測定装置
【課題】被測定面の形状を高精度に測定することができる技術を提供する。
【解決手段】被測定面の形状を測定する測定装置であって、前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、を有する。
【解決手段】被測定面の形状を測定する測定装置であって、前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定面の形状を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラーなどの被測定面にプローブを接触させながら、かかるプローブを駆動（走査）することで被測定面の形状を測定する測定装置が提案されている（特許文献１参照）。このような測定装置では、被測定面及びＸＹＺステージはベースに固定され、プローブはＸＹＺステージに取り付けられたプローブハウジングに保持されている。また、プローブハウジングには、ベースに対するプローブハウジングの位置及び姿勢を測定する第１干渉計、及び、プローブハウジングに対するプローブの位置及び姿勢を測定する第２干渉系が設けられている。そして、第１干渉計で測定されたベースに対するプローブハウジングの位置及び姿勢｛Ｐ｝と第２干渉計で測定されたプローブハウジングに対するプローブの位置及び姿勢｛Ｑ｝との和（｛Ｐ｝＋｛Ｑ｝）をベースに対するプローブの位置｛Ｒ｝として求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術から求まるプローブの位置｛Ｒ｝には、第１干渉計の測定誤差｛δＰ｝と第２干渉計の測定誤差｛δＱ｝とが誤差｛δＲ｝（＝δＰ＋δＲ）として含まれてしまうため、被測定面の形状を高精度に測定することができない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被測定面の形状を高精度に測定することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての測定装置は、被測定面の形状を測定する測定装置であって、前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第１部材と前記基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第２部材と前記プローブハウジングとの間の距離を測定することで前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、被測定面の形状を高精度に測定する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態における測定装置の構成を示す図である。
【図２】Ｚ１干渉計、Ｘ１干渉計、Ｘ２干渉計、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計として用いられる干渉計の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における測定装置の構成を示す図である。
【図４】ターゲットベースの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、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。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における測定装置１００の構成を示す図である。測定装置１００は、光学素子や金型などの被測定物の被測定面の形状（表面形状）を測定する３次元測定装置である。
【００１２】
測定装置１００では、図１に示すように、床１の上に除振台２が設けられ、除振台２の上にベース３が配置されている。これにより、床１の微小振動は減衰し、ベース３までは伝わらない。ベース３は、被測定物４を保持する保持面３ａを有する。また、ベース３には、被測定物４の被測定面４ａに対する位置及び姿勢が固定され、被測定面４ａの形状を測定するための基準となるＸ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー（不図示）及びＺ軸基準ミラー６が設けられている。本実施形態では、Ｘ軸基準ミラー５及びＹ軸基準ミラーのそれぞれは、被測定面４ａの形状を測定する際の水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の測定基準となり、Ｚ軸基準ミラー６は、被測定面４ａの形状を測定する際の鉛直方向（Ｚ軸方向）の測定基準となる。
【００１３】
測定装置１００は、プローブハウジング１２を駆動する駆動部として、Ｘステージ７、Ｙステージ８及びＺステージ９を有する。Ｘステージ７は、ベース３（保持面３ａ）の上に配置され、Ｘ軸方向に移動可能に構成されている。Ｙステージ８は、Ｘステージ７の上に配置され、Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。Ｚステージ９は、Ｙステージ８の上に配置され、Ｚ軸方向に移動可能に構成されている。Ｘステージ７、Ｙステージ８及びＺステージ９で構成される駆動部は、プローブハウジング１２（即ち、プローブハウジング１２が保持するプローブＰＢ）をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３次元方向に駆動することができる。
【００１４】
プローブＰＢは、プローブシャフト１０と、プローブシャフト１０の先端に設けられたプローブ球１１とを含む接触式プローブである。なお、接触式プローブは、触針、触針子、フィラーなどと呼ばれることもある。プローブ球１１は、被測定面４ａの形状を測定する際に、被測定面４ａに接触する接触部材である。プローブハウジング１２は、アーム１３を介して、Ｚステージ９に固定されている。プローブハウジング１２は、弾性部材１４及び１５を介して、プローブシャフト１０（プローブＰＢ）を保持する。弾性部材１４及び１５は、例えば、板バネで構成される。弾性部材１４及び１５を構成する板バネの剛性と間隔とを適当に選択することで、プローブＰＢのＺ軸並進方向、Ｘ軸周りの回転方向及びＹ軸周りの回転方向の剛性を低く、プローブＰＢのＸ軸並進方向及びＹ軸並進方向の剛性を高く設定することができる。
【００１５】
測定装置１００では、主に、２つの目的でプローブＰＢ（プローブ球１１）の位置を測定（特定）する。第１の目的は、被測定面４ａとプローブ球１１との相対的な位置関係から被測定面４ａの形状を算出するためである。第２の目的は、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力を保証するためである。例えば、プローブ球１１の接触力が変わると、プローブ球１１の変形量やプローブシャフト１０のたわみ量が変化して測定誤差が生じてしまう。
【００１６】
第１の目的に対して、本実施形態では、プローブハウジング１２に設けられた干渉計（第１距離測定部）を用いて、ベース３に設けられたＸ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６とプローブＰＢとの間の距離（第１距離）を測定する。また、第２の目的に対して、本実施形態では、プローブハウジング１２に設けられた変位計（第２距離測定部）を用いて、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離（第２距離）を測定する。測定装置１００は、従来技術と異なり、Ｘ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６に対するプローブＰＢの位置（基準ミラーとプローブとの間の距離）を直接測定しているため、プローブＰＢの位置を高精度に求めることができる。以下では、Ｘ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６とプローブＰＢとの間の距離の測定を「座標測定」と称し、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離の測定を「接触変位測定」と称する。
【００１７】
本実施形態では、ナノメートルオーダーの測定精度を有する干渉計（レーザ測長器）を用いて、座標測定を５軸測定で行う。これは、プローブ球１１の位置を干渉計で直接測定することは非常に困難であるため、アッベの条件を満たさないプローブシャフト１０の部分に設けた干渉計用ミラーの位置を測定する必要があるからである。但し、プローブシャフト１０が延在する方向、即ち、プローブＰＢの測定軸（プローブ軸、本実施形態では、Ｚ軸）周りの回転（θｚ）はプローブ球１１の位置を求める際に誤差にならないため、座標測定を６軸測定で行う必要はなく、５軸測定で行えばよい。
【００１８】
また、本実施形態では、マイクロメートルオーダーの測定精度（干渉計の測定精度よりも低い測定精度）を有する変位計（例えば、静電容量センサ）を用いて、接触変位測定を３軸測定で行う。測定装置１００では、プローブ球１１の接触変位が所定量になるように、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力を一定に制御する必要がある。上述したように、プローブ球１１の接触力が変わると、プローブ球１１の変形量やプローブシャフト１０のたわみ量が変化して測定誤差が生じてしまう。
【００１９】
