特開 2022-142156 測定装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142156

(43)【公開日】2022-09-30

(54)【発明の名称】測定装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20220922BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 B

G01B11/24 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021042197

(22)【出願日】2021-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】小倉 隆志

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA53

2F065BB08

2F065DD03

2F065FF51

2F065GG03

2F065GG04

2F065GG07

2F065GG24

2F065JJ03

2F065JJ26

2F065LL02

2F065MM03

2F065MM04

2F065PP12

2F065PP22

2F065QQ21

2F065QQ28

2F065QQ29

(57)【要約】

【課題】ワークの内面の形状を高さ方向の広範囲にわたって精度よくかつ容易に測定することが可能な測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】測定装置は、円筒形状のワークが載置され、ワークの高さ方向に沿う回転軸の周りに回転可能な回転ステージと、回転ステージの回転軸に対して垂直な直動移動方向に直動移動可能な直動ステージと、回転軸及び直動移動方向に対して４５°傾斜した反射面を有し、直動ステージ上に固定され、回転ステージに形成された穴を貫通するように配置されたミラー部材と、測定光を反射面で反射させることによりワークの内面に測定光を照射し、円筒形状のワークの内面の形状を測定する白色干渉顕微鏡と、直動ステージを直動移動させることにより、測定光が照射される測定視野を高さ方向に沿って移動させ、回転ステージを回転させることにより、測定視野をワークの周方向に移動させる制御部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒形状のワークが載置される回転ステージであって、前記ワークの高さ方向に沿う回転軸の周りに回転可能な回転ステージと、
前記回転ステージの回転軸に対して垂直な直動移動方向に直動移動可能な直動ステージと、
前記回転軸及び前記直動移動方向に対して４５°傾斜した反射面を有するミラー部材であって、前記直動ステージ上に固定され、前記回転ステージに形成された穴を貫通するように配置されており、前記直動ステージの直動移動に伴って前記直動ステージが設けられた基台に対して直動移動可能なミラー部材と、
測定光を前記反射面で反射させることにより前記ワークの内面に前記測定光を照射し、前記円筒形状のワークの内面の形状を測定する白色干渉顕微鏡と、
前記直動ステージを直動移動させることにより、前記測定光が照射される測定視野を前記高さ方向に沿って移動させ、前記回転ステージを回転させることにより、前記測定視野を前記ワークの周方向に移動させる制御部と、
を備える測定装置。

【請求項2】

前記測定視野ごとの測定データをつなぎ合わせる画像処理部を備える請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

円筒形状のワークが載置される回転ステージであって、前記ワークの高さ方向に沿う回転軸の周りに回転可能な回転ステージと、
前記回転ステージの回転軸に対して垂直な直動移動方向に直動移動可能な直動ステージと、
前記回転軸及び前記直動移動方向に対して４５°傾斜した反射面を有するミラー部材であって、前記直動ステージ上に固定され、前記回転ステージに形成された穴を貫通するように配置されており、前記直動ステージの直動移動に伴って前記直動ステージが設けられた基台に対して直動移動可能なミラー部材と、
測定光を前記反射面で反射させることにより前記ワークの内面に前記測定光を照射し、前記円筒形状のワークの内面の形状を測定する白色干渉顕微鏡とを備える測定装置における測定方法であって、
前記直動ステージを直動移動させることにより、前記測定光が照射される測定視野を前記高さ方向に沿って移動させるステップと、
前記回転ステージを回転させることにより、前記測定視野を前記ワークの周方向に移動させるステップと、
を含む測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は測定装置及び方法に係り、特に円筒形状のワークの内面の形状を測定することが可能な測定装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、円筒形状のワークの内面の形状を非接触で測定する形状測定装置が提案されている。例えば、特許文献１には、円筒形状のワークの中に円錐プリズムを互いの中心軸が一致するように配置し、円錐プリズムにより測定光を直角に偏向することにより、ワークの内面に測定光を照射して、ワークの内面の三次元形状を測定する形状測定装置が開示されている。特許文献１に記載の形状測定装置によれば、円筒形状のワークをカットすることなく、その内面の三次元形状を測定することができる。また、特許文献１に記載の形状測定装置によれば、円錐プリズムの中心軸を中心とした周方向全体に向けて出射させることにより、円筒内面の周方向全体の形状を一度に測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－０７５５７７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、特許文献１に記載の形状測定装置では、ワークの内面の三次元形状を高さ方向（Ｚ方向）の広範囲にわたって測定する場合、ワークの内面に設定される測定エリアと形状測定装置との相対位置をＺ方向に変更する必要がある。ワークの内面を上部から下部に走査する場合、ワークの測定エリアが上部から下部になるに伴い、光学系の拡大倍率が悪化し、空間分解能が悪化する。

