CN102636144B - 形状测量设备和形状测量方法 - Google Patents

Abstract

接触型探头通过稳定地控制接触力可以高精度测量即使是大致竖直的大倾斜表面的形状。在通过使接触型探头沿着被测对象表面移动来测量被测对象表面形状的形状测量方法中，根据施加给探头的接触力的分力的大小估算被测对象表面的斜率，并且当确定斜率接近竖直时，探头支撑单元沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向移动。

Description

形状测量设备和形状测量方法

技术领域

本发明涉及具有触针式探头的形状测量设备及其形状测量方法，所述探头能够以纳米级高精度测量例如透镜和反射镜之类的光学元件、以及用于制造光学装置的模具的表面形状。更特别地，本发明涉及能够测量具有大倾斜角的形状，例如从水平面竖直立起的剪力墙表面的形状测量设备。

背景技术

通常，作为测量具有三维形状的被测对象的表面的特定部分的坐标或形状的形状测量方法，使用称作探头的触针的测量方法为人们所知。根据这种测量方法，允许探头以预定接触力按压被测对象的表面的同时追踪被测对象的表面，从而通过测量探头相对于预定原点的位置和探头定方来测量被测对象的形状。

通常，以日本专利申请早期公开No.2005-37197所述形状测量方法为基础的接触型探头已经为本领域技术人员所熟知。根据这种方法，使用触针式探头测量被测对象的形状，探头由从外壳悬挂下来的板簧支撑。探头设置有位移传感器，其能够测量探头相对于外壳的相对位置。根据这些传感器和悬挂的板簧沿各个方向的预先测得的硬度(弹簧常数)，可以根据探头接触被测对象时产生的位移测量接触力。通过合成所获得的沿各个方向的接触力Fx、Fy、Fz，可以估算被测对象作用于探头的法向力。允许探头以保持恒定的探头接触力F(法向力)追踪被测对象的轮廓以测量形状。因此，根据日本专利申请早期公开No.2005-37197中讨论的形状测量方法，即使被测对象具有大倾斜表面，也可以通过将探头施加给被测对象的接触力保持恒定来测量被测对象的形状。因此，形状得以测量，同时减小了测量期间取决于被测对象的表面倾斜度的接触力增大或减小所产生的系统误差。

然而，根据日本专利申请早期公开No.2005-37197中讨论的方法，外壳沿着固定扫描轨迹沿水平方向移动以扫描探头，并且由伺服马达驱动的外壳沿竖直方向位移。因此，可以控制施加给探头的接触力F(法向力)。因此，当被测对象表面具有陡坡，例如竖直表面时，即当用于控制所述作用力的外壳的位移方向与被测对象的斜坡的切线大体上平行时，即使外壳沿竖直方向位移，施加给被测对象的接触力也没什么改变，从而难以控制所述接触力。

当探头沿着扫描轨迹沿水平方向移动并且探头接触被测对象的竖直表面时，通过外壳移动施加给探头的作用力S中的沿被测对象的切线方向的分力St非常小，使得探头不能移动，从而难以沿着被测对象的轮廓扫描探头。

因此，当探头与大倾斜表面，例如竖直表面保持接触，同时通过使外壳沿竖直方向位移来控制施加给探头的接触力F时，难以允许探头追踪被测对象的轮廓，从而难以测量形状。

发明内容

本发明涉及能够测量具有大倾斜表面，如竖直面的被测对象的形状，同时通过使构造为支撑所述探头的探头支撑单元沿竖直方向移动而控制施加给探头的接触力F的形状测量设备和方法。

根据本发明的一个方面，一种形状测量设备，该形状测量设备通过沿着被测对象的表面扫描接触型探头，同时使该接触型探头与被测对象保持接触并测量接触型探头的位置来测量被测对象的形状，所述形状测量设备包括：探头支撑单元，其可沿三维方向移动；接触型探头，其相对于所述探头支撑单元被弹性支撑；测量单元，其构造为测量所述接触型探头的位置和定向；和计算单元，其构造为根据接触型探头的测量到的位置和定向计算被测对象施加给接触型探头的接触力，其中，所述探头支撑单元如此构造，当接触力的包含沿探头支撑单元的移动方向的分量的分力超过预定阈值时，所述探头支撑单元沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向被驱动以使接触型探头移动。

