JP3598983B2

JP3598983B2 - 超精密形状測定方法及びその装置

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Publication number: JP3598983B2
Application number: JP2001060997A
Authority: JP
Inventors: 勇藏森
Original assignee: 森勇蔵
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP2002257523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超精密形状測定方法及びその装置に係わり、更に詳しくは放射光やＸ線用の非球面高精度ミラー等の光学素子を含め高精度に加工された表面形状の計測評価に使用し、あるいは修正加工をする場合の理想形状からの偏差の測定に用いる超精密形状測定方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高精度に加工された表面形状を超精密に測定することは、超精密加工法の開発、超精密装置の高精度化にとって益々重要になってきている。特に、放射光やＸ線用の非球面高精度ミラー等の光学素子の場合、その反射面形状の理想形状からの偏差が装置システムの分解能、解像度、精度に大きく影響を及ぼすことになる。
【０００３】
従来、高精度加工表面の形状を測定する方法として、光干渉法が最も精度の高い測定方法として一般的に使用されている。しかし、この光干渉法では、比較となる基準面が必要であり、基準面以上の形状精度を持つ高精度表面の形状測定は不可能である。また、３次元座標測定器は、ステージの直線運動精度が測定精度を決めるが、一般的にリニアガイドはミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの精度が限界であるので、ナノメータオーダの形状測定には利用できない。
【０００４】
最近、シンクロトロン放射光を発生させる大型の加速器が各所で稼動している。シンクロトロン放射光は、その偏光性や平行性に優れ、特に非常に幅広い波長域において従来にない高い強度をもっており、工学分野での最先端の微細加工、分析等に利用され、医学分野でも治療に使用されるようになってきた。この放射光は、殆どの場合において放射光をそのまま使うのではなく、光学系で制御して使用している。そのため、放射光を有効に利用するためには、精度の高い集光ミラーが必要である。例えば、紫外線集光用ミラーは、１００ｍｍ角、曲率半径５６００ｍｍの溶融石英製凹面鏡で、表面粗さ１ｎｍ、形状精度１０ｎｍ／１００ｍｍが要求されている。ところが現在の最高水準のミラーを用いたとしても、その形状精度から、焦点位置が４０ｍｍの範囲に広がってしまい、放射光を十分に有効利用できてない。そのため、ミラーを更に高精度に加工する必要があるが、その前提として形状を超高精度に測定する必要がある。
【０００５】
本発明者らは、超高精度の加工法として、数値制御ＥＥＭ（ＥｌａｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ）を開発しており、加工域全体にわたって１０ｎｍ以下の精度で加工できる手法を提供している。また、前述の紫外線集光用ミラーの形状を高精度に測定をする手法も既に提案している。この形状測定法は、固定保持したミラーの理想的な曲率半径位置にレーザ光源、光検出器及び距離測定器を備えた測定系を、ＸＹＺステージと２軸ゴニオメータからなる駆動系上に配し、該光源から発したレーザ光をミラーの表面で反射させ、この反射光を光検出器で受光し、これを測定系の角度を変えてミラーの各点にわたり繰り返すものである。この際、ミラーの被測定面上の点への入射光とその点での反射光とが重なるように光源の位置、角度を調整するとともに、光源からのミラーの測定点までの距離を正確に一致させると、その点の法線ベクトルは光線のベクトルと等しくなるので、光線ベクトルを駆動系の調整量から正確に導出することで、ミラーの各点での法線ベクトルを割り出すことができる。この法線ベクトルから被測定面上の各点における傾きを求め、その間の傾きを補間した後、その傾きを積分することにより、被測定面の表面形状を求めるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の法線ベクトルを利用した形状測定法は、高精度な球面ミラーを固定した上で測定系を焦点近傍に配置し、該測定系のみを変位させて被測定面の各点の法線ベクトルを測定するものであり、そのため球面ミラー以外の被測定対象では測定系の直線変位距離が大きくなって位置精度が出せないので、実質的に高精度な球面ミラーのみしか測定できなかった。また、前述の球面ミラーでも曲率半径が５６００ｍｍであるので、該ミラーと測定系はそれだけ離した位置に精度良く設置しなければならず、そのため測定装置が大型になるとともに、ベース台の温度変化による伸縮等も考慮しなければならず、また数ｋｍの曲率半径を有するミラーの測定は事実上不可能であり、汎用的なものではなかった。
