの表面画像は画像処理部３に送られ、被検物Ｓの形状測定のために処理加工が行われる。画像処理部３の詳細な構成については後述する。
【００１８】
図２は、形状測定装置１が取付けられた光学素子ＳＢの研磨機（加工機）２０を示す図である。形状測定装置１の干渉計２は光学素子ＳＢを被検物として、研磨加工後の光学素子ＳＢの表面形状を測定し、当該測定結果を研磨機２０にフィードバックして再加工を行うために取付けられている。
【００１９】
研磨機２０は、スピンドル２１と研磨部（加工部）２２とを備えて構成されている。スピンドル２１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２１の軸線を通る回転軸２３は、モータ等の回転機構２４に接続されており、スピンドル２１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２１の軸線回りに回転させることができる。
【００２０】
研磨部２２は、光学素子ＳＢに対向する面に砥石２５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２２の砥石２５を光学素子ＳＢに接触させた状態でスピンドル２１を回転させることによって、スピンドル２１に固定された光学素子ＳＢに対して研磨加工が行われる。
【００２１】
干渉計２は、スピンドル２１の軸線に対して所定の角度（例えばδ）をなし、かつその光軸が光学素子ＳＢの曲率中心に向かうように配置されている。干渉計２には移動機構９が取付けられており、干渉計２を自身の軸線（物体光Ｌ１の光軸Ｘ１と同一）方向に進退させること、及び、上記角度δを変化させるように干渉計２を回動させることが可能となっている。
【００２２】
図３は、形状測定装置１及び研磨機２０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、画像処理部３は、光学素子ＳＢの表面形状データから後述する統合処理の指標となる形状を認識して抽出する指標形状抽出部１０と、干渉縞の位相解析を行って光学素子ＳＢの一部の表面形状データを取得する演算部（位相解析部）１１と、光学素子ＳＢの各部の表面形状データをつなぎ合わせて光学素子ＳＢ全体の表面形状データを得るデータ統合部１２とを備えている。
【００２３】
演算部１１は、ＣＣＤ素子８、指標形状抽出部１０及びデータ統合部１２と接続されている。また、各移動機構５Ａ、９、及び演算部１１は、形状測定装置１全体の制御を行う制御部１３に接続されている。
なお、画像処理部３及び制御部１３は、形状測定装置１の内部に設けられてもよいし、干渉計２と接続されたパソコン等の外部機器に設けられてもよい。
【００２４】
研磨機２０の研磨部２２及び回転機構２４は、研磨機２０の動作を制御する研磨機制御部２６に接続されている。研磨機制御部２６は、形状測定装置１の制御部１３と接続されており、形状測定装置１の測定結果を研磨機２０にフィードバック可能に構成されている。
【００２５】
上記のように構成された形状測定装置１及び研磨機２０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８（ｃ）を参照して以下に説明する。
【００２６】
図４は、研磨機２０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２１に固定された光学素子ＳＢに対して、研磨機制御部２６を介して研磨部２２の砥石２５を接触させ、回転機構２４によってスピンドル２１を回転させて光学素子ＳＢの表面加工を行う。加工終了後、形状測定装置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２６によって研磨部２２が退避させられる。そして、続くステップＳ２において、形状測定装置１を用いて光学素子ＳＢの表面形状が測定される。
【００２７】
図５は、ステップＳ２における表面形状測定の各工程を示すフローチャートである。本ステップで行われる形状測定方法は、干渉縞を含む光学素子ＳＢの一部の表面画像（以下、単に「表面画像」と称する。）を取得する干渉縞取得工程Ｓ１１と、複数の表面画像を用いて干渉縞の位相解析を行う位相解析工程Ｓ１２と、すべての画像を統合して光学素子ＳＢ全体の表面形状データを取得する統合工程Ｓ１３とを備えている。以下、各工程について図を参照して説明する。
【００２８】
まず、測定準備として、制御部１３は、移動機構５Ａにより参照球面５を、干渉縞を取得する参照球面５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９を介して干渉計２を、その光軸がスピンドル２１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２との距離が既定の位置になるように、移動機構９を介して干渉計２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６における最上部に位置する状態（開始位置）から表面画像の取得を開始する。
【００２９】
図６は、基準位置ＰＳが設定された光学素子ＳＢの表面を示す図である。本実施形態の測定方法においては、光学素子ＳＢの表面画像を、互いに重なり合う４つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に分割して取得し、位相解析によって各領域の表面形状データ（部分表面形状データ）を取得してから、後述する統合工程においてつなぎ合わせる（フィッティングする）ことによって光学素子ＳＢ全体の表面形状データ（全体表面形状データ）を取得する。