根据本发明的另一方面，一种形状测量方法，该形状测量方法通过沿着被测对象的表面扫描由可沿三维方向移动的探头支撑单元弹性支撑的接触型探头，同时使该接触型探头与被测对象保持接触并测量接触型探头的位置来测量被测对象的形状，所述形状测量方法包括：测量接触型探头的位置和定向并且根据接触型探头的测得的位置和定向计算接触力；通过使探头支撑单元移动，同时利用作用力控制单元控制接触力使之接近目标值来利用接触型探头扫描被测对象的表面；和当接触力的包含沿探头支撑单元的移动方向的所述分量的分力超过预定阈值时，沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向驱动探头支撑单元以使接触型探头移动。

根据本申请的发明，根据施加给探头的接触力和沿探头支撑单元移动方向的分量大小沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向驱动探头支撑单元。因此，即使被测对象具有大倾斜表面，也能够允许探头追踪被测对象的表面。因此，能够测量即使具有竖直面的被测对象的形状。

通过参考附图阅读示例性实施例的下列详细说明，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

包含在说明书中并构成其一部分的附图显示了本发明示例性实施例、特征和方面，并且连同具体说明一起解释本发明的原理。

图1是根据本发明的第一示例性实施例的探头的构造图。

图2是根据本发明的第二示例性实施例的探头的构造图。

图3A和3B是根据本发明的第二示例性实施例的探头的构造图。

图4是显示了取决于被测对象和顶珠的位置的接触力、其分力以及探头的轨迹方向之间关系的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的多个示例性实施例、特征和方面。

下面将描述第一示例性实施例。图1显示了第一示例性实施例，详细示出了本发明的特征。参考图1，形状测量设备安装在地面上。振动控制基座2a、2b放置在地面1上，并且测量基座3置于振动控制基座上。振动控制基座可以削弱从地面1传递给测量基座的振动。该测量基座用于固定被测对象4和三个基准反射镜，随后，该形状测量设备测量被测对象的表面上的点相对于这些基准反射镜的位置。

测量基座3是箱形结构，其中固定有被测对象4。另外，测量基座3具有作为沿水平方向的位置基准的X-基准反射镜5、Y-基准反射镜(未显示)和作为沿竖直方向的位置基准的Z-基准反射镜7。测量基座和基准反射镜起到测量基准的作用并且利用具有低线性热膨胀系数的材料，例如低热膨胀陶瓷、低热膨胀铸铁、低热膨胀玻璃制成。这些基准反射镜在利用激光测量机测量距离时起到位置基准的作用。

下面将描述构造成使探头移动的滑动件。振动控制基座8a、8b安装在地面1上，扫描轴基座9置于振动控制基座8a、8b上。以扫描轴基座9作为固定单元，可相对于X方向在同一图中相对移动的X轴滑动件10和X轴马达11设置在扫描轴基座9上。可相对于X轴滑动件10沿Y方向相对移动的Y轴滑动件和Y轴马达13设置在X轴滑动件10上。同样地，可相对于Y轴马达12沿Z方向相对移动的Z轴滑动件14和Z轴马达15设置在Y轴滑动件12上。

利用这种结构，Z轴滑动件14可沿X、Y和Z方向三维移动。探头支撑单元17固定在Z轴滑动件14上，探头轴19由从探头支撑单元17悬挂的板簧18支撑。板簧18由一或更多个薄金属板构造而成，虽然图2所示板簧18为悬臂梁结构，但是它可以形成为双端梁。为了保证热稳定性，探头轴19由具有低线性热膨胀系数的材料，例如低热膨胀陶瓷、低热膨胀铸铁、低热膨胀玻璃制成。探头轴19具有位于其顶端的三面反射镜20和位于其底端的顶珠21，所述三面反射镜具有分别沿Z方向、X方向和Y方向的镜面，所述顶珠与被测对象4接触。