【０００７】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、任意の表面形状を有する被測定面形状を、光干渉法のような基準面を使用せずに、光路の安定性を利用し、高い精度で測定することができるとともに、装置を小型化することが可能な超精密形状測定方法及びその装置を提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、測定系と被測定物のそれぞれの基準位置を設定した後、測定系の光源から出射された収束光を被測定面上の各点へ照射し、その入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように測定系と被測定物の双方の位置と角度を微調整するとともに、光源から被測定面までの距離を測定し、測定系と被測定物の基準位置からの位置と角度の偏差から被測定物表面の各点における法線ベクトルを測定し、該法線ベクトルから表面の各点での傾きを算出するとともに、任意の点での傾きを補間し、その傾きを測定領域にわたって積分することによって表面形状を算出してなる超精密形状測定方法を確立した。
【０００９】
ここで、前記測定系と被測定物の微調整において、平行移動駆動を最小にし、主に回転駆動によって入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように微調整してなる請求項１記載の超精密形状測定方法。
【００１０】
また、本発明は、共通のベース台上に３軸のエンコーダ付き移動テーブルと２軸のエンコーダ付きゴニオメータからなる測定側駆動系と、少なくとも２軸のエンコーダ付きゴニオメータからなる被測定物側駆動系とを間隔を設けて配設し、前記測定側駆動系には光源、光軸位置検出器及び光源から被測定面までの距離を測定する測長器を備えた測定系が保持され、また前記被測定物側駆動系には試料ホルダーを介して被測定物が保持され、光源から出射された収束光を被測定面上の各点へ照射し、その入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように測定系と被測定物の双方の位置と角度を微調整し、前記各駆動系の制御機能を備えた演算装置が、各駆動系より各軸の基準位置からの偏差を取得するとともに、被測定面上の光の入射位置を算出し、被測定面の各点における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルから表面の各点での傾きを算出するとともに、任意の点での傾きを補間し、その傾きを測定領域にわたって積分して表面形状を算出してなる超精密形状測定装置を構成した。
【００１１】
ここで、前記光軸位置検出器として、４分割フォトダイオードを用いて、光軸の微小変位を検出してなることが好ましい。
【００１２】
また、前記測長器は、反射光を分割して方向を変えるハーフミラーと、シリンドリカルレンズと、４分割フォトダイオードからなる検出器で構成し、シリンドリカルレンズを通した光の光軸に直交する面のスポット形状が光軸に沿って変化する特性を使って、光源から被測定面までの距離が一定になるように、前記各駆動系を調整してなることも好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき更に詳細に説明する。本発明は、均一な屈折率の媒質中を通過する光の光路安定性を利用し、被測定面の各点の法線ベクトルを、各点での入射光と反射光とが重なるように調節することで測定し、各点の面の傾きを求め、それを補間し、積分することにより、表面形状を高精度で測定する方法である。
【００１４】