【００３０】
次に、ステップＳ１１の干渉縞取得工程において、制御部１３は、研磨機制御部２６を介して回転機構２４を駆動し、スピンドル２１を一定の速度、例えば毎分２０回転で回転させる。そして、図６に示すように、基準位置ＰＳが開始位置に移動した時点から、スピンドル２１の回転速度に基づき所定のサンプリング周期で、干渉計２を用いて各領域Ｒ１からＲ４における表面画像を取得する。このとき、参照球面５の位置は第１位置Ｐ１に固定される。
例えば、本実施形態において、各領域Ｒ１からＲ４は、光学素子ＳＢの回転角にして９０度ずつ異なっているので、光学素子が９０度回転する７５０ミリ秒（ｍｓ）のサンプリング周期で干渉縞を取得すればよい。このように、演算部１１は、光学素子ＳＢの回転速度と取得する表面画像の設定位置から必要なサンプリング周期を算出する。
【００３１】
具体的には、制御部１３は、光学素子ＳＢが１回転する回転開始３秒後に、表面画像の取得を開始する。まず、干渉計２の参照球面５の位置を第１位置Ｐ１に固定した状態で、ＣＣＤ素子８によって回転開始３秒後に図７（ａ）に示す領域Ｒ１の表面画像を取得し、光学素子ＳＢが９０度回転する７５０ｍｓ（所定時間）経過するごとに、図７（ｂ）、図７（ｃ）、及び図７（ｄ）にそれぞれ示す領域Ｒ２，Ｒ３、及びＲ４の表面画像を取得する。このとき、ＣＣＤ素子８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、より高速で画像を取得することができる。こうして、参照球面５が第１位置Ｐ１に位置するときの光学素子ＳＢの各領域Ｒ１ないしＲ４における表面画像（第１干渉縞）が連続的に取得される（第１工程）。
【００３２】
ここで干渉縞の取得は一旦休止され、スピンドル２１が空回りを行い、それにともなって、光学素子ＳＢも空回りする。その間に制御部１３は、移動機構５Ａのピエゾ素子に電圧を印加して、参照球面５を図１に示す光軸Ｘ１に沿って所定の距離だけ後退させ、第１位置と異なる第２位置Ｐ２に移動させて固定する。スピンドル２１の空回りは、移動機構５Ａによる参照球面５の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。
【００３３】
参照球面５が第２位置Ｐ２に固定された後、基準位置ＰＳが開始位置に移動する任意のタイミングから、再度表面画像の取得が開始される。そして上述した第１工程と同じ要領で、参照球面５が第２位置Ｐ２に位置するときの各領域Ｒ１ないしＲ４における表面画像（第２干渉縞）が連続的に取得される（第２工程）。
【００３４】
その後、同様の手順で、参照球面５は光軸Ｘ１に沿って移動され、第２位置Ｐ２と異なる第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、それぞれ連続的に取得される。すなわち、光学素子ＳＢ表面の表面画像は、各領域Ｒ１ないしＲ４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表面画像のデータは、逐次ＣＣＤ素子８から演算部１１に送られる。ここで干渉縞取得工程は終了し、工程はステップＳ１２に移行する。
【００３５】
ステップＳ１２の位相解析工程において、演算部１１は、特定の領域（例えば領域Ｒ１）について参照球面５を第１位置Ｐ１ないし第４位置Ｐ４に固定して取得した４つの補正後の表面画像を抽出し、これらの位相変化を解析して、光学素子ＳＢの当該領域における部分表面形状データを得る。演算部１１は同様の動作を、Ｒ１ないしＲ４のすべての領域において行って、各領域の部分表面形状データを得る。
【００３６】
ステップＳ１３の統合工程において、データ統合部１２は、ステップＳ１２で取得された各領域の表面形状データを、共通する指標形状Ｍを用いてつなぎ合わせて１つのデータに統合し、光学素子ＳＢの表面全体の形状データを取得する。
【００３７】
まず指標形状抽出部１０は、領域Ｒ１ないしＲ４の各表面形状データの中から任意の１領域を基準領域（フィッティング領域）として選択し、図６に示す４つの領域Ｒ１ないしＲ４すべてが重複する領域ＳＲ１の中から、公知の形状抽出方法等によって、フィッティングの指標となる指標形状Ｍを抽出する。したがって、指標形状Ｍは、図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、位置や向きが異なった状態で領域Ｒ１ないしＲ４すべての表面形状データに含まれている。抽出した指標形状Ｍの情報は、データ統合部１２に送信される。
【００３８】
指標形状Ｍとしては、例えば光学素子ＳＢ表面の微細な傷等を用いることができる。その形状について特に制限はないが、領域ＳＲ１内に偶然同一の形状が存在するとフィッティングが良好に行えなくなるので、特異的な形状であることが好ましい。また、回転に対して非対称である形状が設定されると、位置及び向きの両方のパラメータを用いて補正が行えるため好ましい。ユーザは、抽出する指標形状について、所望の条件を予めデータ統合部１２に設定しておく。
【００３９】
次に、データ統合部１２は、基準領域の表面形状データから指標形状Ｍの部分の表面形状データを取り出して、数１に示すＮＵＲＢＳ関数によるあてはめを行い、指標形状Ｍの表面形状データの近似曲面を示す曲線（近似曲線）を取得する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ＮＵＲＢＳ関数においては、ωの値を変更することによって座標ごとに重み付けをすることができる。そこで、ある座標の値が明らかに測定エラーや光学素子ＳＢの表面に付着したゴミ等による不正値であると判断できる場合は、当該座標に重み付けを与えない、あるいは他の座標よりも重み付けを小さくすることによって、より正確な近似曲線を得ることができる。