如上所述，探头支撑单元17固定在X轴滑动件、Y轴滑动件和Z轴滑动件上，使得探头支撑单元17被构造成可三维移动。由探头轴19和顶珠21组成的接触型探头相对于该探头支撑单元被弹性支撑。

探头小反射镜22被构造成测量沿X方向和Y方向的位移，并且设置在探头轴19上以使它与三面反射镜20隔开。另一方面，探头支撑单元17设置有干涉计，其被构造成测量三面反射镜20的位移以测量探头的位置和定向。这些干涉计包括被构造成测量沿X方向的位移的干涉计Xp1，并类似地包括被构造成测量沿Y方向的位移的干涉计Yp1和被构造成测量沿Z方向的位移的干涉计Zp(未显示)。为了测量离探头小反射镜22的距离，探头支撑单元17上设置有被构造成测量沿X方向的位移的干涉计Xp2和被构造成测量沿Y方向的位移的干涉计Yp2(未显示)。Z方向距离测量小反射镜23设置在探头支撑单元17上，Z轴干涉计Z1用于测量离Z-基准反射镜7的距离。Z轴干涉计Z1和干涉计Zp布置成使其测量轴线穿过探头的轴线和顶珠21的中心。

为了测量位于两个位置处的X-基准反射镜5和探头支撑单元17之间的距离，X方向距离测量小反射镜24a、24b设置在探头支撑单元17上。构造成测量这些距离的X轴干涉计X1、X2设置在Z轴滑动件14上。对Y方向而言，尽管没有显示，Y轴干涉计Y1、Y2设置在Z轴滑动件14上。对于这些干涉计而言，激光测量机测得的距离表示为与干涉计相同的符号。例如，干涉计X1测得的距离表示为X1。

在Z方向上用于安装各X方向和Y方向的干涉计的间隔表示为下列符号。

L1：干涉计X1和X2之间的间隔(与干涉计Y1和Y2(未显示)之间的间隔相同)

L2：干涉计X2和Xp1之间的间隔(与干涉计Y2和Yp1(未显示)之间的间隔相同)

L3：干涉计Xp1和Xp2之间的间隔(与Yp1和Yp2(未显示)之间的间隔相同)。

L4：干涉计Xp2和探头顶珠21的中心位置之间的间隔(与干涉计Yp2(未显示)和顶珠21之间的间隔相同)

使用测量得到的探头支撑单元17和设置在探头上的各反射镜之间的五个距离Xp1、Xp2、Yp1、Yp2、Zp，由探头位置和方向计算单元28根据下列公式计算顶珠21的中心位置Xs、Ys、Zs和探头轴相对于竖直方向的旋转角Xm、Ym。

在下列公式中，假定Xp1、Xp2、Yp1、Yp2、Zp表示由每个干涉计测得并且用图1中的箭头表示的距离。

Xs＝Xp1+(Xp2-Xp1)×(L3+L4)/L3(公式1)

Ys＝Yp1+(Yp2-Yp1)×(L3+L4)/L3(公式2)

Zs＝-Zp                      (公式3)

Xm＝(Xp2-Xp1)/L3             (公式4)

Ym＝(Yp2-Yp1)/L3             (公式5)

根据干涉计的安装方向和如何建立坐标确定这些符号。用于测量上述接触型探头的位置和定向的测量单元由各反射镜和各干涉计组成。

Xm表示指示干涉计Xp2的位置相对于干涉计Xp1的位置(Xp2-Xp1)与长度L3之比，并且表示探头轴相对于竖直方向的倾斜角Xm的正切tan(Xm)。在这种情况下，Xm是非常小的值，从而允许tan(Xm)≈Xm。因此，假定由探头支撑单元支撑的探头轴从其旋转中心到顶珠21的长度为L，则顶珠21在外力施加给顶珠21时产生的沿X方向的位移δx为L×Xm。

在接触型探头被弹性支撑在探头支撑单元上并随后给探头轴和顶珠21施加外力的情况下，通过预先测量探头轴的哪个位置相对于外力保持不动可以获得探头的旋转中心。因此，利用δx、δy、δz和预先获得的探头刚度Kx、Ky、Kz，接触力矢量计算单元27计算探头接触力F如下：

