JP2013142686A - 精密面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触式プローブが被測定物と接触する任意の接触点において、接触式プローブと被測定物間の距離を計測して高スループット化を実現するための有利な技術を提供する
【解決手段】接触式プローブ１０９と被測定物１０３を接触駆動させた後、接触状態を維持したまま、相対走査駆動させ、被測定物１０３の形状を測定する装置で、被測定物１０３と接触式プローブ１０９の相対距離を計測するために非接触式プローブ１１３を具備する。非接触式プローブ１１３で、基準点から光を放出し、被測定物から正反射して戻る被検光と参照光との干渉光を検出し、基準点と被測定物１０３との相対距離を計測する。計測した相対距離にもとづいて、接触式プローブ１０９と被測定物１０３とを接触させる制御モードを切替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触式プローブを用いた精密面形状計測装置、および高スループット化のための接触式プローブの駆動方法に関する。

レンズ、ミラー等の光学素子や金型等（以下、被測定物と記載）の表面形状を計測する精密面形状計測装置は、被測定物に接触した状態で形状をトレース（走査）する接触式プローブと、上記接触式プローブの位置を計測する座標計測手段で構成されている。

被測定物を精密面形状計測装置に搭載する際、搭載時の接触等による破損を防止するため、接触式プローブと被測定物は、ある一定距離離れた位置に配置されている。そして、計測時には接触式プローブと被測定物とを接触するまで接触式プローブ、被測定物、あるいは上記両者を駆動させる必要がある。ここで、接触式プローブは、被測定物に接触した際の圧力等の力を検知する機能を有しており、被測定物の形状計測時には、接触式プローブで検知した力が常に一定の力となるように接触式プローブの位置を制御しながら計測する。上記より接触式プローブは、被測定物との距離を計測する機能を具備していないため、接触式プローブと被測定物の距離が不明である。従って、接触式プローブや被測定物を駆動する際には、接触時の接触式プローブ、または被測定物の破損を避けるため、高速で駆動できず、低速駆動する必要があり、スループットを低下させていた。

そこで、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、接触式プローブを被測定物に高速に接触するために、接触式プローブと被測定物間の距離を計測するための技術が幾つか提案されており、スループットを向上させている。（特許文献１及び２参照）。具体的には、図８（ａ）に示すように接触式プローブの近傍に非接触レーザ変位計等の距離計が設けられ、距離計で接触式プローブと被測定物との距離を計測している。また、図８（ｂ）に示すように、被測定物上に斜めから投光し、その反射光の位置を計測することで、接触式プローブと被測定物間の距離を計測している。上記技術を実施することで、接触式プローブと被測定物との距離を計測できるため、接触式プローブ、または被測定物を高速に駆動することで駆動時間を短縮でき、高スループット化を実現している。

特開２００２−０５５０４０号公報 特開２００３−２０２２８４号公報

しかしながら、図８（ａ）、（ｂ）に記載した方式では、被測定物が平面であることを前提にしている構成で、被測定物から正反射光を受光することで、接触式プローブと被測定物間の距離を計測する方法である。そのため、被測定物がレンズ、ミラー等の曲面を持った光学素子や金型等の場合、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、設置位置ずれ等で被測定物の平面部（位置Ａ）以外に光が入射した際、所望の位置に反射しなくなるため、距離を計測することができなくなる。さらに、上記方式では、位置Ａに対してのみ高スループット化を実現しているため、被測定物の側面（図９（ａ），（ｂ）の位置Ｂ）から計測を開始したい場合、高スループット化を実現することは困難である。

そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、接触式プローブが被測定物と接触する任意の接触点において、接触式プローブと被測定物間の距離を計測して高スループット化を実現するための有利な技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての精密面形状計測装置は、接触式プローブと被測定物を接触駆動させた後、接触状態を維持したまま、前記接触式プローブと前記被測定物を相対走査駆動させることにより前記被測定物の形状を測定する精密面形状計測装置において、前記接触駆動と前記相対走査駆動を行う駆動部と、前記接触式プローブと前記被測定物の相対距離変化を計測する計測部と、前記接触式プローブと前記被測定物の相対距離を計測するために、前記被測定物に基準点からの光を放射し、前記被測定物で正反射して戻る被検光と参照光との干渉光を検出することによって前記基準点と前記被測定物との相対距離を計測する非接触式プローブと、前記非接触式プローブを制御し、前記非接触式プローブで計測した前記相対距離と前記基準点の座標にもとづいて前記被測定物の形状を算出する非接触式プローブ制御部と、前記駆動部、前記接触式プローブ、前記計測部、前記非接触式プローブ制御部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記非接触式プローブで計測した前記相対距離にもとづいて、前記接触駆動の制御モードを切替えることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、接触式プローブが被測定物と接触する任意の接触点において、接触式プローブと被測定物間の距離を計測し、短時間で接触することで、高スループット化を実現するための有利な技術を提供することができる。

本発明の一側面としての精密面形状計測装置の構成を示す図である。 非接触式プローブで被測定物までの距離を計測する原理を説明するための図である。 接触式プローブの接触方法を説明するための図である。 接触式プローブの接触方法を説明するための図である。 接触式プローブの接触方法を説明するための図である。 接触式プローブの接触方法を説明するための図である。 非接触式プローブの退避を説明するための図である。 従来の精密面形状計測装置での、接触式プローブと被測定物の距離を計測する方法を説明するための図である。 従来の精密面形状計測装置での、接触式プローブと被測定物の距離を計測する方法を説明するための図である。 図１に示す精密面形状計測装置の動作を説明するためのフローチャートである。

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。

［第１実施形態］
図１は、本発明の一側面としての精密面形状計測装置１００の構成を示す図である。精密面形状計測装置１００は、レンズ、ミラー等の光学素子や金型等の被測定物の表面形状を計測するために、被測定物と接触式プローブとを接触させ、ほぼ一定の距離、又は力関係になるような接触状態で接触式プローブの位置を制御しトレースする。上記状態で被測定物をトレースすることで、被測定物の形状計測を行なう。

精密面形状計測装置１００は、図１に示すように、被測定物用定盤１０１、被測定物を保持し駆動する駆動部として、被測定物用駆動部である被測定物用ステージ１０２を有する。被測定物用ステージ１０２は、例えばＸ、Ｙ、Ｚ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向に駆動することが可能なステージである。また、接触式プローブ用定盤１０４、接触式プローブ１０９を移動させる駆動部として、接触式プローブ用駆動部である接触式プローブ用ステージ１０５、１０７、接触式プローブ用治具１０６、１０８を有する。接触式プローブの位置を計測する計測部であるレーザ測長器１１１、参照ミラー１１０ａ、１１０ｂ、フレーム１１２、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測する非接触式プローブ１１３、非接触式プローブ制御部１１４、制御部１１５を有する。

図１に示すように、被測定物用定盤１０１上に配置された被測定物用ステージ１０２上に被測定物１０３を搭載する。被測定物１０３は、図１に不図示の被測定物用ステージ１０２上の被測定物用チャックを介して、例えばバキューム吸着により保持される。被測定物１０３を被測定物用ステージ１０２上に保持する際には、被測定物用チャックを介して直接搭載するのではなく、図１に不図示の被測定物１０３が着脱可能な雇い治具を用いても良い。被測定物１０３と雇い治具とは接着により保持、または、バキューム吸着により保持しても良い。そして、上記雇い治具は被測定物用チャックを介して、例えばバキューム吸着により被測定物用ステージ１０２上に保持される。被測定物１０３を搭載した被測定物用ステージ１０２を駆動することで、被測定物を所望の位置に移動することができる。
接触式プローブ用定盤１０４上に配置された接触式プローブ用ステージ１０５、１０７を用いて接触式プローブ用治具１０６、１０８に搭載された接触式プローブ１０９を駆動する。ここで、接触式プローブ用ステージ１０５は、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動でき、接触式プローブ用治具１０６を搭載している。接触式プローブ用ステージ１０７は、接触式プローブ用治具１０６上に配置され、接触式プローブ用治具１０８を配置し、Ｚ方向に駆動できるステージである。接触式プローブ用ステージ１０５、１０７は、制御部１１５により駆動を制御される。図１では、計測時のＺ駆動用の接触式プローブ用ステージ１０７において、駆動負荷を低減させるために、Ｘ駆動用、Ｙ駆動用の接触式プローブ用ステージ１０５とは異なる位置にＺ駆動用の接触式プローブ用ステージ１０７を配置している。別の構成として、接触式プローブ用治具１０６、１０８を一体物にし、接触式プローブ用ステージ１０５で、Ｘ駆動、Ｙ駆動、Ｚ駆動の制御を行っても良い。