【0005】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ワークの内面の形状を高さ方向の広範囲にわたって精度よくかつ容易に測定することが可能な測定装置及び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】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る測定装置は、円筒形状のワークが載置される回転ステージであって、ワークの高さ方向に沿う回転軸の周りに回転可能な回転ステージと、回転ステージの回転軸に対して垂直な直動移動方向に直動移動可能な直動ステージと、回転軸及び直動移動方向に対して４５°傾斜した反射面を有するミラー部材であって、直動ステージ上に固定され、回転ステージに形成された穴を貫通するように配置されており、直動ステージの直動移動に伴って直動ステージが設けられた基台に対して直動移動可能なミラー部材と、測定光を反射面で反射させることによりワークの内面に測定光を照射し、円筒形状のワークの内面の形状を測定する白色干渉顕微鏡と、直動ステージを直動移動させることにより、測定光が照射される測定視野を高さ方向に沿って移動させ、回転ステージを回転させることにより、測定視野をワークの周方向に移動させる制御部とを備える。

【0007】

本発明の第２の態様に係る測定装置は、第２の態様において、測定視野ごとの測定データをつなぎ合わせる画像処理部を備える。

【0008】

本発明の第３の態様は、円筒形状のワークが載置される回転ステージであって、ワークの高さ方向に沿う回転軸の周りに回転可能な回転ステージと、回転ステージの回転軸に対して垂直な直動移動方向に直動移動可能な直動ステージと、回転軸及び直動移動方向に対して４５°傾斜した反射面を有するミラー部材であって、直動ステージ上に固定され、回転ステージに形成された穴を貫通するように配置されており、直動ステージの直動移動に伴って直動ステージが設けられた基台に対して直動移動可能なミラー部材と、測定光を反射面で反射させることによりワークの内面に測定光を照射し、円筒形状のワークの内面の形状を測定する白色干渉顕微鏡とを備える測定装置における測定方法であって、直動ステージを直動移動させることにより、測定光が照射される測定視野を高さ方向に沿って移動させるステップと、回転ステージを回転させることにより、測定視野をワークの周方向に移動させるステップとを含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ワークの内面の形状を高さ方向の広範囲にわたって精度よくかつ容易に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る測定装置を示すブロック図である。

【図2】図２は、ワークの内面を高さ方向（Ｚ方向）に走査する手順を示す図である。

【図3】図３は、ワークの内面を高さ方向（Ｚ方向）及び周方向に走査する手順を示す図である。

【図4】図４は、本発明の一実施形態に係る測定方法を示すフローチャートである。

【図5】図５は、図４のＺ方向測定工程を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面に従って本発明に係る測定装置及び方法の実施の形態について説明する。

【0012】

［測定装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る測定装置を示すブロック図である。

【0013】

本実施形態に係る測定装置１は、ステージＳＴに載置されたワーク（被測定物）Ｗの形状（表面粗さ、三次元形状及び輪郭等を含む。）の測定を行うため装置であり、ステージＳＴ、制御装置１０と、白色干渉顕微鏡５０とを含んでいる。以下の説明では、ステージＳＴのワークＷが載置される載置面に沿う平面をＸＹ平面とし、高さ方向をＺ方向とする３次元直交座標系を用いて説明する。

【0014】

（ステージＳＴ）
まず、ワークＷが載置されるステージＳＴについて説明する。

【0015】

図１に示すように、ステージＳＴは、回転ステージＳＴ１、直動ステージＳＴ２及び基台ＳＴ３を含んでいる。

【0016】

直動ステージＳＴ２は、基台ＳＴ３の上に設けられており、基台ＳＴ３に対して直動移動可能となっている。すなわち、基台ＳＴ３に対して回転ステージＳＴ１及び直動ステージＳＴ２が直動移動方向（Ｘ方向）に直動移動する構造となっている。直動ステージＳＴ２には、斜切円柱形状のミラー部材Ｍが固定されている。