F＝((Kx×δx)²+(Ky×δy)²+(Kz×δz)²)^1/2   (公式6)

X轴马达11的操作受到接触力控制单元26的控制以使接触力F接近预定目标值Ft从而使F尽可能保持恒定地驱动X轴滑动件10。以同样的方式控制Y轴和Z轴。这称作接触力控制。

通过在进行接触力控制的同时扫描探头，可以获得追踪被测对象4的表面的探头的顶珠21的位置。如果假定探头的旋转中心在接触期间从不改变，则可以省略探头小反射镜22并使Xp2和Yp2为零。假定L3和L4是从探头旋转中心到Xp1和探头小反射镜22的距离。因此，只通过测量三面反射镜20的位移就可以容易地获得探头接触力F和顶珠21的位置。

当扫描探头时，主控制器29给X-Y平面提供类似例如光栅轨迹的扫描轨迹以使X轴滑动件10和Y轴滑动件12移动。在这种情况下，通过利用由位置控制单元25驱动的马达使这些滑动件移动到希望位置来控制X轴和Y轴。只通过用于控制F恒定的接触力控制的作用使Z轴滑动件14移动。因此，为了在控制F恒定的同时扫描探头，分别通过X轴方向移动量计算单元30和Y轴方向移动量计算单元31给X轴和Y轴增加位置控制指令和接触力控制指令。随后，X轴和Y轴同时接受接触力控制和位置控制以进行扫描操作。

图4是显示了取决于具有大倾斜面的被测对象4以及探头顶珠21的位置的接触力F、其分力Fx和探头轨迹方向之间的关系的示意图。下面将参考图4对该关系进行描述。为便于理解，图中省略探头轴。

当被测对象4具有相对于X-Y平面呈大倾斜角(例如竖直)的表面时，例如顶珠21位于图4所示位置P1并且用于测量倾斜面的情况，当扫描探头时，被测对象4的表面法向和探头扫描轨迹变得平行，同时其方向彼此相反。在这种情况下，当进行位置控制和接触力控制时，接触力F和沿扫描轨迹方向的用于位置控制所产生的作用力S在它们添加时互相抵消，从而不能在位置P1处沿Z轴正方向(以顶珠21应当移动的虚线表示)在被测对象上进行探头扫描。

即使被测对象4的表面法向与扫描轨迹不完全平行，如果它们处在彼此平行的附近区域，如图4中位置P2所示，当加入位置控制和接触力控制时，沿被测对象4的切线方向施加的作用力St(作用力S沿被测对象4的切线方向的分力)产生的操作量(探头应当移动)非常小，从而有可能使得不能进行探头扫描。

另一方面，当探头在大倾斜表面上沿着探头的扫描轨迹(如图4中的位置P4处所示)向下移动时，难以扫描探头。当探头沿着大倾斜表面向下移动时，顶珠21沿被测对象4的切线方向施加的作用力St相对于作用力S而言变得非常小。在这种情况下，存在探头相对于被测对象飘浮的可能性，从而可能无法在接触力F保持在特定值的情况下继续测量被测对象4的形状。为了解决这个难题，根据本示例性实施例，计算接触力F的X-Y平面上的分力Fx、Fy或其合力Fxy以监视接触力控制的状态。

在这种情况下，由接触力矢量计算单元根据下述公式计算Fxy：

Fxy＝((Kx×δx)²+(Ky×δy)²)^1/2   (公式7)

Fx和Fy中的任何一个目标值为0的情况相当于利用Fxy中Fx和Fy中的任意一个进行后续控制。因此，通过以包含这两种情况的、控制Fxy的情形为例，描述本示例性实施例的形状测量方法。当Fxy(其是接触力F的XY分量)增加并接近F的值时，通过接触力控制扰乱并抵消位置控制。因此，对于Fxy而言，确定相对于接触力F的阈值Thxy，并且通过使Z轴沿垂直于探头支撑单元的方向(在本示例性实施例中，为Z轴正向)具有速度Vz(其与超过阈值的作用力成比例)，探头向上移动并且继续进行扫描。例如，阈值Thxy被确定为接触力控制中的接触力F的目标值的0.8倍。假定比例系数为a，Vz计算如下：