例えば、長さ２０ｍｍ、直径１ｍｍの鉄製のプローブシャフトの先端に直径１ｍｍの鉄製のプローブ球を設け、かかるプローブ球を被測定面に０．３ｍＮの接触力で接触させる場合を考える。この場合、プローブ球１１の接触変位が所定量から１μｍずれたとすると、プローブ球の変形量の変化は０．２ｎｍ程度、プローブシャフトのたわみ量の変化は０．７ｎｍ程度であり、十分に小さい。従って、接触変位測定は、マイクロメートルオーダーの測定精度でよい。更に、プローブの回転中心を設定し、かかる回転中心をシミュレーションや原器測定による校正などで保証した上で３軸測定を行えば、マイクロメートルオーダーの測定精度を満たすことができるため、５軸測定を行う必要はない。
【００２０】
上述したように、測定装置１００は、座標測定によって、被測定面の形状の測定精度の高精度化を実現している。また、測定装置１００は、座標測定と接触変位測定とを独立して行うことで、接触変位測定で必要とする測定精度の緩和及び測定軸の低減を実現している。以下、測定装置１００における座標測定のための干渉計や接触変位測定のための変位計の具体的な構成について説明する。
【００２１】
プローブシャフト１０には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定するためのミラーキューブ（第１部材）１６及び１７が設けられている。ミラーキューブ１６は、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。また、ミラーキューブ１６には、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺターゲット１８、Ｘターゲット１９及びＹターゲット（不図示）が設けられている。なお、Ｚターゲット１８、Ｘターゲット１９及びＹターゲットのそれぞれは、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計（不図示）のターゲット（第２部材）として機能する。ミラーキューブ１７は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｘ２干渉計２２及びＹ２干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。
【００２２】
Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ１干渉計２０は、Ｚ軸基準ミラー６とミラーキューブ１６との間の距離を直接測定する。Ｘ１干渉計２１は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ１６との間の距離を直接測定し、Ｘ２干渉計２２は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ１７との間の距離を直接測定する。Ｙ１干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ１６との間の距離を直接測定し、Ｙ２干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ１７との間の距離を直接測定する。
【００２３】
このように、本実施形態では、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定する第１距離測定部として、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計を含む。Ｚ１干渉計２０は、プローブＰＢの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｘ１干渉計２１及びＸ２干渉計２２は、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として機能する。また、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計は、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として機能する。
【００２４】
Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ変位計２３は、プローブハウジング１２とＺターゲット１８との間の距離を測定する。Ｘ変位計２４は、プローブハウジング１２とＸターゲット１９との間の距離を測定する。Ｙ変位計は、プローブハウジング１２とＹターゲットとの間の距離を測定する。
【００２５】
このように、本実施形態では、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定する第２距離測定部として、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計を含む。Ｚ変位計２３は、第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｘ変位計２４は、第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った第２距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｙ変位計は、第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。
【００２６】
図２は、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計として用いられる干渉計２００の構成を示す図である。干渉計２００は、ヘテロダイン方式を採用したダブルパスタイプの干渉計である。
【００２７】
ヘテロダイン光源２０１は、周波数ｆのＰ偏光の光束（点線）と、周波数ｆからわずかにシフトした周波数ｆ’のＳ偏光の光束（実線）とを射出する。ヘテロダイン光源２０１から射出された各偏光の光束は、共通光路を通って偏光ビームスプリッタ２０２に導光される。
【００２８】
Ｐ偏光の光束は、偏光ビームスプリッタ２０２を透過し、コーナーキューブ２０３で反射され、偏光ビームスプリッタ２０２を再び透過して、参照光として射出する。
【００２９】
一方、Ｓ偏光の光束は、偏光ビームスプリッタ２０２で反射され、λ／４波長板２０４を透過して円偏光に変換され、ミラーキューブ２０６で反射されてλ／４波長板２０４を再び透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２０２を透過する。偏光ビームスプリッタ２０２を透過した光束は、λ／４波長板２０５を透過して円偏光に変換され、基準ミラー２０７で反射されてλ／４波長板２０５を再び透過してＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２０２で反射される。偏光ビームスプリッタ２０２を反射した光束は、コーナーキューブ２０３で反射され、偏光ビームスプリッタ２０２で再び反射され、同様に、ミラーキューブ２０６及び基準ミラー２０７で反射される。基準ミラー２０７を反射した光束は、偏光ビームスプリッタ２０２で反射され、被検光として射出する。
【００３０】
参照光と被検光とは干渉して干渉光を形成する。かかる干渉光は、検出器２０８によって、基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の相対距離情報を有する計測ビート信号として検出される。また、ヘテロダイン光源２０１では、図示しない検出器によって、基準ビート信号が検出される。このようにして検出された計測ビート信号及び基準ビート信号を用いて、解析部２０９は、基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の距離を算出する。
【００３１】
ここで、例えば、干渉計２００をＸ１干渉計２１に置き換えて考えると、基準ミラー２０７がＸ軸基準ミラー５に相当し、ミラーキューブ２０６がミラーキューブ１６に相当する。従って、Ｘ１干渉計２１がＸ軸基準ミラー５とミラーキューブ１６との間の距離（基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の距離に相当）を測定できることが理解されるであろう。なお、干渉計２００をＺ１干渉計２０、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計又はＹ２干渉計に置き換えて考えれば、Ｚ１干渉計２０、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計も同様に、各基準ミラーとミラーキューブとの間の距離を測定できることは言うまでもない。
【００３２】
処理部５０において、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計の出力（測定結果）からプローブ球１１の位置が特定される。例えば、Ｚ１干渉計２０の出力をｚ１、Ｘ１干渉計２１の出力をｘ１、Ｘ２干渉計２２の出力をｘ２、Ｙ１干渉計の出力をｙ１、Ｙ２干渉計の出力をｙ２とする。また、Ｘ１干渉計２１とＸ２干渉計２２とのＺ軸方向に沿った間隔、及び、Ｙ１干渉計とＹ２干渉計とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ１とし、Ｘ２干渉計２２とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ２とする。この場合、プローブＰＢの傾き（ωＸ、ωＹ）及びプローブ球１１の中心座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、以下の式で表される。