本発明に係る形状測定装置を図１〜図３に基づき以下に説明する。本形状測定装置は、共通のベース台１上に５軸の測定側駆動系２と少なくとも２軸の被測定物側駆動系３とを設け、前記測定側駆動系２には光源６、光軸位置検出器７及び光源６から被測定物８までの距離を測定する測長器９を備えた測定系４が保持され、また前記被測定物側駆動系３には試料ホルダー５を介して被測定物８が保持されている。測定側駆動系２は、３軸のエンコーダ付き移動テーブル１０（ｘ，ｙ，ｚ）と２軸のエンコーダ付きゴニオメータ１１（θ，φ）で構成されている。また、前記被測定物側駆動系３も同様に２軸のエンコーダ付きゴニオメータ１２（α，β）で構成されている。尚、本実施形態では、被測定物８の初期セッティングを容易にするために、前記ゴニオメータ１１は、前記同様な３軸のエンコーダ付き移動テーブル上に設けている。
【００１５】
横単一モード発振のＨｅ−Ｎｅレーザ１３から出射したレーザ光をオプチカルアイソレータを通過させた後、光ファイバー１４で導き、コリメーターレンズ１５で集光させ（開き角２３°）、集光点にピンホール１６を置いて光源６とした。ここで、法線ベクトル測定の座標系は，検出器７を原点とし、Ｘ軸回りをφ、Ｚ軸周りをθと定義した。前記ピンホール１６、コリメーターレンズ１５、光ファイバー１４は、Ｚ軸方向と光軸方向を一致させるため３点支持調整機構を介し、ピエゾアクチュエータとマイクロメータヘッドにより、Ｘ，Ｙ平面上で０．１μｍ以下の微調整が可能な２軸のテーブル上に固定されている（図示せず）。また、ピンホール位置のＺ方向の調整のためＸ，Ｙステージ全体が上下できるようにガイドレールを設け、手動で任意の位置に固定することができる（図示せず）。ビームスプリッター１７と１／４波長板１８は一体化し、Ｙ方向に正確に移動できるようにダブルＶ溝をガイドにした。また、１／４波長板１８は、偏向面を４５°回転させた位置で固定し、直線偏光の光を円偏光に変換する。
【００１６】
前記ピンホール１６から出た光は、ビームスプリッター１７により９０°曲げられ、１／４波長板１８を通過した後、集光レンズ１９を通る。集光レンズ１９は、Ｙ方向に調整できるようにガイドとスケールを設けた簡単に位置決めが行えるようにした。その後、被測定面２０で反射し、集光レンズ１９を通ってビームスプリッター１７を直進し、ハーフミラー２１を通り検出器７で受光することによって法線測定を行うのである。一方、ハーフミラーで２１分割された光は、シリンドリカルレンズ２２を通して検出器２３で受光され、ピンホール１６から被測定面２０までの距離の変化を測定する。尚、前記ピンホール１６と検出器７から被測定面２０までの光学的距離は正確に一致させている。ここで、前記光軸位置検出器７と検出器２３とは、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）を用いた。
【００１７】
検出器７から被測定面２０までの距離の変化を測定する検出器２３は、光軸をＺ軸方向へ配向させて測定系４に取り付けている。ビームスプリッター１７からのビームは、ハーフミラー２１により一方は検出器７へ、他方は検出器２３へ１：１で分割される。検出器２３側へ分割されたビームは、シリンドリカルレンズ２２を通って検出器２３上で結像される。検出器２３は、前記ピンホール１６の調整と同じ機構を有するＸ，Ｙ，Ｚ方向に調整できる機構と一体化したホルダーに装着している。検出器２３のＺ方向の調整は、リニアーガイドとマイクロメータヘッドにより位置決めできるようになっている。つまり、前記検出器２３とそれを微調整する機構を含めて測長器９を構成している。
【００１８】
本発明に係る形状測定装置は、均一な屈折率の一様媒質内における光路の安定性を利用するため、レーザのコントローラ２４を除き全体を恒温室２５内に置き、内部温度を±０．５℃以下に保ち、光路にわたって０．０２℃以下の温度安定性を確保している。更に、本実施形態では、光路に沿って熱伝導性の高い銅パイプ２６を配設している。
【００１９】
次に、本発明の形状測定原理を説明する。先ず、光源から出射された光線を被測定面２０のある点で反射させ、その点での入射光と反射光の光軸が重なるように、ＱＰＤ（検出器７）を使って光源６の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と角度（θ，φ）を調整すると、その点での被測定面２０の法線ベクトルは、入射光線のベクトルと一致する。このときの検出器７を原点とし、光線が入射した被測定面２０の点を基準位置とする。次に、測定系４の角度を僅かに角度を変化させて光線が入射する被測定面２０の点の位置を僅かにずらせる。この場合、被測定面２０で反射した反射光は入射光とは重ならず、僅かにずれるので、再度入射光と反射光の光軸が重なるように調整し、調整した（ｘ，ｙ，ｚ）と（θ，φ）の値から、新たな点での法線ベクトルが求まる。この操作を測定領域にわたって繰り返し実行し、被測定面２０の各点での法線ベクトルを測定する。また、光源６と被測定面２０までの距離が測定されていれば、法線ベクトルから被測定面２０の各点での傾きが求まり、適当な関数で補間した後、測定領域にわたって積分することで表面形状が測定できることになる。