【0017】

回転ステージＳＴ１は、直動ステージＳＴ２の上にＺ軸周りに回転可能に設けられている。回転ステージＳＴ１には、ミラー部材Ｍよりも大径の穴Ｈが形成されており、ミラー部材Ｍはこの穴Ｈを貫通するように配置されている。ミラー部材Ｍは、直動ステージＳＴ２の直動移動に伴い、基台ＳＴ３に対して直動移動可能となっている。

【0018】

図１に示すように、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの測定を行う場合、被測定物である円筒形状のワークＷは、回転ステージＳＴ１に形成された穴Ｈに重なるように配置される。ここで、図１に示す例では、対物部６４の光軸ＡＸ（図２（ｂ）参照）と回転ステージＳＴ１に形成された穴Ｈの中心軸とは一致している。また、ワークＷの中心軸は、回転ステージＳＴ１の中心軸と一致するように、不図示の保持手段（例えば、クランプ等）により保持される。

【0019】

白色干渉顕微鏡５０から出射した測定光Ｌ０は、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓに反射されてワークＷの内面Ｗ_ｉｎに到達する。これにより、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの表面粗さを測定することが可能になる。

【0020】

なお、本実施形態では、ミラー部材Ｍを斜切円柱形状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、斜切多角柱形状、円錐形状又は多角錐形状であってもよいし、任意の形状の反射板を柱で支持する構造であってもよい。

【0021】

（制御装置１０）
次に、測定装置１の制御装置１０について説明する。

【0022】

制御装置１０は、白色干渉顕微鏡５０の各部の制御を行い、白色干渉顕微鏡５０による測定の結果を処理する装置であり、制御部１２、入出力部１４、記憶部１６及び信号処理部１８を含んでいる。制御装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ、ワークステーション等の汎用のコンピュータによって実現可能である。

【0023】

制御部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいる。制御部１２は、入出力部１４を介して作業者から操作入力を受け付けて、制御装置１０の各部を制御する。また、制御部１２は、白色干渉顕微鏡５０の光源部５２の出力制御を行って、ワークＷに照射される照明光の光量等を調整する。制御部１２は、回転ステージ駆動部８０及び直動ステージ駆動部８２の駆動制御を行ってステージＳＴ１及びＳＴ２を動作させて、ワークＷの観察対象位置（測定位置）の調整等を行う（図２及び図５参照）。また、制御部１２は、鏡筒５６とステージＳＴ１との間の高さ方向（Ｚ方向）の相対位置（距離）の制御を行う。制御部１２は、本発明の制御部及び画像処理部の一例である。

【0024】

入出力部１４は、作業者の操作入力を受け付けるための操作部材（例えば、キーボード、ポインティングデバイス等）と、白色干渉顕微鏡５０によるワークＷの測定の結果等を表示するための表示部（例えば、液晶ディスプレイ等）とを含んでいる。

【0025】

信号処理部１８は、白色干渉顕微鏡５０の検出器７６から検出信号を取得して、この検出信号に対して信号処理を行い、干渉縞の形状及び振幅等を算出する。

【0026】

記憶部１６は、白色干渉顕微鏡５０の制御及びワークＷの測定結果等の測定データの処理のためのプログラム、並びに測定データを保存するためのストレージデバイスである。記憶部１６としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等を用いることができる。

【0027】

（白色干渉顕微鏡５０）
次に、測定装置１の白色干渉顕微鏡５０について説明する。以下の説明では、円筒形状のワークＷの内面Ｗ_ｉｎの測定を行う例について説明する。

【0028】

白色干渉顕微鏡５０は、光源部５２、ライトガイド５４及び鏡筒５６を含んでいる。鏡筒５６の下端部にはターレット６２が取り付けられており、鏡筒５６の上端部には検出器７６が取り付けられている。ターレット６２には、複数（図１に示す例では３個）の対物部６４が取り付けられている。複数の対物部６４に含まれる干渉対物レンズ６６は、相互に倍率が異なっており、ターレット６２を回転させることにより、ワークＷの測定に使用する干渉対物レンズ６６を切り替えることが可能となっている。