接触式プローブ用治具１０８に搭載された接触式プローブ１０９の位置を計測するためにレーザ測長器１１１、参照ミラー１１０ａ、１１０ｂを設ける。図１では、Ｘ方向、Ｚ方向についてのみ図示してあるが、図１に不図示の紙面に垂直なＹ方向の計測も行なう。参照ミラー１１０ａ、１１０ｂは、フレーム１１２に固定され、フレーム１１２は被測定物用定盤１０１に固定されている。そして、参照ミラーは、レーザ測長器１１１のターゲットとして用いる。接触式プローブ１０９は、先端部に先端球１０９ａを有し例えば公知の平行板ばね構造や磁気ばね構造である。平行板ばね構造では、接触式プローブの位置を計測しているレーザ測長器等より、ばねの変位に従って出力される信号を制御部１１５に接続することで、接触式プローブ１０９の位置、姿勢を制御している。また、磁気ばね構造では、永久磁石とコイルによる磁気回路を構成するヨークを用い、磁気回路の発生する磁力でプローブの自重をキャンセルする一定の力と、プローブの変位に従って変化するばね要素としての力を発生させる。平行板ばね構造と同様に、接触式プローブの位置を計測しているレーザ測長器等より、磁気回路のばね要素として発生する力に従って出力される信号を制御部１１５に接続することで、接触式プローブ１０９の位置、姿勢を制御している。

制御部１１５は、例えばコンピュータのようにＣＰＵやメモリを含み、精密面形状計測装置の各部を制御して計測を行なう。例えば、接触式プローブ用ステージ１０５、１０７を駆動し、レーザ測長器１１１の出力信号を取得し、信号処理することで被測定物の形状を算出する。

図１では、被測定物用定盤１０１と接触式プローブ用定盤１０４を別々の構成として図示してあるが、共通の定盤を用いた構成でも良い。また、フレーム１１２と被測定物用定盤１０１について同様に別々の構成として図示してあるが、共通の構造体で構成しても良い。

接触式プローブ１０９を用いて、被測定物１０３の形状を計測する際、被測定物１０３を固定して接触式プローブ１０９を駆動させる、または接触式プローブ１０９を固定して被測定物１０３を駆動してもよい。または、被測定物１０３はＸ、Ｙ駆動し、接触式プローブ１０９はＺ駆動させる、被測定物１０３と接触式プローブ１０９を各方向に同時に駆動させる等、各々駆動してもよい。以下の説明では、接触時に接触式プローブ１０９が駆動する内容を記載するが、上記の通りこれに限定されない。また、被測定物１０３は凸形状をしているが、これに限定されるのではなく、凹形状やその他の形状についても計測可能である。

従来の非接触式プローブ１１３を具備していない精密面形状計測装置の場合について、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させる場合について述べる。接触式プローブ１０９には、被測定物１０３との距離を計測する機能を有していない。そのため、接触時に接触式プローブ１０９、被測定物１０３を破損しないように駆動すると、十分遅いスピードで駆動する必要があるため、トレースを開始するまでに時間を要する。接触式プローブ１０９が被測定物１０３に接触する近傍まで、ユーザがマニュアル駆動させる方法もあるが、ヒューマンエラーにより接触式プローブ１０９、被測定物１０３を破損させる可能性がある。そして、ユーザによるマニュアル駆動は、自動駆動に比べると、毎回同じ駆動時間で被測定物１０３近傍に接触式プローブ１０９を配置することが困難であり、駆動スピードも遅いため、高スループット化が困難である。