【００２０】
更に詳しくは、図２に示すように、Ｐ（０，０，０）は最初の測定点とし、そのときの法線ベクトルと光線ベクトルが一致した時の光源６（実際は検出器７）の位置調整用座標系のＹ軸を一致させ、座標値をＯ（ｘ_０，ｙ_０、ｚ_０）、Ｘ軸回りとＺ軸回りの角度を（０，０）とする。点Ｐ′（ｘ，ｙ，ｚ）での測定におけるＯ′（ｘ_１，ｙ_１、ｚ_１）、（θ_１，φ_１）は、各ベクトルを一致させたときの光源位置及び角度を表している。このようにして、被測定面２０上の各点における面の傾きと光源位置を求める。しかし、この面の傾きは特定の点でしか測定されてないので、それを適当な関数、例えばスプライン関数で補間し、任意の点での面の傾きを計算できるようにし、その傾きを積分することにより、被測定面２０の表面形状をパーソナルコンピュータ等の演算装置で計算して求めるのである。ここで、光源６（検出器７）から被測定面２０までの距離が測定されていれば、あるいは基準座標を決めたときの光源６（検出器７）から被測定面２０までの距離を各測定において一定に保つことにより、光線が照射された被測定面２０上の測定点の座標が特定できる。本発明では、被測定面２０の測定点の位置の測定精度に対する要求は比較的低くても良く、１μｍ以下を確保できれば問題なく実施できる。また、ゴニオメータの各軸の精度は、１．８×１０^−７ｒａｄ以下の絶対精度を有することを確認している。
【００２１】
被測定面２０の法線ベクトルを測定する光学系を図３に示している。測定系における座標は、ビーム進行方向をＹ軸、水平及び垂直方向をＸ、Ｚ軸としている。直線偏光された平行光がピンホール１６を通ることによりフラウンフォーファー回折が起こり光が広がっていき、その後、ビームスプリッター１７で９０°曲げられ、円偏光に変換するための１／４波長板１８を通し、集光レンズ１９に達する。ピンホール１６から集光レンズ１９までの距離をａ′とする。集光レンズ１９を出た光は光路長ｂ＋２ｃのところで結像するように集光レンズ１９を配置するとともに、被測定面２０は、ｂ＋ｃの場所に配置する。被測定面２０で反射した光はｃ点で一端結像し、再び同じ集光レンズ１９を、１／４波長板１８を通って直線偏光に変換し、波面が９０°回転することにより、ビームスプリッター１７を直進して光位置検出器７上に結像させる。検出器７は、図４に示すように、４分割フォトダイオードで構成されＸ，Ｚ座標の各象限に分割セル７Ａ〜７Ｄを配置している。被測定面２０の法泉ベクトルが変化すると光てこの原理によって検出器７上のピンホール像の位置が変位する。ピンホール像のＸ，Ｚ方向の変位量に応じて各分割セル７Ａ〜７Ｄ毎に出力変化Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｄとして現れ、それぞれの加減算により水平，垂直方向の位置変化量としてＶ_１＝（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）−（Ｖ_Ｃ＋Ｖ_Ｄ）、Ｖ_２＝（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｄ）−（Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｃ）が得られる。法線ベクトルの変化量と検出器７上の位置変位量の関係は、ａ′，ａ，ｂ，ｃ，の値により決定される。法線ベクトルの測定分解能は，検出器７の位置変位検出感度によって決定される。検出器７だけの測定系だと被測定面２０のうねりや曲率を持った面を測定する場合、ピンホール１６から被測定面２０までの距離が変化して光てこのレバーアームが変化するとともに、結像位置が変化し、正確な法線ベクトルの測定ができない可能性がある。そこで、ピンホール１６から被測定面２０までの距離を正確に測定するための測長器９（検出器２３等）を使用する。
【００２２】