【0029】

光源部５２は、白色光を出力する光源であり、例えば、ハロゲンランプ、レーザー光源又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源等である。ここで、白色光とは、可視光領域（波長約４００ｎｍ～約７２０ｎｍ）の波長の可視光線を混ぜ合わせた光であり、例えば、赤、緑及び青の３色（３原色）の光を適切な比率で混合した光であってもよい。

【0030】

ライトガイド５４は、光源部５２から出力された白色光を鏡筒５６に伝播する光路を形成する部材であり、例えば、光ファイバである。

【0031】

鏡筒５６は、同軸落射型の照明光学系を有している。鏡筒５６には、照明用レンズ５８、ビームスプリッター６０、結像レンズ７２及び絞り７４が配置されている。鏡筒５６とステージＳＴ１との高さ方向（Ｚ方向）の相対位置（距離）は、制御部１２により変更可能となっている。なお、図１に示す例では、鏡筒５６をＺ方向に移動させるようにしたが、基台ＳＴ３にＺ方向の駆動機構を設けてステージＳＴ１を移動させるようにしてもよいし、両者を移動可能としてもよい。

【0032】

照明用レンズ５８は、ライトガイド５４を介して鏡筒５６に入射した白色光（照明光）を干渉対物レンズ６６の瞳位置に導光する（結像させる）光学系を有する。照明用レンズ５８から出力された照明光は、ビームスプリッター６０によって反射されて対物部６４に導光される。

【0033】

ビームスプリッター６０を介して導光された照明光は、干渉対物レンズ６６により対物部６４の出射側に導光される。対物部６４の出射側に導光された照明光のうちハーフミラー６８を透過した成分（測定光Ｌ０）は、ステージＳＴ１に載置された円筒形状のワークＷの内部に導光された後、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓで反射されてワークＷの内面Ｗ_ｉｎに到達して反射される。そして、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎからの第１の反射光Ｌ１は、ハーフミラー６８を透過して結像レンズ７２に到達する。一方、対物部６４の出射側に導光された照明光のうちハーフミラー６８に反射された成分（第２の反射光Ｌ２）は、参照ミラー７０に導光されて反射される。参照ミラー７０は、干渉対物レンズ６６の出射側（ワークＷ側）の焦点位置と共役な位置に配置されている。参照ミラー７０からの第２の反射光Ｌ２は、ハーフミラー６８に反射されて結像レンズ７２に到達する。

【0034】

結像レンズ７２は、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎからの反射光Ｌ１と、参照ミラー７０からの第２の反射光Ｌ２とを検出器７６の光検出面に結像させる光学系を有する。

【0035】

絞り７４は、結像レンズ７２と検出器７６との間に設けられており、結像レンズ７２から検出器７６に導光される第１の反射光Ｌ１及び第２の反射光Ｌ２の一部を遮光する。

【0036】

検出器７６は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の光検出アレイ素子（以下、イメージセンサーという。）を含んでいる。検出器７６は、イメージセンサーの各受光素子が検出した光強度を示すアナログ又はデジタルの検出信号を生成し、信号処理部１８に出力する。これにより、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの画像が取得される。また、検出器７６は、この画像の各画素の干渉波形（インターフェログラム）を取得する。

【0037】

検出器７６は、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎからの第１の反射光Ｌ１及び参照ミラー７０からの第２の反射光Ｌ２を受光して検出信号を生成し、信号処理部１８に出力する。

【0038】

信号処理部１８は、白色干渉顕微鏡５０の検出器７６から検出信号を取得して、この検出信号に対して所定の信号処理を行い、干渉縞の形状及び振幅等を算出する。ここで、干渉対物レンズ６６を高さ方向（Ｚ方向）に走査したときに得られる輝度変化曲線（干渉波形）をインターフェログラムという。

【0039】

制御部１２は、干渉対物レンズ６６を高さ方向（Ｚ方向）に走査したときに、信号処理部１８によって算出された干渉縞の形状及び振幅等に基づいて、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状、表面粗さ等の測定を行う。具体的には、制御部１２は、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎとハーフミラー６８との間の距離と、参照ミラー７０とハーフミラー６８との間の距離の差（以下、光路差という。）を利用して、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状、表面粗さ等の測定を行う。このような測定方法は、垂直走査法（ＶＳＩ：Vertical Scanning Interferometry）と呼ばれる。垂直走査法については、例えば、米国特許第４３４０３０６号明細書に記載されている。なお、垂直走査法は、ＣＳＩ（Coherence Scanning Interferometry）として、国際標準化機構（ＩＳＯ：International Organization for Standardization）により規格化されている（ISO25178-604:2013）。

