本發(fā)明涉及光學測定被測定物的表面形狀的表面形狀測定裝置。能夠精密地測定例如用于照相機或半導體制造裝置、望遠鏡等的透鏡、反射鏡等光學元件的表面形狀，特別是適于由光能透射的材質制成的被測定物的表面形狀的測定。

背景技術：

作為以非接觸的方式測定被測定物的形狀的形狀測定裝置，已知有利用激光測長儀的形狀測定裝置(例如參照專利文獻1)。另外，提案有根據(jù)測定面的位置和傾斜角度來測定被測定物的形狀的形狀測定裝置(例如參照專利文獻2)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開平11-51624號公報

專利文獻2：日本特開2003-161615號公報

技術實現(xiàn)要素：

然而，在上述那種現(xiàn)有的形狀測定裝置中存在如下的課題。首先，在現(xiàn)有的形狀測定裝置中，能夠較穩(wěn)定地測定反射鏡等反射光的被測定物的形狀，但有時如透鏡那樣由光能透射的材質形成的被測定物會受到背面反射的影響。

本發(fā)明是鑒于上述的課題而提出的，其目的在于，提供一種對于由透明的材質形成的被測定物也能夠穩(wěn)定地測定表面形狀的表面形狀測定裝置。

為了實現(xiàn)上述目的，例示本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置具備測定頭、照射位置移動機構(例如實施方式中的工件載臺單元10、頭載臺單元30)、和控制部。在測定頭上設置有使用第一探測光對到被測定物的測定面的距離進行檢測的距離檢測器、和使用第二探測光對測定面的角度進行檢測的角度檢測器。照射位置移動機構使測定面上的第一探測光及第二探測光的照射位置移動?？刂撇炕诘谝?、第二探測光的照射位置、通過距離檢測器檢測到的測定面的距離及通過角度檢測器檢測到的測定面的角度導出測定面的形狀。第一探測光及第二探測光構成為相對于所述測定面具有規(guī)定的入射角地向測定面傾斜入射。

此外，能夠構成為，所述距離檢測器及所述角度檢測器以使朝向所述測定面射出的第一探測光與第二探測光交叉的方式配設于測定頭，所述控制裝置以使第一探測光與第二探測光交叉的位置成為測定位置的方式控制照射位置移動機構的動作。

另外，所述照射位置移動機構能夠以使所述第一探測光及所述第二探測光的照射位置沿著預先設定的測定線移動的方式進行控制，第二探測光相對于所述測定面的入射面設定為與測定線正交。另外，所述距離檢測器及所述角度檢測器能夠以使第一探測光相對于所述測定面的入射面與第二探測光相對于所述測定面的入射面正交的方式配設于測定頭。

另外，能夠構成為，所述控制裝置以在所述測定位置在測定面立起的法線、和第一探測光的入射面與第二探測光的入射面之間的交線一致的方式控制所述照射位置移動機構的動作。

發(fā)明效果

在本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置中，構成為為了檢測測定面的距離而照射的第一探測光、及用于檢測測定面的角度的第二探測光均相對于測定面傾斜入射。因此，假如即使在被測定物由透明的材質形成的情況下，也能夠將由被測定物的測定面(表面)反射的反射光和從被測定物透射并由背面?zhèn)确瓷涞姆瓷涔夥蛛x。

附圖說明

圖1是例示本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置的概要結構圖。

圖2是上述表面形狀測定裝置的控制系統(tǒng)的概要框圖。

圖3是從圖1中的iii向視方向觀察的光學單元的概要圖。

圖4是例示使探測光沿著測定線移動時的、被測定物的第一移動模式的說明圖。

圖5是表示使探測光沿著測定線移動時的、被測定物的第二移動模式的說明圖。

圖6是用于說明距離檢測器及角度檢測器的原理的說明圖，圖6的(a)是距離檢測器的原理說明圖，圖6的(b)是角度檢測器的原理說明圖。

圖7的(a)是表示距離檢測器中的第一探測光的入射面的設定狀況的說明圖，圖7的(b)是表示角度檢測器中的第二探測光的入射面的設定狀況的說明圖。

圖8是例示用于本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置的角度檢測器的具體結構的框圖。

圖9是用于說明通過本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置測定被測定物的表面形狀時的控制單元的作用的說明圖，是對測定面的曲率半徑與測定裝置的測量距離一致的球面鏡進行測定的情況下的說明圖。

圖10是用于說明通過本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置測定被測定物的表面形狀時的控制單元的作用的說明圖，是測定面的曲率半徑與測定裝置的測量距離不一致的情況下的說明圖。