ピンホール１６から被測定面２０までの距離を正確に測定するためには、結像位置を測定する何らかの光の状態が変化するような光学系を用いれば良い。図５に結像位置を測定するための光学系を示している。図３に示すように、検出器７の前にハーフミラー２１を置いて光を分割させ、シリンドリカルレンズ２２を用いて結象させる。図５（ａ）に示すように、４分割フォトダイオードからなる検出器２３上では、被測定面２０までの距離が短くなれば、光の断面形状が垂直方向に長い楕円形状に、距離が長くなれば水平方向に長い楕円形状になり（図５（ｂ）参照）、検出器７と同じ方法で光の断面形状の変化、つまり結像位置の変化をＶ_３，Ｖ_４の変化として測定することができる。この検出器２３の場合、４分割フォトダイオードの配置はＸ，Ｚ軸に対して４５°傾ける必要がある。
【００２３】
結象位置の分解能は、図６に示す関係、つまり集光レンズ１９の焦点距離をｆ_１、シリンドリカルレンズ２２による焦点距離とｆ_１による焦点からの距離をせれぞれｆ_２、ｈとし、シリンドリカルレンズ２２による焦点の距離をｅ、シリンドリカルレンズ２２を通った光が真円になる場所からｆ_１による焦点位置への距離をｇとすると、次の数１の関係になる。
【００２４】
【数１】

【００２５】
また、ｂがΔｂだけ変化したときのΔｅ、Δｈは、次の数２で表される。
【００２６】
【数２】

【００２７】
そして、ｂがΔｂ変位した時、検出器２３上では像が真円にならず楕円になる。ｆ_２によって曲げられる方向と、ｆ_２に作用されない方向との光の形状の長さの比をＫとすれば、次の数３で表される。
【００２８】
【数３】

【００２９】
検出器２３上での形状変化、ΔＫ／Δｈは結像位置測定の感度を表し、ｆ_２を小さくすれば感度を大きくすることができる。
【００３０】
本発明は、被測定面の任意の点の法線の方向を超精密に測定し、その傾きを計算、補間し、次に積分することにより表面の形状を求めるものである。従って、被測定面の形状が任意の形状、例えば凹面、凸面、非球面、回転楕円体、トロイダル形状等の数式で表される形状だけでなく任意の形状で、尚且つ被測定面の大きさに関係なく測定できるのである。また、人工的に造られた基準面等を一切使用しない方法である。この測定精度は、法線の方向の測定精度が支配しているため、この法線方向の測定精度を向上させることにより、直径１００ｍｍの自由曲面を１ｎｍ以下の精度で測定することができる。
【００３１】
この測定方法を現実のものにするためには、屈折率のゆらぎの無い空間における光の光路の安定性を利用し、任意の座標点から出射した光線を被測定物の表面の任意の点で反射させ、反射光の位置が出射した座標点と同じ場所になるように、２軸のゴニオメータと３軸の移動テーブルを調整することにより行うことで、その点における法線を測定することができる。被測定物の形状で、例えば平面を測定する場合等、法線の方向がある方向に平行に近いような場合、３軸の移動テーブルの内のどれかの軸を被測定物の長さ分移動させなければならない。この場合、移動テーブルの精度が測定精度を悪化させる。幾何学的に移動できるテーブルは製作が不可能である。
【００３２】
そこで、入反射光路を同一化させる時に移動テーブルの移動量を最小限にするために、被測定物を光路と直角平面上で２軸回転を行えば高精度化を達成できる。また、被想定物の表面の曲率に応じて回転軸と被測定物の曲率半径を近づけることにより、殆ど測定系と試料系の合計４軸のゴニオメータの回転だけで入反射光路の同一化を達成することが可能となる。つまり、直線駆動よりも回転駆動の方が遥かに高い精度で制御でき、それを利用して測定精度を高めることが、本発明の基本原理である。
【００３３】
本発明は、人工的な基準面を使用することなく、光と光路の安定性を利用して、被測定物の表面の任意の点の法線を超精密に測定し、その点の傾きを計算、補間し積分することにより、どのような形状も超精密に測定する方法である。法線の超精密測定には、入反射同一光路による法線測定を行うことも本発明の特徴である。この測定方法は、４軸のゴニオメータと３軸の移動テーブルを使用することにより達成することができる。
【００３４】
次に、各種形状測定の手順を簡単に説明する。
【００３５】
（球面、凹面の形状測定）
先ず、試料をホルダーにセットして初期座標、即ち原点を決定する。それから、被測定面である球面の曲率中心に光源を配置する。光源から出射した光線を被測定面の原点で反射させ、反射光が出射した位置と同一になるように、測定系側の２軸のゴニオメータ（θ，φ）と３軸の移動テーブル（ｘ，ｙ，ｚ）を調整する。
【００３６】