【0040】

光路差が変化すると、第１の反射光Ｌ１と第２の反射光Ｌ２との間に位相差が変化し、この位相差の変化に応じて干渉縞が変化する。光路差がゼロの場合、すなわち、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎに合焦している場合には、第１の反射光Ｌ１と第２の反射光Ｌ２との間に位相差が生じない。このため、干渉強度が最大となり、干渉縞の振幅が最大になる。一方、光路差が大きくなると、干渉強度が小さくなる。

【0041】

制御部１２は、例えば、信号処理部１８によって算出された干渉縞の振幅が最大になるときの干渉対物レンズ６６の高さ方向（Ｚ方向）の位置（Ｚ軸高さ）を取得する。ここで、干渉縞の振幅が最大になるときの干渉対物レンズ６６の高さ方向の位置は、インターフェログラムにおける包絡線から求めることができる。そして、制御部１２は、この干渉対物レンズ６６の位置に基づいて、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの高さ位置（合焦位置）を算出し、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状、表面粗さ等の測定を行う。制御部１２は、この測定の結果を記憶部１６に格納したり、入出力部１４の表示部に表示させることが可能となっている。

【0042】

なお、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの高さ位置の測定方法は、ＶＳＩ又はＣＳＩに限定されない。ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの高さ位置の測定方法としては、例えば、周波数領域法（ＦＤＡ：Frequency Domain Analysis）又は位相シフト法（ＰＳＩ：Phase Shifting Interferometry）を適用してもよい。周波数領域法は、インターフェログラムをフーリエ変換し、振幅スペクトルのピーク位置付近で、波数に対する位相の勾配を求めることにより、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの高さ位置を求める方法である。周波数領域法については、例えば、米国特許第５３９８１１３号明細書に記載されている。位相シフト法は、干渉対物レンズ６６の焦点位置を光軸方向にシフトさせたときの画素の濃度値の変化に基づいて、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの高さ位置を求める方法である。位相シフト法については、例えば、J. H. Bruning et al.: "Digital Wavefront Measuring Interferometer for Testing Optical Surfaces and Lenses, Applied Optics, Vol. 13, Issue 11, pp. 2693-2703 (1974)に記載されている。

【0043】

ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状を測定する場合、Ｚ方向に沿う走査は、直動ステージ駆動部８２により行われる。直動ステージ駆動部８２は、基台ＳＴ３に対して回転ステージＳＴ１及び直動ステージＳＴ２をＸ方向に直動移動させるための駆動機構（例えば、アクチュエータ等）を備えている。

【0044】

また、ワークＷの周方向に沿う走査は、回転ステージ駆動部８０により行われる。回転ステージ駆動部８０は、回転ステージＳＴ１をＺ軸回りに回転させるための駆動機構（例えば、アクチュエータ等）を備えている。

【0045】

制御部１２は、回転ステージ駆動部８０及び直動ステージ駆動部８２により、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの撮像を順次行う。そして、制御部１２は、順次撮像された画像をつなぎ合わせることにより、ワークＷの測定対象範囲全体の合成画像を作成することができる（例えば、特開２０２０－１５９７５９号公報参照）。これにより、ワークＷの測定対象範囲全体の形状の測定を行うことが可能になる。

【0046】

［ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの走査手順］
次に、円筒形状のワークＷの内面Ｗ_ｉｎを測定する場合の走査手順について説明する。

【0047】

図２は、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎを高さ方向（Ｚ方向）に走査する手順を示す図（正面図及び一部断面図）である。図２において、（ｂ）は、ミラー部材Ｍの中心軸と対物部６４の光軸ＡＸとが一致した状態を示しており、（ａ）及び（ｃ）は、円筒形状のワークＷとミラー部材Ｍが（ｂ）を基準としてそれぞれ±Ｘ方向に直動移動した状態を示している。なお、ワークＷの中心軸は、回転ステージＳＴ１の中心軸と一致するように配置されている。