【００３３】
ωＸ＝（ｙ２−ｙ１）／Ｌ１
ωＹ＝（ｘ２−ｘ１）／Ｌ１
Ｘ＝ｘ１＋（ｘ２−ｘ１）×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
Ｙ＝ｙ１＋（ｙ２−ｙ１）×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
Ｚ＝ｚ１−（Ｌ１＋Ｌ２）×（１−ｃｏｓ（ωＸ））×（１−ｃｏｓ（ωＹ））
【００３４】
また、処理部５０では、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計の出力（測定結果）から、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力も算出される。例えば、プローブＰＢのＺ軸方向の剛性をＫｚ、プローブＰＢのＸ軸方向の剛性をＫｘ、プローブＰＢのＹ軸方向の剛性をＫｙとする。また、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させていないときの各変位計の出力に対して、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの各変位計の出力変化をΔで表すものとする。ここでは、Ｚ変位計２３の出力変化をΔｚｍ、Ｘ変位計２４の出力変化をΔｘｍ、Ｙ変位計の出力変化をΔｙｍとする。
【００３５】
Ｋｚに関しては、プローブ球１１に対してＺ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＺ軸方向の移動量ΔＺｍから求めることができる。Ｋｘに関しては、プローブ球１１に対してＸ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＸ軸方向の移動量ΔＸｍから求めることができる。Ｋｙに関しては、プローブ球１１に対してＹ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＹ軸方向の移動量ΔＹｍから求めることができる。
【００３６】
従って、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの接触力ベクトル｛Ｆｎ｝は、以下の式で表される。
｛Ｆｎ｝＝｛Ｋｘ×Δｘｍ、Ｋｙ×Δｙｍ、Ｋｚ×Δｚｍ｝
被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力の目標値をＦ０とすると、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝は、以下の式で表される。
｛Ｆ１｝＝（｜｛Ｆｎ｝｜−Ｆ０）×（｛Ｆｎ｝／｜｛Ｆｎ｝｜）
測定装置１００では、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝がゼロとなるように、被測定面４ａにプローブ球１１を接触させながらプローブＰＢを駆動（走査）する。これにより、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力（即ち、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）を一定にすることができる。
【００３７】
処理部５０は、各変位計で測定されるプローブハウジング１２と各ターゲットとの間の距離（プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）が一定距離となるように、プローブＰＢを保持するプローブハウジング１２を駆動させる。また、処理部５０は、各干渉計で測定される各基準ミラーと各ミラーキューブとの間の距離（各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離）から、上述したように、プローブ球１１の位置を特定する。そして、処理部５０は、特定したプローブ球１１の位置に基づいて、被測定面４ａの形状を算出する。なお、プローブ球１１の位置から被測定面４ａの形状を算出する方法には、当業界で周知のいかなる方法をも適用することができるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３８】
このように、本実施形態の測定装置１００は、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を直接測定しているため、プローブ球１１（プローブＰＢ）の位置を高精度に特定することが可能であり、被測定面４ａの形状を高精度に測定することができる。
【００３９】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態における測定装置１００Ａの構成を示す図である。測定装置１００Ａは、測定装置１００と同じ測定原理で構成されているが、干渉計や変位計の配置が異なる。測定装置１００Ａは、測定装置１００と比較して、プローブＰＢを保持する際の設計自由度の向上及びプローブＰＢの軽量化を実現している。
【００４０】
プローブシャフト１０には、ターゲットベース３０１が設けられている。図４は、ターゲットベース３０１の構成を示す図であって、ターゲットベース３０１をＺ軸方向から示している。ターゲットベース３０１には、図４に示すように、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定するためのミラーキューブ３０２が設けられている。ミラーキューブ３０２は、その中心がプローブＰＢの測定軸（プローブ軸）と一致し、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。また、ターゲットベース３０１には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、Ｚ２干渉計３０９及びＺ３干渉計（不図示）のそれぞれの干渉計用ミラーとして機能するＺ２ミラー３０３及びＺ３ミラー３０４が設けられている。Ｚ２ミラー３０３は、プローブＰＢの測定軸に対してＸ軸＋方向に配置され、Ｚ３ミラー３０４は、プローブＰＢの測定軸に対してＹ軸＋方向に配置されている。
【００４１】
また、ミラーキューブ３０２の上面には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺｍ１ターゲット３０５が設けられている。Ｚｍ１ターゲット３０５は、Ｚｍ１変位計３１０のターゲットとして機能する。また、ターゲットベース３０１には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺｍ２ターゲット３０６及びＺｍ３ターゲット３０７が設けられている。Ｚｍ２ターゲット３０６は、プローブＰＢの測定軸に対してＸ軸−方向に配置され、Ｚｍ２変位計３１１のターゲットとして機能する。Ｚｍ３ターゲット３０７は、プローブＰＢの測定軸に対してＹ軸−方向に配置され、Ｚｍ３変位計（不図示）のターゲットとして機能する。
【００４２】
Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ１干渉計２０は、Ｚ軸基準ミラー６とミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。Ｚ２干渉計３０９は、Ｚ軸基準ミラー６とＺ２ミラー３０３との間の距離を直接測定する。Ｚ３干渉計は、Ｚ軸基準ミラー６とＺ３ミラー３０４との間の距離を直接測定する。Ｘ１干渉計２１は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。Ｙ１干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。
【００４３】
このように、本実施形態では、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定する第１距離測定部として、Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計を含む。Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９及びＺ３干渉計は、プローブＰＢの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する３つの測定部として機能する。また、Ｘ１干渉計２１は、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｙ１干渉計は、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。
【００４４】
Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚｍ１変位計３１０は、プローブハウジング１２とＺｍ１ターゲット３０５との間の距離を測定する。Ｚｍ２変位計３１１は、プローブハウジング１２とＺｍ２ターゲット３０６との間の距離を測定する。Ｚｍ３変位計は、プローブハウジング１２とＺｍ３ターゲット３０７との間の距離を測定する。
【００４５】