圖11是用于說明根據(jù)通過距離檢測器檢測到的距離計算繞x軸的角度的修正值的方法的說明圖。

圖12是用于說明根據(jù)測定點的位置數(shù)據(jù)和所修正的角度數(shù)據(jù)導出測定面的形狀的方法的說明圖。

具體實施方式

以下，參照附圖說明用于實施本發(fā)明的方式。本實施方式中，基于被測定物的基準形狀概略掃描探測光，通過針對被測定物的表面的照射了探測光的點測定其與基準形狀的偏差，來測定被測定物的表面形狀。與基準形狀的偏差通過使用兩個探測光分別測量位置偏差和角度偏差而得到。首先，參照圖1～圖3概略說明本發(fā)明的表面形狀測定裝置的整體結構。圖1是例示本發(fā)明的方式的表面形狀測定裝置lms的概要結構圖，圖2是表面形狀測定裝置lms的控制系統(tǒng)的概要框圖，圖3是從圖1中的iii向視方向觀察的光學單元20(測定頭25)的概要圖。

為使說明清晰化，規(guī)定由相互正交的x軸、y軸、z軸構成的坐標系并示于圖1中。在此，x軸是沿著紙面向左右延伸的軸，y軸是將紙面表背貫穿并向前后延伸的軸，z軸是沿著紙面向上下延伸的軸，x-y平面相當于水平面，z軸相當于垂直軸。此外，從說明的方便上出發(fā)，有時以圖1所示的姿勢，將沿著x軸的方向表示為左右方向，將沿著y軸的方向表示為前后方向，將沿著z軸的方向表示為上下方向，但x、y、z各軸的設定方法是任意的，并未規(guī)定位置或姿勢。

表面形狀測定裝置lms概略上由使被測定物w向各軸方向移動的工件載臺單元10、向被測定物w的測定面射出第一探測光pl1及第二探測光pl2且接收反射光而測定測定面的距離及角度的光學單元20、以第一、第二探測光沿著規(guī)定的測定線移動的方式使安裝有光學單元20的測定頭25繞θx軸擺動的頭載臺單元30、基于操作人員的操作控制工件載臺單元10、光學單元20、頭載臺單元30等各部的動作的控制單元50等構成。

工件載臺單元10、光學單元20、及頭載臺單元30以底座81為基礎，設置在溫度及濕度被管理為在規(guī)定值恒定的環(huán)境室82內。

在底座81上，經(jīng)由精密除振裝置83支承有平臺85，在該平臺85上安裝有工件載臺單元10。另外，在平臺85上安裝有橫跨工件載臺單元10的門型框架18，在該門型框架18的上部梁18b上安裝有光學單元20及頭載臺單元30。

工件載臺單元10以保持被測定物w的工件保持架15、和使工件保持架15沿各軸方向移動的多個載臺作為主體構成。即，工件載臺單元10具備使工件保持架15沿x軸方向(左右方向)移動的x載臺11、使工件保持架15沿y軸方向(前后方向)移動的y載臺12、使工件保持架15沿z軸方向(上下方向)移動的z載臺13、使工件保持架15繞上下垂直地延伸的θz軸(旋轉軸)轉動的θz載臺14等而構成。

在門型框架18上設置有分別檢測工件保持架15的x軸方向位置、y軸方向位置、z軸方向位置的x傳感器41、y傳感器42、z傳感器43，將通過各傳感器檢測到的工件保持架15的x軸方向、y軸方向、z軸方向的位置檢測信號輸入至控制單元50。另外，在θz載臺14上設置有檢測工件保持架15的旋轉角度位置的θz傳感器44，將通過該傳感器檢測到的工件保持架15的旋轉角度的位置檢測信號輸入至控制單元50。此外，x傳感器41、y傳感器42、z傳感器43能夠使用測長干涉儀及線性標尺等，θz傳感器44能夠使用標尺為曲面形狀的線性標尺或旋轉編碼器。

光學單元20包含：距離檢測器21，其向被測定物w照射第一探測光pl1且接收由測定面反射的第一探測光而檢測至測定面為止的距離；以及角度檢測器22，其向被測定物w照射第二探測光pl2且接收由測定面反射的第二探測光而檢測測定面的角度。距離檢測器21及角度檢測器22被安裝于共用的單元基部23，且一體形成有測定至測定面的距離及角度的測定頭25。

頭載臺單元30以使設置有光學單元20的測定頭25繞在圖1中沿著紙面左右水平地延伸且在圖3中沿紙面正交方向延伸的θx軸(測定軸)33擺動的θx載臺35為主體構成。在θx載臺35上設置有檢測測定頭25的擺動角度位置的θx傳感器45，將通過θx傳感器45檢測到的測定頭25的擺動角度的位置檢測信號輸入至控制單元50。θx傳感器45能夠使用旋轉編碼器或標尺為曲面形狀的線性標尺。

在此，光學單元20以距離檢測器21的第一探測光pl1的光軸和角度檢測器22的第二探測光pl2的光軸在僅與θx軸33分離規(guī)定距離(測量距離)d的位置交叉的方式被調整設定。即，距離檢測器21的第一探測光pl1和角度檢測器22的第二探測光pl2在與θx軸33相距測量距離d的位置(測定位置)重復(重疊)，成為照射有將它們合成而成的探測光pl的狀態(tài)?？刂茊卧?0控制各載臺的動作，以使從光學單元20輸出的第一、第二探測光pl1、pl2在上述測定位置照射到測定面上。因此，通過利用θx載臺35使測定頭25繞θx軸33擺動，能夠使從光學單元20射出的探測光pl在被測定物w的測定面上進行掃描。此外，之后詳述光學單元20。