Vz＝(Fxy-Thxy)×a       (公式8)

因此，当沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向移动探头时，可以避免探头有力压靠被测对象或者反之离被测对象太远。在这种情况下，可以给Z轴提供加速度Az而不是速度Vz，并沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向驱动探头支撑单元以使接触型探头发生位移。如果接触力F的大小已知，Thxy可以在使其与接触力F无关的情况下确定。

当在位置控制方面发送的命令合适时，可以提供与阈值Thxy和所计算分力Fxy之差的积分值成比例的位置。因此，能够在防止接触力控制和位置控制相互抵消的同时进行扫描。这样，即使被测对象具有大致竖直的大倾斜表面，也可以适当地给探头提供沿着倾斜面的驱动力，从而能够进行形状测量。

图3A和3B是显示了在探头与被测对象4的表面保持接触的情况下通过在具有与X-Y平面几乎垂直的平面的被测对象4的表面上扫描探头来测量被测对象4的形状的探头操作的流程图。

首先，描述图3A。在图3A的步骤S1中，使探头的顶珠21与被测对象4接触并且如上所述根据探头的位置和定向获得此时产生的接触力F。在控制探头使得接触力F接近目标值Ft的同时扫描探头。该操作对应于控制探头压力以接近特定值。

在步骤S2中，计算接触力F的分力，该分力具有沿探头支撑单元的移动方向，即探头扫描方向的分量。该步骤对应于计算接触力F的沿探头扫描方向的分量Fxy。从施加给位于图4中位置P2和P4处的顶珠21的作用力可以明显看出，该分力相对于扫描方向具有正分量(P4)和负分量(P2)。显而易见，所计算的分力无需与探头的扫描方向平行，并且任意分力都是允许的，只要它具有沿扫描方向的分量即可。探头支撑单元的移动方向根据探头的扫描轨迹获知，在用于光栅扫描的形状测量开始之前预先确定。

在步骤S3中，确定所述分力是否大于预定阈值Th。分力(在上述实例中为Fxy)不大于阈值Th的情形对应于沿与探头扫描方向垂直的方向延伸的分力分量较大的情形。因此，在伴随探头扫描进行的位置控制和接触力控制所产生的作用力不相互抵消的情况下，探头能够沿着被测对象4的表面扫描(这种情况例如是图4中位置P3处的状态)。在这种情况下，通过扫描探头，计算接触力F的具有沿探头扫描方向(探头支撑单元的移动方向)的分量的分力，并将该值与阈值Th再次比较。

在步骤S4中，当分力大于阈值Fh时，在预定扫描轨迹上，探头不能沿与当前扫描方向垂直的方向移动，因此，沿与扫描方向垂直的方向的触针压力的作用力控制无效。在本示例性实施例中，沿Z方向的触针压力的作用力控制无效。作用力控制的无效使作用力控制停止，更具体地，能够通过将容纳在接触力控制单元26中的积分器的增益调至零来实现所述无效。

当分力Fxy超过阈值Thxy时，探头支撑单元沿与探头扫描方向垂直的方向，例如，沿Z方向被驱动以使探头移动。在这种情况下，发生沿Z方向的触针压力随着探头沿Z方向的移动而减小的现象。产生这种现象的原因在于探头试图利用摩擦力停在那里。因此，为了使探头移动，使使得沿Z方向的触针压力恒定的作用力控制无效。

在步骤S5中，探头支撑单元的运动终止以使探头扫描停止。在步骤S6中，探头支撑单元沿与当前处于不动状态下的探头的扫描轨迹方向垂直的方向，换句话说，探头支撑单元的移动方向被驱动以使探头产生位移。根据就被测对象4的形状而言应当给被测对象4施加哪个方向的位移来确定这里描述的垂直方向。就具有半球部和柱部的构件而言，当顶珠21位于位置P1时，给探头支撑单元17提供具有沿Z轴正方向的分量的速度或加速度。相反地，如果提供沿Z轴负方向的速度或加速度，存在探头的顶珠21会与测量基座3相撞的担心并且不方便。因为在大部分情况下已知被测对象4的大概形状，允许预先设定探头支撑单元应当沿哪个方向移动。