【0048】

図２に示すように、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓは、Ｚ軸（回転ステージＳＴ１の回転軸）及びＸ軸（直動移動方向）に対して４５°傾斜しており、ワークＷに照射される測定光Ｌ０は反射面Ｍ_Ｓにより直角に折り曲げられてワークＷの内面Ｗ_ｉｎに入射する。ワークＷに照射される測定光Ｌ０の照射位置（観察対象位置）は、直動ステージ駆動部８２により直動ステージＳＴ２をＸ方向に移動させることによりＺ方向に変更可能となっている。

【0049】

図２（ｂ）に示すように、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓが位置Ｍ_Ｓ（０）にある場合、測定光Ｌ０の照射位置Ｖ（０）が測定可能な領域（以下、測定視野という。）となる。

【0050】

図２（ｂ）において、対物レンズ６４から、反射面Ｍ_Ｓ上における測定光Ｌ０の到達位置（反射位置）Ｐ（０）までの距離をＺ、位置Ｐ（０）から位置Ｖ（０）までの距離をＸとする。このとき、対物レンズ６４から位置Ｖ（０）までの光路長Ｄ（０）は、Ｄ（０）＝Ｚ＋Ｘとなる。

【0051】

次に、図２（ａ）に示すように、直動ステージＳＴ２の直動移動に伴って回転ステージＳＴ１も共に＋Ｘ方向にΔＸ移動した場合、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎが位置Ｗ_ｉｎ（０）から＋Ｘ方向にΔＸ移動した位置Ｗ_ｉｎ（＋）に移動し、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓが位置Ｍ_Ｓ（０）から＋Ｘ方向にΔＸ移動した位置Ｍ_Ｓ（＋）に移動する。この場合、測定光Ｌ０の照射位置が上側（＋Ｚ側）にΔＺ移動し、測定視野がＶ（＋）となる。

【0052】

図２（ａ）において、対物レンズ６４から、反射面Ｍ_Ｓ上における測定光Ｌ０の到達位置Ｐ（＋）までの距離は（Ｚ－ΔＺ）、位置Ｐ（＋）から位置Ｖ（＋）までの距離は（Ｘ＋ΔＸ）となる。このとき、対物レンズ６４から位置Ｖ（＋）までの光路長Ｄ（＋）は、Ｄ（＋）＝（Ｚ－ΔＺ）＋（Ｘ＋ΔＸ）となる。ここで、反射面ＭＳの傾斜角が４５°であるから、ΔＸ＝ΔＺである。したがって、Ｄ（＋）＝Ｚ＋Ｘとなる。

【0053】

また、図２（ｃ）に示すように、直動ステージＳＴ２の直動移動に伴って回転ステージＳＴ１も共に－Ｘ方向にΔＸ移動した場合、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎが位置Ｗ_ｉｎ（０）から－Ｘ方向にΔＸ移動した位置Ｗ_ｉｎ（－）に移動し、ミラー部材Ｍの反射面Ｍ_Ｓが位置Ｍ_Ｓ（０）から－Ｘ方向にΔＸ移動した位置Ｍ_Ｓ（－）に移動する。この場合、測定光Ｌ０の照射位置が下側（－Ｚ側）にΔＺ移動し、測定視野がＶ（－）となる。

【0054】

図２（ｃ）において、対物レンズ６４から、反射面Ｍ_Ｓ上における測定光Ｌ０の到達位置Ｐ（－）までの距離は（Ｚ＋ΔＺ）、位置Ｐ（－）から位置Ｖ（－）までの距離は（Ｘ－ΔＸ）となる。このとき、対物レンズ６４から位置Ｖ（－）までの光路長Ｄ（＋）は、Ｄ（＋）＝（Ｚ－ΔＺ）＋（Ｘ＋ΔＸ）＝Ｚ＋Ｘとなる。

【0055】

このように、直動移動を繰り返してワークＷの内面Ｗ_ｉｎを順次走査することにより、Ｚ方向の全測定対象範囲の測定データを得ることが可能になる。図２に示すように、本実施形態では、ミラー部材Ｍの直動移動によりＺ方向の走査を行うので、直動移動の前後で対物部６４からワークＷの内面Ｗ_ｉｎまでの距離が変化しない（Ｄ（０）＝Ｄ（－）＝Ｄ（＋））。このため、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎを上部から下部に走査してもあらためてピント合わせを行う必要がないので、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状を高さ方向の広範囲にわたって精度よくかつ容易に測定することができる。