【００４２】
例えば、図８（ａ）に示す指標形状Ｍの表面形状のデータＤＭにおいて、点列データＣ１がゴミ等による不正値である場合、通常の多項式等を用いた当てはめでは、図８（ｂ）に示すように、点列データＣ１のノイズを含む近似曲線Ａ１が取得されるが、ＮＵＲＢＳ関数を用いると、図８（ｃ）に示すように、点列データＣ１の影響が排除され、あるいは補正された、より正確な近似曲線Ａ２を得ることができる。
不正値か否かの判断は、ユーザが表面形状データを見て逐次判断してもよいし、データ統合部１２に当該判断のための条件を与えて自動判別させてもよい。例えば、所定の範囲から外れる外れ値を不正値と判断する、あるいは、隣接する点列データ間の差が所定値以上のときに、点列データの平均値からより離れた点列データの方を不正値と判断するなどの条件が挙げられる。
【００４３】
指標形状Ｍの近似曲線を得たあと、残りの領域（被フィッティング領域）の表面形状データにおける指標形状Ｍの表面形状データを取り出し、近似曲線と当該表面形状データとの差の自乗和が最小となるように、最小自乗法によって、被フィッティング領域の補正量を算出する。補正量は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸それぞれに沿った平行移動量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚと、それぞれの軸周りのティルト量ｄａ、ｄｂ、ｄｃ、及び光軸方向のシフトに伴う拡大・縮小変形の相似倍率Ｐの７種類である。演算部１１は、上記の演算をすべての被フィッティング領域について行い、各被フィッティング領域の補正量を算出する。
【００４４】
補正量算出後、データ統合部１２は、各被フィッティング領域の表面形状データの全座標値を、補正量に基づいて変換し、基準として選択した領域の表面形状とフィッティングさせる。そして、すべての領域の表面形状データをつなぎ合わせて光学素子ＳＢの全体表面形状データを得る。こうしてステップＳ２の表面形状測定が終了する。取得された全体表面形状データは研磨機制御部２６に送られる。
【００４５】
ステップＳ３において、研磨機制御部２６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、形状測定装置１の制御部１３から送られた全体表面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Ｓ４に進み、研磨部２２の補正加工軌跡が、研磨機制御部２６によって当該全体表面形状データに基づいて設定される。
【００４６】
そして工程はステップＳ１に戻り、研磨機制御部２６は、研磨部２２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、再度形状測定装置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Ｓ３において「ＹＥＳ」の判定が出るまで繰り返される。
【００４７】
本実施形態の形状測定装置１によれば、光学素子ＳＢが一定の回転速度で回転されながら、ＣＣＤ素子８が所定間隔で断続的に表面画像を取得することによって、ロータリーエンコーダ等の機構を用いることなく光学素子ＳＢの所望の位置における表面画像が取得される。そして、演算部１１が取得された表面画像を用いた位相解析を行って光学素子ＳＢの部分表面形状データが取得される。さらに、データ統合部１２において各領域の測定結果がつなぎ合わされることによって、光学素子ＳＢの全体表面形状データが取得される。
したがって、各領域の表面画像を取得する度に、参照球面５を第１位置Ｐ１ないし第４位置Ｐ４の各位置に移動させる必要がないので、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。
【００４８】
また、被検物である光学素子ＳＢの回転角度量を検知するためのロータリーエンコーダ等の回転量検知機構を必要としないので、本実施形態のように、研磨機２０等の加工機に取付ける際も、当該機構を別途設置する必要がなく、加工機への組み込み汎用性が非常に高い形状測定装置を構成することができる。
【００４９】
また、光学素子ＳＢを、参照球面５を第１位置Ｐ１から第４位置Ｐ４の各位置に固定した状態においてそれぞれ１回転と、参照球面５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含む表面画像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。
【００５０】
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２１にサーボ機構を設ける必要がない。したがって、より広い範囲の加工機に適用することができる。
【００５１】
さらに、測定精度を高めたい場合は、ＣＣＤ素子８による表面画像のサンプリング周期を短くしてより多くの表面画像を取得するように調整するだけでよいため、測定時間を増加させることなく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８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。
【００５２】