控制單元50具備供操作人員進行動作操作的操作部51、設定存儲有測定程序和被測定物的基準形狀等的存儲部52、進行各種運算處理的運算部53、基于從運算部53輸出的指令信號來控制x、y、z、θx、θz的各載臺11、12、13、35、14的動作的載臺控制部54、基于從運算部53輸出的指令信號來控制光學單元20的動作的測量控制部55、以及與外部進行信號的輸入輸出的i/o部56等而構成。

圖4及圖5是例示使探測光pl和被測定物w相對移動，使探測光pl沿著測定線移動時的被測定物的移動模式的概要的說明圖。兩圖示意性表示從上方觀察保持于工件保持架15的被測定物w時的情況，利用l1～l3表示探測光pl(測定位置上的第一、第二探測光pl1、pl2)移動的測定面上的測定線。

圖4是適于對于如凹凸透鏡或非球面透鏡等那樣測定面的表面形狀為軸對稱的被測定物進行測量的情況的移動模式的一例。本例中，在使θx載臺35動作而使測定頭25擺動，從而使探測光pl移動時，以使探測光pl從被測定物w的中心軸穿過的方式，通過x載臺11及y載臺12對被測定物w的x軸方向位置及y軸方向位置進行對準。

而且，如圖4的(a)所示，從探測光pl照射到測定面的起始點sp的狀態(tài)起使θx載臺35動作，使探測光pl沿著測定線l1移動，根據(jù)在測定線l1上的各測定點檢測到的距離及角度來測量沿著測定線l1的測定面的形狀。接著，如圖4的(b)所示，通過θz載臺14將被測定物w轉動規(guī)定角度(例如2度左右)并將其保持在該旋轉角度位置，再次使θx載臺35動作，使探測光pl沿著測定線l2移動，根據(jù)在測定線l2上的各測定點檢測到的距離及角度來測量沿著測定線l2的測定面的形狀。以下同樣地，使θz載臺14及θx載臺35動作，測量沿著測定線l3……的測定面的形狀。由此，關于被測定物w，能夠得到對測定面整體放射狀地進行測定而得到的表面形狀的測定數(shù)據(jù)。

圖5是適于測量矩形平板狀的被測定物或柱面透鏡等的情況的移動模式的一例。該例中，從探測光pl照射到測定面的起始點sp的狀態(tài)起，使θx載臺35動作，使探測光pl沿著測定線l1移動，根據(jù)在測定線l1上的各測定點檢測到的距離及角度對沿著測定線l1的測定面的形狀進行測量。接著，使x載臺11動作而使被測定物w向圖5中的右方移動后，使θx載臺35動作，使探測光pl沿著測定線l2移動，根據(jù)在測定線l2上的各測定點檢測到的距離及角度對沿著測定線l2的測定面的形狀進行測量。以下同樣地，使x載臺11及θx載臺35動作，測量沿著測定線l3……的測定面的形狀。

由此，能夠得到針對被測定物w呈平行的線狀對測定面整體進行形狀測定而得到的測定數(shù)據(jù)。另外，在上述測定后通過θz載臺14使被測定物w旋轉規(guī)定角度(例如90度)并保持在該旋轉角度位置，再次通過θx載臺35x及載臺11的交互移動進行沿著測定線的測定面的形狀測定，由此，也能夠得到呈格子狀對測定面整體進行了形狀測定的測定數(shù)據(jù)。

在像這樣概略構成的表面形狀測定裝置lms中，將從光學單元20射出的第一探測光pl1及第二探測光pl2在測定位置照射到被測定物w的測定面上，通過由光學單元20的光檢測器接收由測定面反射的第一、第二探測光，求出照射了探測光pl的測定面的距離和角度?？刂茊卧?0控制各載臺的動作，使探測光和被測定物w相對移動，使探測光的照射位置移動，由此，依次測量沿著測定線l的測定面上的各部的距離及角度。而且，基于檢測距離對多點測量出的各測定點修正檢測角度，使用積分處理或擬合(fitting)處理等公知的方法對測定點的位置數(shù)據(jù)及修正的角度數(shù)據(jù)進行運算處理，由此導出測定面的形狀、

即，表面形狀測定裝置lms以根據(jù)測定面的位置和傾斜角度對被測定物的形狀進行測定的形狀測定裝置為基礎。在此基礎上，在表面形狀測定裝置lms中，使用通過距離檢測器21檢測到的測定點的距離對通過角度檢測器22檢測到的測定點的角度進行修正，使用測定點的位置數(shù)據(jù)及修正了的角度數(shù)據(jù)導出測定面的形狀。之后對利用由位置檢測器21檢測到的距離對角度進行修正的方法、及使用修正了的角度數(shù)據(jù)導出測定面的形狀的方法進行詳述。