【0056】

図３は、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎを高さ方向（Ｚ方向）及び周方向に走査する手順を示す図である。

【0057】

直動ステージＳＴ２を－Ｘ方向に順次移動させると、図３に示すように、測定視野が位置Ｖ（１，１）、Ｖ（１，２）、…、Ｖ（１，Ｎ）の順に移動する。ここで、直動移動量ΔＸ及び直動移動の繰り返し回数（移動回数）Ｎは、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の形状、大きさ及び測定データ（画像）のつなぎ合わせのための重複領域（位置合わせに使用する画素群。例えば、特開２０２０－１５９７５９号公報参照。）の大きさＺ_ｍによって決まる。図３に示す例では、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）は略矩形であるため、直動移動量ΔＸ及び直動移動の繰り返し回数Ｎは、Ｚ方向の測定対象範囲（Ｚ方向測定範囲）Ｚ_Ａ、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）のＺ方向寸法Ｚ_Ｖ及び測定データ（画像）のつなぎ合わせのための重複領域の大きさＺ_ｍにより決定される。この場合、直動移動量ΔＸは、Ｚ_Ｖ－Ｚ_ｍとなる。また、直動移動の繰り返し回数Ｎは、Ｎ×Ｚ_Ｖ－（Ｎ－１）×Ｚ_ｍ≧Ｚ_Ａとなる範囲で決定される。なお、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の形状によっては、Ｚ_ｍは上下で異なりうる。

【0058】

Ｚ方向測定範囲Ｚ_Ａ全体の走査が終了すると、回転ステージＳＴ１をＺ軸周りに回転角θ回転させて、次の列Ｖ（２，１）、Ｖ（２，２）、…、Ｖ（２，Ｎ）の走査が行われる。ここで、回転角θは、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の形状、大きさ及び測定データ（画像）のつなぎ合わせのための重複領域の大きさＣ_ｍによって決まる。図３に示す例では、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）は略矩形であるため、回転移動の繰り返し回数Ｍは、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの周の長さＣ_Ａ、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の周方向寸法Ｃ_Ｖ及び測定データ（画像）のつなぎ合わせのための重複領域の大きさＣ_ｍにより決定される。この場合、回転移動の繰り返し回数Ｍは、Ｍ×Ｃ_Ｖ－（Ｍ－２）×Ｃ_ｍ≧Ｃ_Ａとなる範囲で決定される。なお、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の形状によっては、Ｃ_ｍは左右で異なりうる。

【0059】

上記のように、Ｚ方向及び周方向の走査を繰り返すことにより、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの測定対象範囲全体の測定を行うことができる。

【0060】

なお、上記の例では、Ｚ方向の走査と周方向の走査をＶ（１，１）～Ｖ（１，Ｎ）、Ｖ（２，１）～Ｖ（２，Ｎ）、…、Ｖ（Ｍ，１）～Ｖ（Ｍ，Ｎ）の順番で行ったが、走査の順番は上記の例に限定されない。ワークＷの形状及び大きさ等に応じてより効率的な走査の順番を選択可能である。例えば、Ｚ方向の走査の順番を隔行で逆にしてもよい（Ｖ（１，１）～Ｖ（１，Ｎ）、Ｖ（２，Ｎ）～Ｖ（２，１）、Ｖ（３，１）～Ｖ（３，Ｎ）、…）。また、周方向の走査を先に行ってもよい（例えば、Ｖ（１，１）～Ｖ（Ｍ，１）、Ｖ（Ｍ，２）、Ｖ（１，２）～Ｖ（Ｍ－１，２）、Ｖ（Ｍ－１，３）、…）。

【0061】

［測定方法］
図４は、本発明の一実施形態に係る測定方法を示すフローチャートであり、図５は、図４のＺ方向測定工程を示すフローチャートである。

【0062】

まず、ワークＷを回転ステージＳＴ１に設置し（ステップＳ１０）、白色干渉顕微鏡５０の光学系（鏡筒５６）とワークＷをＺ方向に相対移動させてピント合わせを行う（ステップＳ１２）。ステップＳ１０において、ワークＷの中心軸は、対物部６４の光軸ＡＸと一致するように配置される。そして、ステップＳ１２のピント合わせは、ミラー部材Ｍの中心軸と対物部６４の光軸ＡＸとが一致した状態で行う（図２（ｂ）参照）。