このように、本実施形態では、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定する第２距離測定部として、Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計を含む。Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計は、第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する３つの測定部として機能する。
【００４６】
処理部５０において、Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計の出力（測定結果）からプローブ球１１の位置が特定される。例えば、Ｚ１干渉計２０の出力をｚ１、Ｚ２干渉計３０９の出力をｚ２、Ｚ３干渉計の出力をｚ３、Ｘ１干渉計２１の出力をｘ１、Ｙ１干渉計の出力をｙ１とする。また、Ｚ１干渉計２０とＺ２干渉計３０９とのＸ軸方向に沿った間隔、及び、Ｚ１干渉計２０とＺ３干渉計とのＹ軸方向に沿った間隔をＬ１とする。また、Ｘ１干渉計２２とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔、及び、Ｙ１干渉計とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ２とする。この場合、プローブＰＢの傾き（ωＸ、ωＹ）及びプローブ球１１の中心座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、以下の式で表される。
【００４７】
ωＸ＝（ｚ３−ｚ１）／Ｌ１
ωＹ＝（ｚ２−ｚ１）／Ｌ１
Ｘ＝ｘ１＋Ｌ２×ｔａｎ（ωＹ）
Ｙ＝ｙ１＋Ｌ２×ｔａｎ（ωＸ）
Ｚ＝ｚ１−Ｌ２×（１−ｃｏｓ（ωＸ））×（１−ｃｏｓ（ωＹ））
【００４８】
また、処理部５０では、Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計の出力（測定結果）から、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力も算出される。例えば、プローブＰＢのＺ軸方向の剛性をＫｚ、プローブＰＢのＸ軸方向の剛性をＫｘ、プローブＰＢのＹ軸方向の剛性をＫｙとする。また、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させていないときの各変位計の出力に対して、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの各変位計の出力変化をΔで表すものとする。ここでは、Ｚｍ１変位計３１０の出力変化をΔｚｍ１、Ｚｍ２変位計３１１の出力変化をΔｚｍ２、Ｚｍ３変位計の出力変化をΔｚｍ３とする。
【００４９】
Ｋｚに関しては、プローブ球１１に対してＺ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ１変位計３１０の出力変化から求めることができる。Ｋｘに関しては、プローブ球１１に対してＸ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ２変位計３１１の出力変化から求めることができる。Ｋｙに関しては、プローブ球１１に対してＹ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ３変位計の出力変化から求めることができる。
【００５０】
従って、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの接触力ベクトル｛Ｆｎ｝は、以下の式で表される。
｛Ｆｎ｝＝｛Ｋｘ×Δｚｍ２、Ｋｙ×Δｚｍ３、Ｋｚ×Δｚｍ１｝
被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力の目標値をＦ０とすると、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝は、以下の式で表される。
｛Ｆ１｝＝（｜｛Ｆｎ｝｜−Ｆ０）×（｛Ｆｎ｝／｜｛Ｆｎ｝｜）
測定装置１００Ａでは、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝がゼロとなるように、被測定面４ａにプローブ球１１を接触させながらプローブＰＢを駆動（走査）する。これにより、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力（即ち、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）を一定にすることができる。
【００５１】
処理部５０は、各変位計で測定されるプローブハウジング１２と各ターゲットとの間の距離（プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）が一定距離となるように、プローブＰＢを保持するプローブハウジング１２を駆動させる。また、処理部５０は、各干渉計で測定される各基準ミラーと各ミラーキューブとの間の距離（各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離）から、上述したように、プローブ球１１の位置を特定する。そして、処理部５０は、特定したプローブ球１１の位置に基づいて、被測定面４ａの形状を算出する。
【００５２】
このように、本実施形態の測定装置１００Ａは、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を直接測定しているため、プローブ球１１（プローブＰＢ）の位置を高精度に特定することが可能であり、被測定面４ａの形状を高精度に測定することができる。
【００５３】
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ないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、各基準ミラーとプローブとの間の距離を測定する干渉計の配置は、第１の実施形態に示す配置及び第２の実施形態に示す配置に限定されるものではない。具体的には、プローブの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として、Ｚ１干渉計及びＺ２干渉計を配置することも可能である。この場合には、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸）に沿った距離を測定する２つの測定部としてＸ１干渉計及びＸ２干渉計、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸）に沿った距離を測定する１つの測定部としてＹ１干渉計を配置すればよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定面の形状を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラーなどの被測定面にプローブを接触させながら、かかるプローブを駆動（走査）することで被測定面の形状を測定する測定装置が提案されている（特許文献１参照）。このような測定装置では、被測定面及びＸＹＺステージはベースに固定され、プローブはＸＹＺステージに取り付けられたプローブハウジングに保持されている。また、プローブハウジングには、ベースに対するプローブハウジングの位置及び姿勢を測定する第１干渉計、及び、プローブハウジングに対するプローブの位置及び姿勢を測定する第２干渉系が設けられている。そして、第１干渉計で測定されたベースに対するプローブハウジングの位置及び姿勢｛Ｐ｝と第２干渉計で測定されたプローブハウジングに対するプローブの位置及び姿勢｛Ｑ｝との和（｛Ｐ｝＋｛Ｑ｝）をベースに対するプローブの位置｛Ｒ｝として求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術から求まるプローブの位置｛Ｒ｝には、第１干渉計の測定誤差｛δＰ｝と第２干渉計の測定誤差｛δＱ｝とが誤差｛δＲ｝（＝δＰ＋δＲ）として含まれてしまうため、被測定面の形状を高精度に測定することができない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被測定面の形状を高精度に測定することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての測定装置は、被測定面の形状を測定する測定装置であって、前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第１部材と前記基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第２部材と前記プローブハウジングとの間の距離を測定することで前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、被測定面の形状を高精度に測定する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態における測定装置の構成を示す図である。
【図２】Ｚ１干渉計、Ｘ１干渉計、Ｘ２干渉計、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計として用いられる干渉計の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における測定装置の構成を示す図である。