また、ステップＳ１３の統合工程においては、データ統合部１２がＮＵＲＢＳ関数を用いて指標形状Ｍの表面形状データの近似曲線を取得し、当該近似曲線に基づいて各領域の表面形状データのフィッティングを行う。したがって、ゴミ等の不純物や測定エラーによる不正値を排除して、より正確な近似曲線に基づくフィッティングを行うことができ、精度の高い表面形状データを得ることができる。
【００５３】
本実施形態においては、基準として選択した領域の指標形状Ｍの表面形状データの近似曲線を取得し、被フィッティング領域の表面形状の点列データと最小自乗法によってフィッティングする例を説明したが、これに代えて、被フィッティング領域の指標形状Ｍの表面形状データについても同様の方法で近似曲線を取得し、相関係数を用いて両者のフィッティングを行ってもよい。
また、近似曲線を取得する際の座標の重み付けについては、特定の周波数に該当する座標の重みを重くしたり軽くしたりして変化させる、いわゆる周波数フィルタを用いて行ってもよい。
また、上述したＮＵＲＢＳ関数のメリットはなくなるものの、一般的な多項式等によって近似曲線を取得して、フィッティングを行ってもよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、すべての領域の表面形状データに対して共通の指標形状Ｍを使用してフィッティングを行う例を説明したが、これに代えて、各領域が隣接する領域との重畳部分でそれぞれ異なる任意の指標形状を抽出することによって、領域ごとに異なる指標形状を用いてフィッティングを行ってもよい。
【００５５】
このとき、時計回りあるいは反時計回りに順次隣接する領域をフィッティングし、最後の領域をフィッティングする際に、あわせて最初に基準とした領域に対しても補正量の算出を行い、検出された補正量の誤差に基づいて、すべてのフィッティングの補正を行うように演算部及びデータ統合部を設定してもよい。
【００５６】
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全体の表面形状データを取得することは困難である。
【００５７】
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９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Ｓ１５の統合工程と同様の処理によりすべての輪帯状領域の表面形状データを１つのデータに統合することによって、光学素子ＳＢ全体の表面形状データを取得する。
【００５８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、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。
【００５９】
例えば、上述の実施形態においては、フィゾー型の干渉計が用いられる例を説明したが、本発明は、参照面及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、トワイマングリーン型等の他の方式の干渉計を用いた形状測定装置にも適用することができる。
【００６０】
さらに、上述の実施形態においては、演算部１１が表面画像を取得するためのサンプリング周期を算出するとともに、位相解析を行う位相解析部としても機能する例を説明したが、これらの処理をそれぞれ異なる機構に分担させて、より高速の処理が可能となるように、本発明の形状測定装置が構成されても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１ 形状測定装置
２ 干渉計
４ 光源
５ 参照球面（参照面）
８ ＣＣＤ素子（撮像部）
１１ 演算部（位相解析部）
１２ データ統合部
Ｌ１ 物体光
Ｌ２ 参照光
Ｍ 指標形状
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置
Ｓ１２ 位相解析工程
Ｓ１３ 統合工程
ＳＢ 光学素子（被検物）
【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基準とな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、
ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、
前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程と、
前記第１工程から前記第Ｎ工程を行った後に、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析工程と、
前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程と、
を備えることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記統合工程では、
互いに重複領域を有する前記部分表面形状データのうちの一方に対して近似関数による当てはめを行って前記部分表面形状データのうちの一方の近似曲線を取得し、
前記近似関数と前記部分表面形状データのうちの他方との差の自乗和が最小となるように前記部分表面形状データのうちの他方を座標変換して繋ぎ合わせる
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】
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含む被検物の一部の表面画像を撮像し、該表面画像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装置であって、
前記被検物をその光軸を中心として回転可能に保持するスピンドル部と、