【0063】

次に、入出力部１２により、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎにおけるＺ方向測定範囲Ｚ_Ａを設定する（ステップＳ１４）。

【0064】

次に、測定視野Ｖ（ｉ，ｊ）の大きさに基づいて直動ステージの移動量ΔＸ、移動回数Ｎ及び回転角度θを算出する（ステップＳ１６）。

【0065】

次に、周方向走査の繰り返しパラメータｉを初期化してｉ＝１とし（ステップＳ１８）、ワークのＺ方向測定範囲Ｚ_Ａ（測定視野Ｖ（ｉ，ｊ））の測定を順次行う（ステップＳ２０）。

【0066】

図５に示すように、ステップＳ２０（Ｚ方向測定工程）では、まず、Ｚ方向走査の繰り返しパラメータｊを初期化してｊ＝１とし（ステップＳ２００）、測定視野Ｖ（１，１）の測定を行う（ステップＳ２０２）。次に、直動ステージＳＴ２をΔＸ移動させて（ステップＳ２０４のＮｏ、ステップＳ２０６）、ｊ＝ｊ＋１として（ステップＳ２０８）、測定視野Ｖ（１，２）の測定を行う（ステップＳ２０２）。

【0067】

上記のように、ステップＳ２０２からＳ２０８を繰り返すことにより、ワークＷのＺ方向測定範囲Ｚ_Ａ（測定視野Ｖ（１，１）～Ｖ（１，Ｎ））の測定を行う。そして、ｊ＝Ｎとなって、ワークＷのＺ方向測定範囲Ｚ_Ａ（測定視野Ｖ（１，１）～Ｖ（１，Ｎ））の測定が終了すると（ステップＳ２０４のＹｅｓ）、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎのＺ方向測定範囲Ｚ_Ａ（測定視野Ｖ（１，１）～Ｖ（１，Ｎ））の測定データをつなぎ合わせる（ステップＳ２１０）。

【0068】

このように、Ｚ方向測定工程（ステップＳ２０）が行われた後、図４に示すように、ｉ＝Ｍでない場合、すなわち、ワークＷの全周の測定が終了していない場合（ステップＳ２２のＮｏ）には、回転ステージＳＴ１をθ回転させ（ステップＳ２４）、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ２６）、ワークＷのＺ方向測定範囲Ｚ_Ａ（測定視野Ｖ（２，１）～Ｖ（２，Ｎ））の測定を行う。

【0069】

上記のように、ステップＳ２０からＳ２６を繰り返すことにより、ワークＷの周方向の走査を繰り返す。そして、ｉ＝Ｍとなって、ワークＷの全周の測定が終了すると（ステップＳ２２のＹｅｓ）、ワークの全周の測定データをつなぎ合わせる（ステップＳ２８）。これにより、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの測定対象範囲全体の測定データ（合成画像）を得ることができる。

【0070】

本実施形態によれば、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎを上部から下部に走査してもあらためてピント合わせを行う必要がないので、ワークＷの内面Ｗ_ｉｎの形状を高さ方向の広範囲にわたって精度よくかつ容易に測定することができる。

【0071】

なお、図５に示す例では、Ｚ方向測定工程のループごとに画像のつなぎ合わせを行ったが、全周の測定終了後（ステップＳ２８）で全測定データのつなぎ合わせを行うようにしてもよい。また、周方向の走査を先に行う場合には、周方向のつなぎ合わせを先に行ってもよい。

【符号の説明】

【0072】

１…測定装置、１０…制御装置、１２…制御部、１４…入出力部、１６…記憶部、１８…信号処理部、５０…白色干渉顕微鏡、５２…光源部、５４…ライトガイド、５６…鏡筒、５８…照明用レンズ、６０…ビームスプリッター、６２…ターレット、６４…対物部、６６…干渉対物レンズ、６８…ハーフミラー、７０…参照ミラー、７２…結像レンズ、７４…絞り、７６…検出器、８０…回転ステージ駆動部、８２…直動ステージ駆動部、ＳＴ…ステージ、ＳＴ１…回転ステージ、ＳＴ２…直動ステージ、ＳＴ３…基台、Ｍ…ミラー部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】