また、接触式プローブ１０９と被測定物１０３との距離を計測せずに、接触式プローブ１０９の初期位置と被測定物１０３の初期位置や形状の設計値情報から距離を算出し、自動で高速駆動することは可能である。しかし、被測定物１０３の設置時の設置誤差、設計値とは異なる被測定物１０３が搭載される等、実際の距離と異なる場合がある。その場合、算出した距離を元に、接触式プローブ１０９を被測定物１０３近傍まで高速駆動すると、衝突し破損させてしまうおそれがある。

次に、精密面形状計測装置１００での高スループット化の方法について述べる。被測定物１０３の形状を計測する際、被測定物１０３を被測定物用ステージ１０２に搭載し、所望の位置に被測定物１０３を移動させる。図１のように計測プローブ１０９と被測定物１０３は、駆動時の衝突等を避けるため、各々一定距離離して配置されている。そして、接触式プローブ１０９をＺ軸方向に駆動させ、被測定物１０３に接触させ、トレースを行い形状計測を実施する。ここで、被測定物１０３を計測する際、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させるために高速に駆動することで、駆動時間を短縮でき、結果として駆動時間を含めたトータルとしての計測時間を短縮することになり、高スループット化を実現できる。

以上より、高スループット実現のためには、接触式プローブ１０９を被測定物１０３近傍まで高速に駆動し、短時間でトレースを開始できるようにする必要がある。

そこで、本実施形態では、接触式プローブ１０９を高速駆動し、接触式プローブ１０９と被測定物１０３を破損させることなく接触し計測を開始することで、高スループット化を実現することが可能である。以下にその原理について説明する。

図１に示すように、接触式プローブ１０９の近傍に非接触式プローブ１１３を配置する。非接触式プローブ１１３は、特願２０１０−０８３３９９に記載されている構成で、上記非接触式プローブを用いることで接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測する。（出願番号は、特許が公開され次第、公開番号に差し替える。）非接触式プローブ１１３は、接触式プローブ１０９に比べて高速に被測定物１０３の面形状を計測できるため、短時間での面形状計測が可能である。接触式プローブ１０９は、被測定物１０３の形状が回折格子形状等のように複雑で、非接触式プローブ１１３では計測領域に死角が発生し計測が困難な場合や、非接触式プローブ１１３よりも高精度に面形状計測を行いたい場合に使用する。従って、図１に記載の精密面形状計測装置より、接触式プローブと非接触式プローブを併設することで、高速計測による短時間化、または高精度に面形状計測が可能となる。以下に示す内容は、接触式プローブ１０９を用いて、面形状計測を行う内容である。

ここで、非接触式プローブ１１３について図２に示し、非接触式プローブ１１３の使用方法について述べる。本発明では、非接触式プローブ１１３が被測定物１０３の面形状を計測する際に計測される後述のパラメータ距離ｑや座標Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）を使用する。上記パラメータを使用することで、接触式プローブ１０９と被測定物１０３との距離計測でき、接触式プローブ１０９を高速駆動し、高スループット化を実現できる。以下の説明では、非接触式プローブ１１３で、接触式プローブ１０９と被測定物１０３との距離を測定し、接触式プローブ１０９で面形状計測を行う内容を記載しているが、これに限定されず、非接触式プローブ１１３を用いて面形状計測してもよい。