次に、光源からの光線をある測定点に出射し、その時の被測定面の法線ベクトルと光線ベクトルが一致するように、２軸のゴニオメータ（θ，φ）と３軸の移動テーブル（ｘ，ｙ，ｚ）を調整する。このとき、被測定面と光源間の距離が変わらないように検出器２３を用い、法線ベクトルと光線ベクトルのずれ（入反射光を同一化）を調整するのは、検出器７を用いる。ずれを調整したときの苦言の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と角度（θ，φ）の値から、法線ベクトルを求める。
【００３７】
以上の操作を繰り返して、被測定面の任意の点での法線ベクトルを測定し，その点での被測定面の傾きを計算し、その傾きを補間し積分して表面形状を求めるのである。
【００３８】
図７は、被測定物８として球面ミラーを選んだ場合であり、図７（ａ）は初期座標を設定して測定系の光源６（検出器７）と被測定面２０の基準位置を決めた状態である。それから、図７（ｂ）に示すように、光源６から出射した入射光の角度をΔθだけ変化させると、反射光のスポット像は検出器２３上で変位する。それを光源６をＸ軸方向へΔｘだけ変位させるとともに、θ軸を微調整して検出器２３の中心に結像するように調整する。この場合、被測定面２０が球面であるので、その曲率中心に検出器２３を配置しておけば、検出器２３を平行移動させる距離は極僅かであるので、リニアガイドよる誤差は少なく、高精度に法線ベクトルを測定することができる。
【００３９】
（平面、非球面の形状測定）
前述の球面と同様に、試料をホルダーにセットして初期座標、即ち原点を決定する。
【００４０】
次に、被測定面の任意の点での法線ベクトルは、球面と同様に測定することはできるが、移動テーブル（ｘ，ｙ，ｚ）の移動量が大きくなり、平行移動テーブルの運動精度が、法線ベクトルの測定精度を悪くする。そこで、平行移動量を最小限にするために、被測定物駆動系に光軸と直角な２軸ゴニオメータ（α，β）を配置し、その上に設けたホルダーに試料をセットすれば、高精度な法線ベクトルの測定が実現できる。これは、平行移動よりも回転の方が精度を出しやすいからである。
【００４１】
また、任意の曲率を有する被測定物の場合は、被測定面の曲率に応じて、回転軸と被測定面までの距離を被測定面の曲率に近づけることで、平行移動テーブルを殆ど動かすことなく（θ，φ）、（α，β）の４軸のゴニオメータの回転だけで、入反射光路を一致させ、高精度に法線ベクトルを測定できる。その他は、前記同様である。
【００４２】
図８は、被測定物８として平面ミラーを選んだ場合であり、図８（ａ）は初期座標を決定した状態を示している。そして、図８（ｂ）は、被測定面２０の異なる点を照射する場合に、被測定物８を固定したまま測定系のみをＸ軸方向に変化させた場合を示している。この場合、Ｘ軸のリニアガイドに誤差が生じていると、光源６（検出器７）から出射した入射光は被測定面２０で反射され、その反射光は入射光とは異なる方向に向くので、それを検出器７の中心に正確に結像するようにθ軸をθ_ｅｒｒだけ調整することになるが、このθ_ｅｒｒが被測定面２０の偏差によるものなのか、Ｘ軸のリニアガイドの誤差によるものなのか判断できない。そこで、本発明では、先ず測定系を測定側駆動系２のθ軸を調整するとともに、被測定物８を被測定物側駆動系３のα軸を調整し、つまりこれら２軸を同じ角度αだけ変化させることにより、被測定面２０からの反射光は略正確に検出器７で受光でき、その僅かの中心からのずれをＸＹＺ軸のリニアガイドに沿って調整するのである。この場合は、測定系の調整における平行移動量は極僅かであるから、高精度に法線ベクトルを測定することができるのである。同様にして、本発明は、平面に限らず、非球面や楕円面、その他任意の表面を有する被測定物の形状を高精度に測定できるのである。
【００４３】
図９は、高精度に加工された球面ミラーの形状を実際に測定した結果を示している。図９の結果は、同じ測定を同一対象に対して４回繰り返したものであり、形状誤差１０ｎｍ、スロープエラー２×１０^−７ｒａｄ以下の再現性を達成できたことを示している。また、図１０は、試料表面のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線を本発明の形状測定装置で測定して理想曲面（０レベル）からの形状誤差を求め（加工前）、それに基づいて表面の加工量を求め、それに応じて数値制御ＥＥＭによって加工した後の理想曲面からの形状誤差を測定した結果（ＥＥＭ加工後）を併せて示したものである。本発明は、表面形状を高精度に測定できるのみならず、各測定点での理想曲面からの形状誤差のデータを取得でき、このデータを超精密加工に利用できるのである。更に、本発明は、ミラーにおける光線追跡に必要な法線ベクトルを直接測定するものであるため、形状精度もさることながら、集光ミラーによる放射光の集光計算用のデータとしても使用できることは大きな特徴である。