前記干渉計の前記参照面を前記参照光の光軸上の異なる複数の位置に移動させる第１の移動機構と、
前記干渉計からの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する位置に前記干渉計を移動する第２の移動機構と、
ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、
前記スピンドル部、前記第１の移動機構、前記第２の移動機構、および前記干渉計を制御して、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する制御部と、
前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて前記干渉縞の位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析部と、
前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて、前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は前記被検物全体の表面形状データに統合するデータ統合部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【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基準とな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、
ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、
前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する第ｎ工程と、
前記第１工程から前記第Ｎ工程を行った後に、前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析工程と、
前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は全体の表面形状データを取得する統合工程と、
を備えることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記統合工程では、
互いに重複領域を有する前記部分表面形状データのうちの一方に対して近似関数による当てはめを行って前記部分表面形状データのうちの一方の近似曲線を取得し、
前記近似関数と前記部分表面形状データのうちの他方との差の自乗和が最小となるように前記部分表面形状データのうちの他方を座標変換して繋ぎ合わせる
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】
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含む被検物の一部の表面画像を撮像し、該表面画像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装置であって、
前記被検物をその光軸を中心として回転可能に保持するスピンドル部と、
前記干渉計の前記参照面を前記参照光の光軸上の異なる複数の位置に移動させる第１の移動機構と、
前記干渉計からの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する位置に前記干渉計を移動する第２の移動機構と、
ｎ＝１，２，…，Ｎ（ただし、Ｎは３以上の整数）とし、前記参照光の光軸上において異なるＮ個の位置を、第１位置、第２位置、…、第Ｎ位置と称するとき、
前記スピンドル部、前記第１の移動機構、前記第２の移動機構、および前記干渉計を制御して、前記参照面を前記第ｎ位置に固定し、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て、前記被検物をその光軸を中心に回転させながら、前記干渉縞を、前記被検物上で重複領域を有して隣接し合う複数の領域ごとに断続的に取得される複数の第ｎ干渉縞として取得する制御部と、
前記複数の領域のそれぞれに対応する前記第１干渉縞、前記第２干渉縞、…、第Ｎ干渉縞を用いて前記干渉縞の位相解析を行い、前記被検物の前記複数の領域におけるそれぞれの表面形状を示す部分表面形状データを取得する位相解析部と、
前記部分表面形状データを前記重複領域でつなぎ合わせて、前記被検物の表面形状の一部である輪帯状領域又は前記被検物全体の表面形状データに統合するデータ統合部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−５７６８８（Ｐ２０１３−５７６８８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８１２４９（Ｐ２０１２−２８１２４９）
【出願日】平成２４年１２月２５日（２０１２．１２．２５）
【分割の表示】特願２００８−１７０６９７（Ｐ２００８−１７０６９７）の分割
【原出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月２５日（２０１２．１２．２５）
【分割の表示】特願２００８−１７０６９７（Ｐ２００８−１７０６９７）の分割
【原出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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