【図４】ターゲットベースの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、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。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における測定装置１００の構成を示す図である。測定装置１００は、光学素子や金型などの被測定物の被測定面の形状（表面形状）を測定する３次元測定装置である。
【００１２】
測定装置１００では、図１に示すように、床１の上に除振台２が設けられ、除振台２の上にベース３が配置されている。これにより、床１の微小振動は減衰し、ベース３までは伝わらない。ベース３は、被測定物４を保持する保持面３ａを有する。また、ベース３には、被測定物４の被測定面４ａに対する位置及び姿勢が固定され、被測定面４ａの形状を測定するための基準となるＸ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー（不図示）及びＺ軸基準ミラー６が設けられている。本実施形態では、Ｘ軸基準ミラー５及びＹ軸基準ミラーのそれぞれは、被測定面４ａの形状を測定する際の水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の測定基準となり、Ｚ軸基準ミラー６は、被測定面４ａの形状を測定する際の鉛直方向（Ｚ軸方向）の測定基準となる。
【００１３】
測定装置１００は、プローブハウジング１２を駆動する駆動部として、Ｘステージ７、Ｙステージ８及びＺステージ９を有する。Ｘステージ７は、ベース３（保持面３ａ）の上に配置され、Ｘ軸方向に移動可能に構成されている。Ｙステージ８は、Ｘステージ７の上に配置され、Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。Ｚステージ９は、Ｙステージ８の上に配置され、Ｚ軸方向に移動可能に構成されている。Ｘステージ７、Ｙステージ８及びＺステージ９で構成される駆動部は、プローブハウジング１２（即ち、プローブハウジング１２が保持するプローブＰＢ）をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３次元方向に駆動することができる。
【００１４】
プローブＰＢは、プローブシャフト１０と、プローブシャフト１０の先端に設けられたプローブ球１１とを含む接触式プローブである。なお、接触式プローブは、触針、触針子、フィラーなどと呼ばれることもある。プローブ球１１は、被測定面４ａの形状を測定する際に、被測定面４ａに接触する接触部材である。プローブハウジング１２は、アーム１３を介して、Ｚステージ９に固定されている。プローブハウジング１２は、弾性部材１４及び１５を介して、プローブシャフト１０（プローブＰＢ）を保持する。弾性部材１４及び１５は、例えば、板バネで構成される。弾性部材１４及び１５を構成する板バネの剛性と間隔とを適当に選択することで、プローブＰＢのＺ軸並進方向、Ｘ軸周りの回転方向及びＹ軸周りの回転方向の剛性を低く、プローブＰＢのＸ軸並進方向及びＹ軸並進方向の剛性を高く設定することができる。
【００１５】
測定装置１００では、主に、２つの目的でプローブＰＢ（プローブ球１１）の位置を測定（特定）する。第１の目的は、被測定面４ａとプローブ球１１との相対的な位置関係から被測定面４ａの形状を算出するためである。第２の目的は、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力を保証するためである。例えば、プローブ球１１の接触力が変わると、プローブ球１１の変形量やプローブシャフト１０のたわみ量が変化して測定誤差が生じてしまう。
【００１６】
第１の目的に対して、本実施形態では、プローブハウジング１２に設けられた干渉計（第１距離測定部）を用いて、ベース３に設けられたＸ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６とプローブＰＢとの間の距離（第１距離）を測定する。また、第２の目的に対して、本実施形態では、プローブハウジング１２に設けられた変位計（第２距離測定部）を用いて、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離（第２距離）を測定する。測定装置１００は、従来技術と異なり、Ｘ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６に対するプローブＰＢの位置（基準ミラーとプローブとの間の距離）を直接測定しているため、プローブＰＢの位置を高精度に求めることができる。以下では、Ｘ軸基準ミラー５、Ｙ軸基準ミラー及びＺ軸基準ミラー６とプローブＰＢとの間の距離の測定を「座標測定」と称し、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離の測定を「接触変位測定」と称する。
【００１７】
本実施形態では、ナノメートルオーダーの測定精度を有する干渉計（レーザ測長器）を用いて、座標測定を５軸測定で行う。これは、プローブ球１１の位置を干渉計で直接測定することは非常に困難であるため、アッベの条件を満たさないプローブシャフト１０の部分に設けた干渉計用ミラーの位置を測定する必要があるからである。但し、プローブシャフト１０が延在する方向、即ち、プローブＰＢの測定軸（プローブ軸、本実施形態では、Ｚ軸）周りの回転（θｚ）はプローブ球１１の位置を求める際に誤差にならないため、座標測定を６軸測定で行う必要はなく、５軸測定で行えばよい。
【００１８】
また、本実施形態では、マイクロメートルオーダーの測定精度（干渉計の測定精度よりも低い測定精度）を有する変位計（例えば、静電容量センサ）を用いて、接触変位測定を３軸測定で行う。測定装置１００では、プローブ球１１の接触変位が所定量になるように、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力を一定に制御する必要がある。上述したように、プローブ球１１の接触力が変わると、プローブ球１１の変形量やプローブシャフト１０のたわみ量が変化して測定誤差が生じてしまう。
【００１９】
例えば、長さ２０ｍｍ、直径１ｍｍの鉄製のプローブシャフトの先端に直径１ｍｍの鉄製のプローブ球を設け、かかるプローブ球を被測定面に０．３ｍＮの接触力で接触させる場合を考える。この場合、プローブ球１１の接触変位が所定量から１μｍずれたとすると、プローブ球の変形量の変化は０．２ｎｍ程度、プローブシャフトのたわみ量の変化は０．７ｎｍ程度であり、十分に小さい。従って、接触変位測定は、マイクロメートルオーダーの測定精度でよい。更に、プローブの回転中心を設定し、かかる回転中心をシミュレーションや原器測定による校正などで保証した上で３軸測定を行えば、マイクロメートルオーダーの測定精度を満たすことができるため、５軸測定を行う必要はない。
【００２０】
上述したように、測定装置１００は、座標測定によって、被測定面の形状の測定精度の高精度化を実現している。また、測定装置１００は、座標測定と接触変位測定とを独立して行うことで、接触変位測定で必要とする測定精度の緩和及び測定軸の低減を実現している。以下、測定装置１００における座標測定のための干渉計や接触変位測定のための変位計の具体的な構成について説明する。
【００２１】
プローブシャフト１０には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定するためのミラーキューブ（第１部材）１６及び１７が設けられている。ミラーキューブ１６は、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。また、ミラーキューブ１６には、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺターゲット１８、Ｘターゲット１９及びＹターゲット（不図示）が設けられている。なお、Ｚターゲット１８、Ｘターゲット１９及びＹターゲットのそれぞれは、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計（不図示）のターゲット（第２部材）として機能する。ミラーキューブ１７は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｘ２干渉計２２及びＹ２干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。
【００２２】
Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ１干渉計２０は、Ｚ軸基準ミラー６とミラーキューブ１６との間の距離を直接測定する。Ｘ１干渉計２１は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ１６との間の距離を直接測定し、Ｘ２干渉計２２は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ１７との間の距離を直接測定する。Ｙ１干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ１６との間の距離を直接測定し、Ｙ２干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ１７との間の距離を直接測定する。