【００４４】
最後に、本実施形態において、被測定物を本来の形状を変化させずに保持することができる試料ホルダー５を図１１及び図１２に基づいて説明する。被測定物を保持する場合、被測定物に局部応力を加えると、その応力による歪みが表面の形状変化として現れる。本発明は、そのような極僅かな形状変化をも測定してすまうほどの精度を有しているので、被測定物の表面に形状変化を生じさせないように保持し、しかも形状測定中に全く移動しないように保持しなければならない。図１１は、被測定物側駆動系３に試料ホルダー５を装着した状態を示し、図１２（ａ）は試料ホルダー５の平面図、（ｂ）はその断面図を示したものである。試料ホルダー５は、アルミ製の保持枠２７に、背面に周囲を残して凹部２９を段状に形成した厚さ１０ｍｍのアルミ製表面板２８をＯリング３０を介して気密接合し、表面板２８には４ｍｍピッチで直径１ｍｍの穴３１を１００×３００ｍｍの範囲に形成し、直径６ｍｍのホース３２で保持枠２７と表面板２８との間に形成された空間をダイヤフラム式真空ポンプで排気できるようにし、更に表面板２８の表面に微小連続孔のあいた厚さ５００μｍのテフロンシート３３を積層した構造となっている。ここで、前記テフロンシート３２は、商品名「ゴアテックス」（米国、Ｗ．Ｌ．ゴア・アンド・アソシエーツ社の商標）を用いた。このゴアテックスは、通気性のある素材であるが、水は通さない程度の微細孔を有するものであり、弾力性のあるガスケットとしても使用されているものである。
【００４５】
そして、被測定物の背面をテフロンシート３３に接合した状態で、内部を排気してテフロンシート３３を介して被測定物の背面前面を一様な吸引力で吸着して保持するのである。被測定物を平面に静置した場合と、前述の試料ホルダー５で垂直に保持した場合とで、表面状態を干渉計（Ｚｙｇｏ）で観察した結果、どちらの干渉縞も見分けが全くつかなかった。このことは、前述の試料ホルダー５によって被測定物を表面形状に全く影響を与えずに保持できたことを意味している。また、この試料ホルダー５に、切りっ放しのアルミ板（５０×５０ｍｍ）、チャック面がきさげ面となっている銅製ミラー（８０×２５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ）、チャック面は砂かけ状態となっているガラス（ＢＫ７）製平面ミラー（５０×２００ｍｍ、厚さ３０ｍｍ）を吸着させたが、全く問題なく保持することができた。尚、前述の銅製ミラーや平面ミラーは、普通の真空チャックでは全く固定不可能なものである。
【００４６】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の超精密形状測定方法及びその装置によれば、球凹面形状は勿論のこと、これまで１ｎｍ以下の精度で光学的に測定することが不可能であった凸面、非球面、回転楕円体、トロイダル形状等の数式で表される形状だけでなく任意の表面形状を有する被測定面形状を、光干渉法のような基準面を使用せずに、光路の安定性を利用し、高精度で測定することができるとともに、被測定面の大きさに関係なく表面形状を短時間に測定することができ、更に測定装置を小型化することができるといった優れた効果を有している。
【００４７】
また、本発明は、表面形状を高精度に測定できるのみならず、各測定点での理想曲面からの形状誤差のデータを取得でき、このデータを超精密加工に利用できるのである。更に、本発明は、ミラーにおける光線追跡に必要な法線ベクトルを直接測定するものであるため、形状精度もさることながら、集光ミラーによる放射光の集光計算用のデータとしても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超精密形状測定装置の外観図である。
【図２】本発明の測定原理の説明図である。
【図３】光学系の簡略配置図である。
【図４】４分割フォトダイオードを用いた光軸位置検出器で反射光を受光した様子を示す説明図である。
【図５】測長器による距離測定原理を示し、（ａ）は４分割フォトダイオードを用いた検出器で反射光を受光した様子を示す説明図、（ｂ）はシリンドリカルレンズを通った光の光軸に直交する面のスポット形状が光軸に沿って変化する様子を示した説明図である。
【図６】同じく測長器による距離測定原理を示す光学系の配置図である。