図２より、非接触式プローブ１１３から球面波を放射し、その球面波の中心を基準点とし、基準点の座標をＦ（ｓ，ｔ，ｕ）とする。Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする球面波が被測定物１０３の表面において正反射する点の座標である。ｑは、Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）とＦ（ｓ，ｔ，ｕ）との間の垂直距離である。非接触式プローブ１１３で、被測定物１０３の面形状を計測する場合、非接触式プローブ１１３を走査しながら、Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の座標と距離ｑを計測し、その結果から被測定物の座標Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することで面形状計測を実現している。ここで、Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）は、図２に不図示のレーザ干渉計を使用して計測される。また、距離ｑは、非接触式プローブ１１３内で生成された不図示の参照光との干渉光を検出することで計測できる。距離ｑの方向は、接触式プローブ１０９の先端球１０９ａが被測定物１０３に接触する接触点の設計値をもとに求められる。本発明では、上記の距離ｑ、または座標Ｃ（ｘ、ｙ、ｚ）を用いることで接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測する。

以下に、距離ｑを用いて、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測し、接触式プローブ１０９の駆動方法を切替える方法を記載する。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、非接触式プローブ１１３で距離ｑを計測することで、Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）と先端球１０９ａの位置関係が決まっていることより、先端球１０９ａと被測定物１０３の距離を計測することができる。ここで、非接触式プローブ１１３は、接触式プローブ用ステージ１０５、１０７を駆動することで、被測定物１０３の位置Ｖから位置Ｈを計測可能な位置に配置する。

図３（ｂ）より、被測定物の座標位置２に接触式プローブを接触させる場合について説明する。座標位置２は、法線方法がＺ方向で、Ｘ座標原点上、Ｙ座標原点上である位置であり、被測定物１０３の設計値情報をもとに得られる座標である。ここで、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させる際には、接触させる面の法線方向から接触させる。それは、被測定物１０３が曲面を含むため、被測定物の計測位置によって先端球１０９ａと非測定物１０３の接触部が異なり、先端球１０９ａは接触面の法線方向と接触するためである。よって、先端球１０９ａを接触面の法線方向から接触させることで、先端球１０９ａを所望の位置に接触できる。図３より、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３は、構造上同軸に配置することはできない。従って、図３（ｂ）に示すように、接触式プローブ１０９を被測定物１０３の近傍まで高速駆動する際には、非接触式プローブ１１３を、接触面の法線方向、まはたその近傍に駆動する。被測定物１０３からの正反射光を受光可能な状態にする先端球１０９ａの位置１２は、被測定物１０３の位置２と接触する位置で設計値から求められ、位置１２は位置２に対してＸ方向にシフトしている状態である。上記シフト量は、接触式プローブ１０９が被測定物１０３に接触する方向、Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の座標、接触式プローブの設置位置により決定する。

非接触式プローブ１１３で、距離ｑを計測しながら、非接触式プローブ１１３と接触式プローブをＺ方向に駆動させ、式１に示す距離ｑの場合は、高速に駆動する。

ｑ＞ｑ＿ｔｈ （式１）
ここで、ｑ＿ｔｈは、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させる際に、高速駆動から接触用の低速駆動に切替えることが可能で、接触による破損が発生しない被測定物１０３表面からの距離であり、実験的、または理論的に導出した値である。さらに、非接触式プローブ１１３での距離計測から、接触式プローブで接触するための接触方向に対して垂直な方向であるシフト駆動も考慮した値である。図３（ｃ）より距離ｑが式２に示す状態になった場合は、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替え、接触式プローブ１０９が被測定物１０３の位置２に接触できるよう駆動する。

ｑ≦ｑ＿ｔｈ （式２）
以上より、接触式プローブ１０９を高速駆動し、被測定物１０３に接触することが可能となり、高スループット化を実現できる。

次に非接触式プローブ１１３で座標２を計測することで、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測し、接触式プローブ１０９の駆動方法を切替える方法を記載する。図４（ａ）より、非接触式プローブ１１３で被測定物１０３に接触する座標２を計測する。先端球１０９ａの径が既知であり、取得した被測定物１０３の座標位置情報より、先端球１０９ａが接触する位置１２を算出することができる。ここで、座標Ｚ１２（ｚ）が式３に示す座標の場合は、接触式プローブ１０９を被測定物１０３方向に高速に駆動する。