在步骤S7中，当通过使沿Z方向的探头压力恒定的控制“生效”，分力Fxy在探头移动之后小于阈值Thxy时(步骤S7中为是)，探头能够返回到扫描缓坡时的操作。该操作能够通过将预先设定为0的积分器增益设置到除了0以外的其它值使作用力控制再次“生效”而实现。

在步骤S8中，此后，探头扫描重新开始，被测对象4的形状测量重新开始。在步骤S9中，确定被测对象4的目标区域的扫描是否终止并且如果已经终止时(步骤S10中为是)，测量终止并且否则(步骤S10中为否)，程序返回至步骤S1。

当探头移动，同时产生超过阈值的分力时，如果被测对象4的表面垂直于X-Y平面并且随后探头支撑单元17继续沿着扫描轨迹操作，则探头抵靠被测对象4的表面继续前进，使得触针压力持续升高。可替换地，当探头沿着陡坡向下移动时，探头离开被测对象4的表面，使得触针压力变为零并且探头飘浮在空中。

随后，当在如图3A的流程图所示测量形状中分力Fxy超过阈值Thxy时，探头支撑单元17沿扫描轨迹方向(例如，用于光栅扫描的当前行进方向)的驱动终止以停止探头的扫描。当探头移动超过竖向截面时，通过利用探头支撑单元17使得扫描在扫描轨迹方向上重新开始，即使被测对象具有竖直表面也能利用探头沿着被测对象4的表面进行扫描。

当被测对象4不具有像竖直平面一样的大倾斜表面时，如果分力Fxy超过阈值Thxy，允许省略用于使扫描操作停止和重新开始的程序，像图3B的流程图所示形状测量方法一样。除了省略使利用探头支撑单元17进行的扫描停止和重新开始的步骤(图3A中的步骤S5和S9中所示)之外，图3B的流程图所示形状测量方法与图3A的流程图所示方法相同。这避免了形状测量因错误判断的缘故而中途停止，从而确保了稳定操作。

这里，允许使用在Fxy达到Thxy前后改变Thxy值的延迟触发器。在这种情况下，可以阻止Fxy变化超过Thxy时发生的探头振动作用以进行更稳定的扫描。

允许通过计算获得与扫描轨迹平行的任何分量以代替Fxy以及利用上述公式(8)中表示的关系进行探头扫描。在这种情况下，探头能够通过受迫位移和接触力控制倾斜退入包含Z和XY中任意一个的向上空间中，从而能够实现更稳定的扫描。然而，如果扫描轨迹在X-Y平面(探头在其上行进)上的投影与最初提供的扫描轨迹不同，并且如果希望严格地沿着最初提供的扫描轨迹测量形状的话，则不能使用这种方法。

另外，通过比较接触力F的大小与分力Fxy的大小，可以估算与探头接触的被测对象表面的倾斜度。特别地，如果接触力F和分力Fxy大体上彼此相等，可以估算被测对象表面是与X-Y平面垂直的平面。在这种情况下，通过使沿探头的X-Y方向的扫描速度减速或者使探头停止并且随后使探头支撑单元17沿Z轴的正方向继续移动，可以避免探头抵靠竖直平面移动的现象。因此，即使被测对象具有大倾斜表面，例如，与X-Y面垂直的墙壁表面，通过只提供X-Y面上的扫描轨迹而不提供沿Z轴方向的任何扫描轨迹可以稳定地测量被测对象的形状。

下面将参考图2描述本发明的第二示例性实施例。下面只描述在第一示例性实施例中未使用的微动平台16和补偿控制单元32。微动平台16设置在Z轴滑动件14上，使得它能沿X、Y、Z方向移动。探头支撑单元17固定在微动平台16上。