【００２３】
このように、本実施形態では、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定する第１距離測定部として、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計を含む。Ｚ１干渉計２０は、プローブＰＢの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｘ１干渉計２１及びＸ２干渉計２２は、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として機能する。また、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計は、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として機能する。
【００２４】
Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ変位計２３は、プローブハウジング１２とＺターゲット１８との間の距離を測定する。Ｘ変位計２４は、プローブハウジング１２とＸターゲット１９との間の距離を測定する。Ｙ変位計は、プローブハウジング１２とＹターゲットとの間の距離を測定する。
【００２５】
このように、本実施形態では、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定する第２距離測定部として、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計を含む。Ｚ変位計２３は、第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｘ変位計２４は、第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った第２距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｙ変位計は、第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。
【００２６】
図２は、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計として用いられる干渉計２００の構成を示す図である。干渉計２００は、ヘテロダイン方式を採用したダブルパスタイプの干渉計である。
【００２７】
ヘテロダイン光源２０１は、周波数ｆのＰ偏光の光束（点線）と、周波数ｆからわずかにシフトした周波数ｆ’のＳ偏光の光束（実線）とを射出する。ヘテロダイン光源２０１から射出された各偏光の光束は、共通光路を通って偏光ビームスプリッタ２０２に導光される。
【００２８】
Ｐ偏光の光束は、偏光ビームスプリッタ２０２を透過し、コーナーキューブ２０３で反射され、偏光ビームスプリッタ２０２を再び透過して、参照光として射出する。
【００２９】
一方、Ｓ偏光の光束は、偏光ビームスプリッタ２０２で反射され、λ／４波長板２０４を透過して円偏光に変換され、ミラーキューブ２０６で反射されてλ／４波長板２０４を再び透過してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２０２を透過する。偏光ビームスプリッタ２０２を透過した光束は、λ／４波長板２０５を透過して円偏光に変換され、基準ミラー２０７で反射されてλ／４波長板２０５を再び透過してＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２０２で反射される。偏光ビームスプリッタ２０２を反射した光束は、コーナーキューブ２０３で反射され、偏光ビームスプリッタ２０２で再び反射され、同様に、ミラーキューブ２０６及び基準ミラー２０７で反射される。基準ミラー２０７を反射した光束は、偏光ビームスプリッタ２０２で反射され、被検光として射出する。
【００３０】
参照光と被検光とは干渉して干渉光を形成する。かかる干渉光は、検出器２０８によって、基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の相対距離情報を有する計測ビート信号として検出される。また、ヘテロダイン光源２０１では、図示しない検出器によって、基準ビート信号が検出される。このようにして検出された計測ビート信号及び基準ビート信号を用いて、解析部２０９は、基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の距離を算出する。
【００３１】
ここで、例えば、干渉計２００をＸ１干渉計２１に置き換えて考えると、基準ミラー２０７がＸ軸基準ミラー５に相当し、ミラーキューブ２０６がミラーキューブ１６に相当する。従って、Ｘ１干渉計２１がＸ軸基準ミラー５とミラーキューブ１６との間の距離（基準ミラー２０７とミラーキューブ２０６との間の距離に相当）を測定できることが理解されるであろう。なお、干渉計２００をＺ１干渉計２０、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計又はＹ２干渉計に置き換えて考えれば、Ｚ１干渉計２０、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計も同様に、各基準ミラーとミラーキューブとの間の距離を測定できることは言うまでもない。
【００３２】
処理部５０において、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１、Ｘ２干渉計２２、Ｙ１干渉計及びＹ２干渉計の出力（測定結果）からプローブ球１１の位置が特定される。例えば、Ｚ１干渉計２０の出力をｚ１、Ｘ１干渉計２１の出力をｘ１、Ｘ２干渉計２２の出力をｘ２、Ｙ１干渉計の出力をｙ１、Ｙ２干渉計の出力をｙ２とする。また、Ｘ１干渉計２１とＸ２干渉計２２とのＺ軸方向に沿った間隔、及び、Ｙ１干渉計とＹ２干渉計とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ１とし、Ｘ２干渉計２２とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ２とする。この場合、プローブＰＢの傾き（ωＸ、ωＹ）及びプローブ球１１の中心座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、以下の式で表される。
【００３３】
ωＸ＝（ｙ２−ｙ１）／Ｌ１
ωＹ＝（ｘ２−ｘ１）／Ｌ１
Ｘ＝ｘ１＋（ｘ２−ｘ１）×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
Ｙ＝ｙ１＋（ｙ２−ｙ１）×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
Ｚ＝ｚ１−（Ｌ１＋Ｌ２）×（１−ｃｏｓ（ωＸ））×（１−ｃｏｓ（ωＹ））
【００３４】
また、処理部５０では、Ｚ変位計２３、Ｘ変位計２４及びＹ変位計の出力（測定結果）から、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力も算出される。例えば、プローブＰＢのＺ軸方向の剛性をＫｚ、プローブＰＢのＸ軸方向の剛性をＫｘ、プローブＰＢのＹ軸方向の剛性をＫｙとする。また、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させていないときの各変位計の出力に対して、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの各変位計の出力変化をΔで表すものとする。ここでは、Ｚ変位計２３の出力変化をΔｚｍ、Ｘ変位計２４の出力変化をΔｘｍ、Ｙ変位計の出力変化をΔｙｍとする。
【００３５】
Ｋｚに関しては、プローブ球１１に対してＺ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＺ軸方向の移動量ΔＺｍから求めることができる。Ｋｘに関しては、プローブ球１１に対してＸ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＸ軸方向の移動量ΔＸｍから求めることができる。Ｋｙに関しては、プローブ球１１に対してＹ軸方向に既知の力を加えたときのプローブ球１１（プローブＰＢ）のＹ軸方向の移動量ΔＹｍから求めることができる。
【００３６】
従って、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの接触力ベクトル｛Ｆｎ｝は、以下の式で表される。
｛Ｆｎ｝＝｛Ｋｘ×Δｘｍ、Ｋｙ×Δｙｍ、Ｋｚ×Δｚｍ｝
被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力の目標値をＦ０とすると、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝は、以下の式で表される。
｛Ｆ１｝＝（｜｛Ｆｎ｝｜−Ｆ０）×（｛Ｆｎ｝／｜｛Ｆｎ｝｜）