以下，一并參照圖6及圖7詳細說明光學單元20。光學單元20構成為以距離檢測器21和角度檢測器22為主體，該距離檢測器21對被測定物w照射第一探測光pl1且接收由測定面反射的第一探測光而檢測其至測定面的距離，該角度檢測器22對被測定物w照射第二探測光pl2且接收由測定面反射的第二探測光而檢測測定面的角度。

圖6是用于說明距離檢測器21及角度檢測器22的原理的說明圖，圖6的(a)是距離檢測器21的原理說明圖，圖6的(b)是角度檢測器22的原理說明圖。圖6中示出使距離檢測器21的第一探測光pl1、及角度檢測器22的第二探測光pl2向沿x-y方向水平延伸的測定面ws入射的狀態(tài)。

距離檢測器21由產生第一探測光的第一光源211、將由第一光源211產生的第一探測光pl1聚光并向被測定物的測定面ws照射的聚光透鏡212、將由測定面ws反射的第一探測光(稱作第一反射光)rl1聚光的聚光透鏡213、以及檢測第一反射光的位置的光檢測器214等構成。

角度檢測器22由產生第二探測光的第二光源221、將由第二光源221產生的第二探測光pl2聚光并向被測定物的測定面ws照射的聚光透鏡222、將由測定面ws反射的第二探測光(稱作第二反射光)rl2進行準直的準直透鏡223、以及檢測第二反射光的位置的光檢測器224等構成。

第一光源211及第二光源221是使振蕩波長或光輸出、光束指向等穩(wěn)定化的激光光源，例如使用光纖激光器或dfb半導體激光器等。在第一光源211及第二光源221的輸出部設置有準直器，從各光源輸出被進行了平行光束處理的第一探測光pl1、第二探測光pl2。光檢測器214、224分別是檢測第一反射光rl1、第二反射光rl2的位置的檢測器，例如，能夠使用qpd(quadrantphotodetector：四象限光探測器)、ccd或cmos等固體拍攝元件等，但在本實施方式中示出使用了qpd的結構。

在距離檢測器21中，將從第一光源211射出的第一探測光pl1用聚光透鏡212聚光并向測定面ws入射。由測定面ws反射的第一探測光即第一反射光rl1由聚光透鏡213聚光并向光檢測器214入射。在該距離檢測器21中，即使測定面ws的角度變化(傾斜)，向光檢測器214聚光入射的第一反射光rl1的入射位置也不發(fā)生變化。另一方面，當測定面ws的位置在上下方向(z軸方向)上變化(位移)時，向光檢測器214聚光入射的第一反射光rl1的入射位置發(fā)生變化。因此，能夠基于從光檢測器214向控制單元50輸出的位置檢測信號來計算從測定頭25的基準位置的θx軸33至測定面ws為止的距離。

在角度檢測器22中，從第二光源221射出的第二探測光pl2由聚光透鏡222聚光并向測定面ws入射。由測定面ws反射的第二探測光即第二反射光rl2被準直透鏡223準直化并向光檢測器224入射。在該角度檢測器22中，即使測定面ws的位置在上下方向上變化(位移)，向光檢測器224入射的第二反射光rl2的入射位置也幾乎沒有變化。另一方面，當測定面ws的角度發(fā)生變化(傾斜)時，向光檢測器224入射的第二反射光rl2的入射位置發(fā)生變化。因此，能夠基于從光檢測器224向控制單元50輸出的角度檢測信號來計算測定面ws的傾斜角度。

在此，在表面形狀測定裝置lms中，距離檢測器21上的第一探測光pl1的入射面與角度檢測器22上的第二探測光pl2的入射面被設定為交叉。具體來說，距離檢測器21的第一探測光pl1的入射面被設定為沿著y-z平面，角度檢測器22的第二探測光pl2的入射面被設定為沿著與y-z平面正交的x-z平面。圖7是用于說明上述狀況的說明圖，圖7的(a)表示距離檢測器21的第一探測光pl1的入射面的設定狀況，圖7的(b)表示角度檢測器22的第二探測光pl2的入射面的設定狀況。

如圖7的(a)所示，距離檢測器21被設定為第一探測光pl1的入射面沿著y-z平面。y-z平面為與和x軸平行地延伸的θx軸33正交的面。即，距離檢測器21形成于測定頭25的基座即單元基部23的平面上，隔著θx軸33配設第一光源211及聚光透鏡212和聚光透鏡213及光檢測器214(參照圖3)。

如圖7的(b)所示，角度檢測器22被設定為第二探測光pl2的入射面沿著x-z平面。x-z平面為與x軸及θx軸33平行的面。即，角度檢測器22沿測定頭25的基座即單元基部23的厚度方向形成，第二光源221、聚光透鏡222、準直透鏡223、及光檢測器224配設于包含θx軸33的面內。