下面将描述微动平台16的控制。能够沿三维方向缓慢移动的微动平台16只与接触力控制相关，而与探头的位置控制无关。接触力F通过沿X、Y、Z方向控制微动平台16而保持恒定，并且微动平台16沿Z方向的运动通过控制Z轴滑动件14进行补偿。具体地，微动平台16的输出被输入到补偿控制单元32中并控制Z轴马达15，使得沿Z方向的运动量在使Z轴滑动件14移动时变成零。因此，产生针对微动平台16的行程的补偿效果。该微动平台16通过使用具有能够快速响应的驱动装置(例如，压电致动器)的平台可以具有改进包含Z轴滑动件14在内的Z轴的控制区域的作用。

如果Z轴控制区域能够这样改进的话，当位置控制施加的作用力和接触力控制施加的作用力相互抵消使得不能进行探头扫描时，探头能够更快速地移动。因此，如果位置控制和接触力控制在进行快速扫描时相互抵消的话，可以防止接触力控制饱和，从而实现误差极小并且微小地背离恒定接触力的形状测量。另外，根据本示例性实施例，仅通过微动平台16进行接触力控制，从而接触力控制不会对X和Y滑动件造成影响。因此，探头能够在被测对象4上严格地按照最初提供的扫描轨迹进行扫描。

尽管上文已经通过采用激光测量机作为被构造成测量探头的位置和定向的单元(如Xp1)对第一示例性实施例和第二示例性实施例进行了描述，但即使采用其它测量单元，例如静电电容位移计、涡流电流位移计也能够确保相同的效果。

尽管已经参考示例性实施例对本发明进行了描述，应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。下列权利要求的范围具有最广义的解释，从而涵盖所有改进、等效结构及功能。

Claims (5)

1.一种形状测量设备，该形状测量设备用于通过沿着被测对象的表面扫描接触型探头，同时使该接触型探头与被测对象保持接触，并且测量该接触型探头的位置来测量被测对象的形状，所述形状测量设备包括：

探头支撑单元，其构造为能够沿三维方向移动；

接触型探头，其构造为相对于所述探头支撑单元被弹性支撑；

测量单元，其构造为测量所述接触型探头的位置和定向；和

计算单元，其构造为根据接触型探头的被测量到的位置和定向计算被测对象施加给接触型探头的接触力，

其中，所述探头支撑单元如此构造，当所述接触力的包含沿探头支撑单元的移动方向的分量的分力超过预定阈值时，所述探头支撑单元沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向被驱动以使接触型探头移动；

其中，所述接触型探头在被控制使得所述接触力接近目标值的同时被扫描。

2.如权利要求1所述的形状测量设备，其中，所述探头支撑单元构造为通过给探头支撑单元提供与沿探头支撑单元的移动方向的所述分量和所述阈值之差成比例的速度或加速度而被驱动。

3.如权利要求1所述的形状测量设备，其中，所述探头支撑单元还包括：

能够沿三维方向移动的滑动件；和

由所述滑动件支撑的平台，该平台能够相对于所述滑动件沿三维方向移动，

其中，接触力的大小构造为通过使所述平台移动以使所述接触型探头的位置移动而接近所述目标值。

4.一种形状测量方法，该形状测量方法用于通过沿着被测对象的表面扫描由能够沿三维方向移动的探头支撑单元弹性支撑的接触型探头，同时使该接触型探头与被测对象保持接触，并且测量所述接触型探头的位置来测量被测对象的形状，所述形状测量方法包括：

测量接触型探头的位置和定向并且根据接触型探头的被测量得到的位置和定向计算接触力；

通过使探头支撑单元移动同时利用作用力控制单元控制接触力使之接近目标值来利用接触型探头扫描被测对象的表面；和

当接触力的包含沿探头支撑单元的移动方向的分量的分力超过预定阈值时，沿与探头支撑单元的移动方向垂直的方向驱动探头支撑单元以使接触型探头移动。

5.如权利要求4所述的形状测量方法，其中，所述探头支撑单元构造为通过给探头支撑单元提供与沿探头支撑单元的移动方向的所述分量和阈值之差成比例的速度或加速度而被驱动。