測定装置１００では、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝がゼロとなるように、被測定面４ａにプローブ球１１を接触させながらプローブＰＢを駆動（走査）する。これにより、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力（即ち、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）を一定にすることができる。
【００３７】
処理部５０は、各変位計で測定されるプローブハウジング１２と各ターゲットとの間の距離（プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）が一定距離となるように、プローブＰＢを保持するプローブハウジング１２を駆動させる。また、処理部５０は、各干渉計で測定される各基準ミラーと各ミラーキューブとの間の距離（各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離）から、上述したように、プローブ球１１の位置を特定する。そして、処理部５０は、特定したプローブ球１１の位置に基づいて、被測定面４ａの形状を算出する。なお、プローブ球１１の位置から被測定面４ａの形状を算出する方法には、当業界で周知のいかなる方法をも適用することができるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３８】
このように、本実施形態の測定装置１００は、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を直接測定しているため、プローブ球１１（プローブＰＢ）の位置を高精度に特定することが可能であり、被測定面４ａの形状を高精度に測定することができる。
【００３９】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態における測定装置１００Ａの構成を示す図である。測定装置１００Ａは、測定装置１００と同じ測定原理で構成されているが、干渉計や変位計の配置が異なる。測定装置１００Ａは、測定装置１００と比較して、プローブＰＢを保持する際の設計自由度の向上及びプローブＰＢの軽量化を実現している。
【００４０】
プローブシャフト１０には、ターゲットベース３０１が設けられている。図４は、ターゲットベース３０１の構成を示す図であって、ターゲットベース３０１をＺ軸方向から示している。ターゲットベース３０１には、図４に示すように、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定するためのミラーキューブ３０２が設けられている。ミラーキューブ３０２は、その中心がプローブＰＢの測定軸（プローブ軸）と一致し、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに、Ｚ１干渉計２０、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計（不図示）の干渉計用ミラーとして機能するミラー面（反射面）を有する。また、ターゲットベース３０１には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、Ｚ２干渉計３０９及びＺ３干渉計（不図示）のそれぞれの干渉計用ミラーとして機能するＺ２ミラー３０３及びＺ３ミラー３０４が設けられている。Ｚ２ミラー３０３は、プローブＰＢの測定軸に対してＸ軸＋方向に配置され、Ｚ３ミラー３０４は、プローブＰＢの測定軸に対してＹ軸＋方向に配置されている。
【００４１】
また、ミラーキューブ３０２の上面には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺｍ１ターゲット３０５が設けられている。Ｚｍ１ターゲット３０５は、Ｚｍ１変位計３１０のターゲットとして機能する。また、ターゲットベース３０１には、プローブＰＢに対する位置及び姿勢が固定され、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定するためのＺｍ２ターゲット３０６及びＺｍ３ターゲット３０７が設けられている。Ｚｍ２ターゲット３０６は、プローブＰＢの測定軸に対してＸ軸−方向に配置され、Ｚｍ２変位計３１１のターゲットとして機能する。Ｚｍ３ターゲット３０７は、プローブＰＢの測定軸に対してＹ軸−方向に配置され、Ｚｍ３変位計（不図示）のターゲットとして機能する。
【００４２】
Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚ１干渉計２０は、Ｚ軸基準ミラー６とミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。Ｚ２干渉計３０９は、Ｚ軸基準ミラー６とＺ２ミラー３０３との間の距離を直接測定する。Ｚ３干渉計は、Ｚ軸基準ミラー６とＺ３ミラー３０４との間の距離を直接測定する。Ｘ１干渉計２１は、Ｘ軸基準ミラー５とミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。Ｙ１干渉計は、Ｙ軸基準ミラーとミラーキューブ３０２との間の距離を直接測定する。
【００４３】
このように、本実施形態では、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を測定する第１距離測定部として、Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計を含む。Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９及びＺ３干渉計は、プローブＰＢの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する３つの測定部として機能する。また、Ｘ１干渉計２１は、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。また、Ｙ１干渉計は、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸方向）に沿った距離を測定する１つの測定部として機能する。
【００４４】
Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計は、プローブハウジング１２に保持（固定）される。Ｚｍ１変位計３１０は、プローブハウジング１２とＺｍ１ターゲット３０５との間の距離を測定する。Ｚｍ２変位計３１１は、プローブハウジング１２とＺｍ２ターゲット３０６との間の距離を測定する。Ｚｍ３変位計は、プローブハウジング１２とＺｍ３ターゲット３０７との間の距離を測定する。
【００４５】
このように、本実施形態では、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離を測定する第２距離測定部として、Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計を含む。Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計は、第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する３つの測定部として機能する。
【００４６】
処理部５０において、Ｚ１干渉計２０、Ｚ２干渉計３０９、Ｚ３干渉計、Ｘ１干渉計２１及びＹ１干渉計の出力（測定結果）からプローブ球１１の位置が特定される。例えば、Ｚ１干渉計２０の出力をｚ１、Ｚ２干渉計３０９の出力をｚ２、Ｚ３干渉計の出力をｚ３、Ｘ１干渉計２１の出力をｘ１、Ｙ１干渉計の出力をｙ１とする。また、Ｚ１干渉計２０とＺ２干渉計３０９とのＸ軸方向に沿った間隔、及び、Ｚ１干渉計２０とＺ３干渉計とのＹ軸方向に沿った間隔をＬ１とする。また、Ｘ１干渉計２２とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔、及び、Ｙ１干渉計とプローブ球１１とのＺ軸方向に沿った間隔をＬ２とする。この場合、プローブＰＢの傾き（ωＸ、ωＹ）及びプローブ球１１の中心座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、以下の式で表される。
【００４７】
ωＸ＝（ｚ３−ｚ１）／Ｌ１
ωＹ＝（ｚ２−ｚ１）／Ｌ１
Ｘ＝ｘ１＋Ｌ２×ｔａｎ（ωＹ）
Ｙ＝ｙ１＋Ｌ２×ｔａｎ（ωＸ）
Ｚ＝ｚ１−Ｌ２×（１−ｃｏｓ（ωＸ））×（１−ｃｏｓ（ωＹ））
【００４８】
また、処理部５０では、Ｚｍ１変位計３１０、Ｚｍ２変位計３１１及びＺｍ３変位計の出力（測定結果）から、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力も算出される。例えば、プローブＰＢのＺ軸方向の剛性をＫｚ、プローブＰＢのＸ軸方向の剛性をＫｘ、プローブＰＢのＹ軸方向の剛性をＫｙとする。また、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させていないときの各変位計の出力に対して、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの各変位計の出力変化をΔで表すものとする。ここでは、Ｚｍ１変位計３１０の出力変化をΔｚｍ１、Ｚｍ２変位計３１１の出力変化をΔｚｍ２、Ｚｍ３変位計の出力変化をΔｚｍ３とする。
【００４９】