進而，如概要性說明所述，光學單元20以第一探測光pl1的光軸和第二探測光pl2的光軸交叉的方式構成，對其進行調整，使其交點位于與θx軸33分離圖7中d所示的距離的位置(使圖7的(a)和圖7的(b)重合了的狀態(tài))。

即，光學單元20由沿著y-z平面形成的距離檢測器21和沿著x-z平面形成的角度檢測器22構成，且以y-z平面上的第一探測光pl1和x-z平面第二探測光pl2在與θx軸33分離規(guī)定距離d的測定位置交叉的方式進行調整、測定。因此，在測定位置，第一探測光pl1和第二探測光pl2重復，成為照射了將它們合成后的探測光pl的狀態(tài)。然后，像這樣進行了調整、設定的光學單元20一體化而形成的測定頭25被安裝成通過θx載臺35能夠繞θx軸33擺動(參照圖3)。

如上所述，角度檢測器22沿著x-z平面形成。即，在測定頭25上的與單元基部23的板面正交的方向上配設了第二光源221、聚光透鏡222、光檢測器224等構成要素。圖8表示用于表面形狀測定裝置lms的角度檢測器22的具體的結構例。如圖所示，角度檢測器22由產生第二探測光的第二光源221、對由第二光源221產生的第二探測光進行導光的光纖225、設置于光纖225的射出端部并將射出的第二探測光準直化而成平行光束的準直器226、將通過準直器226而平行光束化的第二探測光pl2聚光并向測定面ws照射的聚光透鏡222、對由測定面ws反射并通過再次從聚光透鏡222透射而被平行光束化了的第二探測光(第二反射光)rl2進行反射的反射鏡227、除去由被測定物的背面反射來的第二探測光(第二背面反射光)的光圈228、以及檢測第二反射光rl2的位置的光檢測器224等構成。

將圖8所示的角度檢測器22的具體的結構和圖6的(b)及圖7的(b)所示的角度檢測器的原理的結構進行對比可理解到：表面形狀測定裝置lms中使用的角度檢測器22為通過使向測定面ws照射的第二探測光pl2和由測定面ws反射的第二探測光rl2從同一聚光透鏡222透射而省略了準直透鏡223的結構。由此，能夠將沿著x-z平面形成的角度檢測器22小型化，能夠緊湊地構成測定頭25。另外，通過將除去由被測定物的背面反射的第二背面反射光的光圈228設置于光檢測器224的正前方，假如即使被測定物的厚度薄的情況或楔角小的情況下，也能夠有效地除去第二背面反射光。

此外，將第二探測光pl2向測定面聚光的聚光透鏡222的焦點距離f2優(yōu)選為80～160mm左右，例如優(yōu)選使用f2＝120mm的消色差透鏡。另外，第二探測光向測定面ws的入射角θ2優(yōu)選為3～8度左右，例如設定為θ2＝5度。

另一方面，距離檢測器21沿著y-z平面形成。即，沿著測定頭25上的單元基部23的板面配設第一光源211、聚光透鏡212、聚光透鏡213、光檢測器214等。因此，在用于表面形狀測定裝置lms的距離檢測器21的具體的結構中，在單元基部23的中心部設置角度檢測器22，且隔著該角度檢測器22配設距離檢測器21的投光部和受光部。即，圖3中，在角度檢測器22的左側設置有具有第一光源211及聚光透鏡212的投光部21a，在右側設置有具有聚光透鏡213及光檢測器214的受光部21b。由此，能夠有效利用單元基部23的板面而緊湊地構成測定頭25。

在此，將第一探測光pl1聚光于測定面的聚光透鏡212的焦點距離f1能夠在與聚光透鏡222同樣的范圍內適宜設定，但在表面形狀測定裝置lms中，將聚光透鏡212的焦點距離f1設為與聚光透鏡222的焦點距離f2相同，使用f1＝120mm的消色差透鏡。由此，除了能夠共同進行距離檢測器21及角度檢測器22的焦點調整作業(yè)之外，向測定點聚光照射的第一探測光和第二探測光的焦點深度也大致相同，因此，能夠排除基于焦點深度的差異而產生的誤差成分等的影響。此外，第一探測光向測定面ws的入射角θ1優(yōu)選為5～30度左右，例如設定為θ1＝25度。

照射了探測光的范圍例如為直徑為200μm左右的圓形的光點。距離檢測器21測定該光點的平均的位置變化，角度檢測器22檢測該點的平均的繞x軸的角度。

在像這樣構成了光學單元20的表面形狀測定裝置lms中，驅動θx載臺35使測定頭25繞θx軸33擺動，由此，使第一、第二探測光pl1、pl2沿著測定線移動。即，表面形狀測定裝置的測定線l(l1～l3等)沿y軸方向形成。