【図７】球面鏡の表面形状を測定する手順を示し、（ａ）は初期位置を設定した状態の説明図、（ｂ）は光源の方向を変化させた場合の理想曲面からの偏差によって反射光がずれる様子を示した説明図である。
【図８】平面の表面形状を測定する手順を示し、（ａ）は初期位置を設定した状態の説明図、（ｂ）は被測定物を固定し、光源の方向を変化させた場合の入射光と反射光の様子と測定系の平行移動量との関係を示した説明図、（ｃ）は被測定物を回転変位させ、光源の方向を変化させた場合の入射光と反射光の様子と測定系の平行移動量との関係を示した説明図である。
【図９】球面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】本形状測定装置で試料表面を測定して理想曲面からの形状誤差を求め、それに基づいて表面をＥＥＭ加工した結果の理想曲面からの形状誤差を測定した結果を示すグラフである。
【図１１】被測定物側駆動系と試料ホルダーの詳細を示す側面図である。
【図１２】試料ホルダーを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図を示している。
【符号の説明】
１ベース台
２測定側駆動系
３被測定物側駆動系
４測定系
５試料ホルダー
６光源
７光軸位置検出器
８被測定物
９測長器
１０３軸のエンコーダ付き移動テーブル
１１２軸のエンコーダ付きゴニオメータ
１２２軸のエンコーダ付きゴニオメータ
１３Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１４光ファイバー
１５コリメーターレンズ
１６ピンホール
１７ビームスプリッター
１８１／４波長板
１９集光レンズ
２０被測定面
２１ハーフミラー
２２シリンドリカルレンズ
２３検出器
２４コントローラ
２５恒温室
２６銅パイプ
２７保持枠
２８表面板
２９凹部
３０Ｏリング
３１穴
３２ホース
３３テフロンシート

Claims

測定系と被測定物のそれぞれの基準位置を設定した後、測定系の光源から出射された収束光を被測定面上の各点へ照射し、その入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように測定系と被測定物の双方の位置と角度を微調整するとともに、光源から被測定面までの距離を測定し、測定系と被測定物の基準位置からの位置と角度の偏差から被測定物表面の各点における法線ベクトルを測定し、該法線ベクトルから表面の各点での傾きを算出するとともに、任意の点での傾きを補間し、その傾きを測定領域にわたって積分することによって表面形状を算出してなることを特徴とする超精密形状測定方法。
前記測定系と被測定物の微調整において、平行移動駆動を最小にし、主に回転駆動によって入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように微調整してなる請求項１記載の超精密形状測定方法。
共通のベース台上に３軸のエンコーダ付き移動テーブルと２軸のエンコーダ付きゴニオメータからなる測定側駆動系と、少なくとも２軸のエンコーダ付きゴニオメータからなる被測定物側駆動系とを間隔を設けて配設し、前記測定側駆動系には光源、光軸位置検出器及び光源から被測定面までの距離を測定する測長器を備えた測定系が保持され、また前記被測定物側駆動系には試料ホルダーを介して被測定物が保持され、光源から出射された収束光を被測定面上の各点へ照射し、その入射光とその点での反射光の光軸とが重なるように測定系と被測定物の双方の位置と角度を微調整し、前記各駆動系の制御機能を備えた演算装置が、各駆動系より各軸の基準位置からの偏差を取得するとともに、被測定面上の光の入射位置を算出し、被測定面の各点における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルから表面の各点での傾きを算出するとともに、任意の点での傾きを補間し、その傾きを測定領域にわたって積分して表面形状を算出してなることを特徴とする超精密形状測定装置。
前記光軸位置検出器として、４分割フォトダイオードを用いて、光軸の微小変位を検出してなる請求項３記載の超精密形状測定装置。
前記測長器は、反射光を分割して方向を変えるハーフミラーと、シリンドリカルレンズと、４分割フォトダイオードからなる検出器で構成し、シリンドリカルレンズを通した光の光軸に直交する面のスポット形状が光軸に沿って変化する特性を使って、光源から被測定面までの距離が一定になるように、前記各駆動系を調整してなる請求項３又は４記載の超精密形状測定装置。