Ｋｚに関しては、プローブ球１１に対してＺ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ１変位計３１０の出力変化から求めることができる。Ｋｘに関しては、プローブ球１１に対してＸ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ２変位計３１１の出力変化から求めることができる。Ｋｙに関しては、プローブ球１１に対してＹ軸方向に既知の力を加えたときのＺｍ３変位計の出力変化から求めることができる。
【００５０】
従って、プローブ球１１を被測定面４ａに接触させたときの接触力ベクトル｛Ｆｎ｝は、以下の式で表される。
｛Ｆｎ｝＝｛Ｋｘ×Δｚｍ２、Ｋｙ×Δｚｍ３、Ｋｚ×Δｚｍ１｝
被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力の目標値をＦ０とすると、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝は、以下の式で表される。
｛Ｆ１｝＝（｜｛Ｆｎ｝｜−Ｆ０）×（｛Ｆｎ｝／｜｛Ｆｎ｝｜）
測定装置１００Ａでは、接触力偏差ベクトル｛Ｆ１｝がゼロとなるように、被測定面４ａにプローブ球１１を接触させながらプローブＰＢを駆動（走査）する。これにより、被測定面４ａに対するプローブ球１１の接触力（即ち、プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）を一定にすることができる。
【００５１】
処理部５０は、各変位計で測定されるプローブハウジング１２と各ターゲットとの間の距離（プローブハウジング１２とプローブＰＢとの間の距離）が一定距離となるように、プローブＰＢを保持するプローブハウジング１２を駆動させる。また、処理部５０は、各干渉計で測定される各基準ミラーと各ミラーキューブとの間の距離（各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離）から、上述したように、プローブ球１１の位置を特定する。そして、処理部５０は、特定したプローブ球１１の位置に基づいて、被測定面４ａの形状を算出する。
【００５２】
このように、本実施形態の測定装置１００Ａは、各基準ミラーとプローブＰＢとの間の距離を直接測定しているため、プローブ球１１（プローブＰＢ）の位置を高精度に特定することが可能であり、被測定面４ａの形状を高精度に測定することができる。
【００５３】
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ないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、各基準ミラーとプローブとの間の距離を測定する干渉計の配置は、第１の実施形態に示す配置及び第２の実施形態に示す配置に限定されるものではない。具体的には、プローブの測定軸と平行な第１軸方向（Ｚ軸方向）に沿った距離を測定する２つの測定部として、Ｚ１干渉計及びＺ２干渉計を配置することも可能である。この場合には、第１軸方向に直交する第２軸方向（Ｘ軸）に沿った距離を測定する２つの測定部としてＸ１干渉計及びＸ２干渉計、第１軸方向及び第２軸方向に直交する第３軸方向（Ｙ軸）に沿った距離を測定する１つの測定部としてＹ１干渉計を配置すればよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面の形状を測定する測定装置であって、
前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、
前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、
前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第１部材と前記基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、
前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第２部材と前記プローブハウジングとの間の距離を測定することで前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、
前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記第１距離測定部は、前記第１距離を５軸測定することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、
前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第２軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第３軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する３つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する３つの測定部を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項５】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、
前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第２軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第３軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項６】
前記第２距離測定部は、前記第１距離測定部の測定精度よりも低い測定精度であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１】
被測定面の形状を測定する測定装置であって、
前記被測定面に接触する接触部材を含むプローブを保持するプローブハウジングと、
前記被測定面に対する位置及び姿勢が固定され、前記被測定面の形状を測定するための基準となる基準ミラーと、
前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第１部材と前記基準ミラーとの間の距離を測定することで前記基準ミラーと前記プローブとの間の第１距離を測定する第１距離測定部と、
前記プローブに対する位置及び姿勢が固定された第２部材と前記プローブハウジングとの間の距離を測定することで前記プローブハウジングと前記プローブとの間の第２距離を測定する第２距離測定部と、
前記第２距離測定部で測定される前記第２距離が一定距離となるように前記プローブハウジングを駆動させながら前記第１距離測定部で測定される前記第１距離から前記接触部材の位置を特定し、当該接触部材の位置に基づいて前記被測定面の形状を算出する処理部と、
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記第１距離測定部は、前記第１距離を５軸測定することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、
前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第２軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第３軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する３つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する３つの測定部を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項５】
前記第１距離測定部は、
前記プローブの測定軸と平行な第１軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向に直交する第２軸方向に沿った前記第１距離を測定する２つの測定部と、
前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に沿った前記第１距離を測定する１つの測定部と、
を含み、
前記第２距離測定部は、
前記第１軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第２軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
前記第３軸方向に沿った前記第２距離を測定する１つの測定部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項６】
前記第２距離測定部は、前記第１距離測定部の測定精度よりも低い測定精度であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３７６８６（Ｐ２０１２−２３７６８６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７６３８（Ｐ２０１１−１０７６３８）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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