控制單元50沿著測定線l照射第一、第二探測光pl1、pl2，通過距離檢測器21及角度檢測器22對測定線l上的各測定點的距離及角度進行測定。

如參照圖2概要說明的那樣，控制單元50具備供操作人員進行動作操作的操作部51、設定存儲有測定程序及被測定物的基準形狀等的存儲部52、進行各種運算處理的運算部53、基于從運算部53輸出的指令信號來控制x、y、z、θx、θz、的各載臺11、12、13、35、14的動作的載臺控制部54、基于從運算部53輸出的指令信號來控制光學單元20的動作的測量控制部55、以及與外部進行信號的輸入輸出的i/o部56等而構成。

在操作部51設置有顯示測定程序或測定結果等信息的液晶顯示面板、輸入數(shù)值或文字信息的鍵盤、進行選擇操作的鼠標、各種開關類、可讀寫記錄于cd或usb存儲器等記錄介質的測定面ws的基準形狀的數(shù)據(jù)或測定結果等的讀寫器等，以對話形式進行與測定面ws的類型(例如平面、球面、非球面、圓柱等)或測定模式(放射狀、線狀、格子狀等)對應的形狀測定。

存儲部52設置多個rom或ram等的存儲元件而構成。rom中預先設定存儲有控制表面形狀測定裝置lms的各部的動作的控制程序、與被測定物w的類型或測定模式對應的測定程序等。在操作部51，選擇設定被測定物w的類型或測定模式，并將對應的測定程序嵌入控制程序，由此構成適于被測定物w的表面形狀測定裝置。在ram中臨時存儲有經(jīng)由設置于操作部51的讀寫器或i/o部56讀入的被測定物的測定面ws的基準形狀(設計值的矢量數(shù)據(jù))、對測定程序設定的測定線上的測定點的基準傾斜角度、以及在測定程序的執(zhí)行中從距離檢測器21及角度檢測器22輸出的各測定點的距離數(shù)據(jù)及角度數(shù)據(jù)等。

運算部53由cpu或移位寄存器等構成，基于預先設定存儲于存儲部52的控制程序及測定程序進行各種運算處理，向載臺控制部54或測量控制部55等輸出指令信號，控制工件載臺單元10、光學單元20、頭載臺單元30的動作。

載臺控制部54基于從運算部53輸出的指令信號向工件載臺單元10的x載臺11、y載臺12、z載臺13、θz載臺14、頭載臺單元30的θx載臺35等輸出驅動信號，控制各載臺的動作。測量控制部55基于從運算部53輸出的指令信號，向光學單元20的距離檢測器21及角度檢測器22輸出測定控制信號，控制測定面ws的形狀測定。

控制單元50在通過距離檢測器21及角度檢測器22測定測定線上的測定點的距離及角度時，以使在測定點立起的法線穿過θx軸33且第一探測光pl1及第二探測光pl2向同一測定點照射的方式控制y載臺12及z載臺13的動作。換言之，以使距離檢測器21的y-z平面和角度檢測器22的x-z平面相交的交線(以下，為便于說明而稱作“假想光軸”)s與測定面垂直相交且假想光軸上的θx軸33和測定點之間的距離成為上述的測量距離d的方式控制y載臺12及z載臺13的動作。

為了使假想光軸s向測定面垂直入射，且假想光軸上的θx軸33和測定點的距離成為測量距離d，控制單元50以下述方式控制y載臺12及z載臺13。首先，運算部53根據(jù)設定存儲于存儲部52的測定面ws的基準形狀來計算沿著通過測定程序設定的測定線的測定面ws的基準形狀(截面形狀)。接著，對設定于測定線上的測定點計算各測定點的傾斜角度。接著，根據(jù)算出的各測定點的傾斜角度算出假想光軸向該測定點垂直入射且θx軸33和測定點的距離成為測量距離d的測定頭25(θx載臺35)的角度位置、y載臺12及z載臺13的坐標位置。接著，生成基于算出的各載臺的位置的驅動信號，并向y、z、θx的各載臺12、13、35輸出驅動信號，使被測定物w及測定頭25相對移動。

而且，相對于被定位的被測定物w，從測量控制部55向光學單元20的距離檢測器21及角度檢測器22輸出測量控制信號，使第一、二探測光pl1、pl2從光學單元20射出。由此，假想光軸向測定面垂直入射，將從光學單元20射出的第一探測光pl1及第二探測光pl2向同一測定點(測定位置)照射。

圖9是示意性例示該情況的說明圖，表示測定面ws為凹的球面形狀的情況。該情況下，在測定面的曲率半徑與測量距離d一致的情況下，若以在測定線上的某一點使假想光軸s向測定面ws垂直入射且θx軸33和測定點的距離成為測量距離d的方式調整(定心)y載臺12及z載臺13的位置，則在之后的測定中，僅使θx載臺35動作，使測定頭25擺動，由此，能夠在沿著y軸的測定線上使第一、第二探測光pl1、pl2向同一測定點入射。

另一方面，在測定面ws的曲率半徑與測量距離d不一致的情況、為凸面的情況、或為非球面的情況下，若并非在測定線上使第一、第二探測光掃描的θx載臺35的基礎上使y載臺12及z載臺13動作，則無法使假想光軸向測定面ws垂直入射且使θx軸33和測定點的距離成為測量距離d。

例如，有時被測定物的測定面ws為非球面形狀，如圖10所示，軸心部的測定點pwa的曲率半徑為r1，周緣部的測定點pwb及pwc的曲率半徑為r2。在這種情況下，運算部53讀出預先設定存儲于存儲部52的測定面ws整體的基準形狀，計算沿著測定線的測定面的基準形狀，并對設定于測定線上的測定點pwa、pwb、pwc……計算各測定點的傾斜角度。接著，基于算出的測定點的傾斜角度計算成為使假想光軸s向各測定點pwa、pwb、pwc……垂直入射的狀態(tài)的θx載臺35的角度位置。另外，計算在θx載臺35位于該角度位置的狀態(tài)下，θx軸33和測定點的距離成為測量距離d的y載臺12及z載臺13的坐標位置。

而且，將基于針對各測定點算出的載臺位置的驅動信號輸出到y(tǒng)、z、θx載臺11、13、35，將被測定物w及測定頭25移動定位，由此，在沿著y軸的測定線上的各測定點pwa、pwb、pwc……，假想光軸s向測定面垂直入射，從光學單元20射出的第一探測光pl1及第二探測光pl2向同一測定點照射。而且，基于測定點pwa、pwb、pwc……的位置、在各測定點pwa、pwb、pwc……由距離檢測器21檢測到的從θx軸至測定點的距離、及通過角度檢測器22檢測到的測定點的角度，導出沿著測定線的測定面ws的形狀。

如上所述，在表面形狀測定裝置lms中，使用通過距離檢測器21檢測到的測定點的距離，對通過角度檢測器22檢測到的測定點的角度進行修正，且使用測定點的位置數(shù)據(jù)及修正了的角度數(shù)據(jù)來導出測定面的形狀。以下，針對使用通過距離檢測器21檢測到的測定點的距離的角度修正、及使用測定點的位置數(shù)據(jù)和修正后的角度數(shù)據(jù)的測定面的形狀導出，說明具體的結構例。

角度檢測器22的光檢測器224使用qpd，能夠全方位檢測測定面的傾斜角。本結構例中，根據(jù)在各測定點通過角度檢測器22檢測到的測定面的角度來計算繞x軸的角度(y軸方向的傾斜角度)。另外，根據(jù)通過距離檢測器21檢測到的θx軸33和測定點的距離來計算繞x軸的角度的修正值。然后，利用基于通過距離檢測器21檢測到的距離的、繞x軸的角度的修正值，來修正通過角度檢測器22檢測到的繞x軸的角度，計算該測定位置的繞x軸的角度、即沿著測定線的y軸方向的傾斜角度。

圖11是用于說明根據(jù)通過距離檢測器21檢測到的距離來計算繞x軸的角度的修正值的方法的說明圖。該圖表示從距離檢測器21射出的第一探測光由測定面ws反射的狀態(tài)，圖中虛線表示被測定物位于本來的測定位置的情況的測定面，實線表示被測定物的位置錯開微小距離的狀態(tài)(實際的測定狀態(tài))下的測定面。圖中的放大圖示出兩個測定點的位置關系。

此時，通過距離檢測器21檢測到的θx軸33和測定點的距離在被測定物位于本來的測定位置時和位于現(xiàn)實的測定位置時相差δl。另外，通過角度檢測器22檢測到的角度在被測定物位于本來的測定位置時為α’，但在現(xiàn)實的測定位置為α。在此，兩個測定點的距離的差δl根據(jù)設定存儲于存儲部52的測定面ws的基準形狀和通過位置檢測器21檢測到的測定點的距離而求出。另外，兩個測定點的y軸方向的偏差在將測定頭25的傾斜角度設為θ時作為δlsinθ而求出。若將測定面ws的基準形狀的曲率半徑設為r，則兩個測定點的角度的差α’-α通過下式示出。

α’-α＝δlsinθ/r

像這樣，基于通過距離檢測器21檢測到的距離，來計算因測定點的位置偏差而產生的角度的修正值即δlsinθ/r，將該修正值與通過角度檢測器22檢測到的繞x軸的角度α相加，由此，能夠更高精度地求出測定面的角度。通過使用修正后的角度數(shù)據(jù)，能夠進行更高精度的面形狀計算。另外，也能夠預先求出通過距離檢測器21檢測到的位移(單位：μm)和角度位移的相關關系，基于該相關關系來修正通過角度檢測器22檢測到的傾斜角度的值。

接著，使用像這樣求出的傾斜角度的值來求出面形狀。圖12是用于說明根據(jù)測定點的位置數(shù)據(jù)和所修正的角度數(shù)據(jù)導出測定面的形狀的方法的說明圖。圖12中，p1、p2、p3表示沿著測定線的各測定點，p1y、p2y、p3y表示各測定點p1、p2、p3的y軸方向上的位置數(shù)據(jù)(上述本來的測定位置)，p1a、p2a、p3a按各測定點p1、p2、p3的上述順序表示修正后的角度數(shù)據(jù)。

若將測定點p2、p3、p4……的z軸方向上的位置設為p2z、p3z、p4z，則它們通過下式求出。

p2z＝(p2y-p1y)×(p1a+p2a)/2+p1z

p3z＝(p3y-p2y)×(p2a+p3a)/2+p2z

p4z＝(p4y-p3y)×(p3a+p4a)/2+p3z

·

·

·

目前，若作為測定點p1的z軸方向的位置p1z而設定0(零)，則測定點p2的z軸方向上的位置p2z通過下式表示。

p2z＝(p2y-p1y)×(p1a+p2a)/2

在此，p2y、p3y是測定點p2、p3的y軸方向上的位置數(shù)據(jù)，是已知的。另外，p1a、p2a是進行了基于通過距離檢測器21檢測到的距離的角度修正的修正后的測定點p1、p2的角度數(shù)據(jù)。因此，求出測定點p2的z軸方向上的位置p2z，以下同樣地依次求出p3z.、p4z……。由此，求沿著在y軸方向上延伸的測定線的測定點p1、p2、p3……的z方向位置及y軸方向的傾斜角度。

然后，根據(jù)如上求出的各測定點的z方向位置及y軸方向的傾斜角度，使用積分處理或擬合處理等公知的方法進行運算處理，由此導出沿著測定線的測定面ws的形狀。

如以上所說明的那樣，在表面形狀測定裝置lms中，構成為距離檢測器21的第一探測光pl1、及角度檢測器22的第二探測光pl2均以規(guī)定的入射角θ1、θ2(θ1≠0、θ2≠0)傾斜地入射至測定面ws。因此，即使被測定物w由相對于第一、第二探測光為透明的材質形成，也能夠清晰地分離由測定面ws反射的反射光和由被測定物的背面?zhèn)确瓷涞谋趁娣瓷涔狻Ａ硗?，為了分離背面反射光，也可以在適宜的位置設置光圈等。

另外，在表面形狀測定裝置lms中，以角度檢測器22的第二探測光的入射面與測定線l正交的方式構成(參照圖7的(b))。這是基于特別是在測定軸對稱的測定面的情況下，沿著測定線l的方向的角度變化大、與測定線l正交的方向上的角度變化小這一情況而設定的。由此，能夠抑制基于照射第二探測光的測定點的位置誤差的、檢測角度的誤差。

另外，距離檢測器21將第一探測光pl1的入射面設為y-z平面，角度檢測器22將第二探測光pl2的入射面設為x-z平面。即，以第一探測光的入射面和第二探測光的入射面正交的方式進行設定，來構成測定頭25。由此，能夠在較小徑的單元基部23上有效地配置距離檢測器21和角度檢測器22，能夠緊湊地構成測定頭25。

在本實施方式中，在距離檢測器21中為由光檢測器214接收由聚光透鏡213聚光的光的光學系統(tǒng)，因此，能夠高靈敏度地檢測測定點的高度的位移。進而，角度檢測器22為接收通過準直透鏡223準直化后的光的光學系統(tǒng)，因此，能夠高靈敏度地檢測測定點的面的傾斜。

另外，在表面形狀測定裝置lms中，以距離檢測器21的第一探測光pl1和角度檢測器22的第二探測光pl2交叉的方式進行設定，且以這兩個探測光交叉的位置(測定位置)成為測定點的方式進行控制。因此，向測定點照射的第一探測光pl1及第二探測光pl2不會因測定線上的位置而發(fā)生變化，由此，能夠不取決于測定線上的位置而以一定的精度測定表面形狀。進而，使距離檢測器21的第一探測光pl1聚光的聚光透鏡212和將角度檢測器22的第二探測光pl2聚光的聚光透鏡222使用焦點距離相同的聚光透鏡。通過該結構，使向測定點聚光照射的第一探測光和第二探測光的焦點深度大致相同，能夠排除基于焦點深度的差異而產生的誤差成分等的影響。

此外，本實施方式中，示出距離檢測器21和角度檢測器22的具體例來說明了實施方式，但只要是將探測光向測定點傾斜入射而能夠分別測定數(shù)百微米程度的區(qū)域的距離的位移和角度的位移的光學系統(tǒng)，就能夠使用。

附圖標記說明

lms表面形狀測定裝置

10工件載臺單元(照射位置移動機構)

11x載臺、12y載臺、13z載臺、14θz載臺

15工件保持架

20光學單元

21距離檢測器(21a投光部、21b受光部)、22角度檢測器

25測定頭

30頭載臺單元(照射位置移動機構)

33θx軸

35θx載臺

50控制單元(控制部)

l(l1～l3)測定線

pl1第一探測光

pl2第二探測光

w(w1、w2)被測定物

ws測定面

θ1第一探測光向測定面的入射角

θ2第二探測光向測定面的入射角