Ｚ１２（ｚ）＞Ｚ２＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式３）
ここで、ｑ＿ｔｈ＿ｐは、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させる際に、高速駆動から接触用の低速駆動に切替えることが可能で、接触による破損が発生しない被測定物１０３表面からの距離であり、実験的、または理論的に導出した値である。

駆動時の先端球１０９ａの位置Ｚ１２（ｚ）は、接触式プローブ用ステージ１０７の駆動量、レーザ測長器１１１のＺの値、または非接触式プローブ１１３で計測される距離ｑをモニタすることで計測できる。座標Ｚ１２が式４に示す状態になった場合は、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替える。

Ｚ１２（ｚ）≦Ｚ２＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式４）
ここで、図４（ａ），（ｂ）では、式４の状態になるまで、接触式プローブ１０９を接触方向と接触方向に垂直な方向に駆動しているが、これに限定されない。例えば、式４の状態になるまでは、接触方向に駆動し、式４の状態になった後、接触方向と接触方向に垂直な方向に駆動してもよい。

以上より、接触式プローブ１０９を高速駆動し、被測定物１０３に接触することが可能となり、高スループット化を実現できる。

次に、距離ｑを用いて被測定物１０３の座標位置３に接触式プローブ１０９を接触させる場合について説明する。座標位置３は、被測定物１０３の設計値情報をもとに得られる座標であり、図５（ａ）では、位置３がＹ軸、Ｚ軸座標原点上にあり、法線方向はＸ方向とする。以上より、接触式プローブ１０９が被測定物１０３に接触する接触方向はＸ方向となる。図５（ａ）に記載しているように、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３とを初期位置から接触させる位置まで駆動すると、被測定物１０３と衝突する可能性がある。その場合は、被測定物１０３、接触式プローブ１０９、非接触式プローブ１１３のそれぞれの設計値情報をもとに、例えば図５（ｂ）に示すように、衝突しない経路で、被測定物１０３を回避する。図５（ｂ）では、例として、経路１、２、３より高速駆動し、接触式プローブ１０９を被測定物１０３の近傍まで高速駆動した場合の図である。そして、非接触式プローブ１１３を、接触面の法線方向、まはたその近傍に駆動し、被測定物１０３からの正反射光を受光可能な状態にする。そして、距離ｑを計測し、式１に示す距離ｑの場合は、高速に駆動する。また、上述した内容と同様に式２に示す距離ｑになった場合、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替え、接触式プローブ１０９が被測定物１０３の位置３に接触できるよう駆動する。

非接触式プローブ１１３で座標３を計測することで、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測し、接触式プローブ１０９の駆動方法を切替える方法を記載する。上述のように、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３が、被測定物１０３と衝突しない経路で、位置３近傍まで高速駆動する。その後、非接触式プローブ１１３で被測定物１０３の座標３を計測する。また、先端球１０９ａの径が既知であり、取得した被測定物１０３の座標位置情報より、先端球１０９ａが接触する位置１３を算出することができる。ここで、座標Ｘ１３（ｘ）が式５に示す座標の場合は、接触式プローブ１０９を被測定物１０３方向に高速に駆動する。

Ｘ１３（ｘ）＞Ｘ３＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式５）
駆動時の先端球１０９ａの位置Ｘ１３（ｘ）は、接触式プローブ用ステージ１０７の駆動量、レーザ測長器１１１のＸの値、または非接触式プローブ１１３で計測される距離ｑをモニタすることで計測できる。座標Ｘ１３が式６に示す状態になった場合は、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替える。

Ｘ１３（ｘ）≦Ｘ３＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式６）
図４に示したように、駆動方向は上記のように限定されない。

次に、距離ｑを用いて被測定物１０３の座標位置４に接触式プローブを接触させる場合について説明する。座標位置４は、被測定物１０３の設計値情報をもとに得られる座標であり、図６では、位置４のＸ４、Ｙ４、Ｚ４がいずれも原点上にないとする。従って、接触式プローブ１０９が被測定物１０３に接触する場合、接触面の法線方向から接触させるため、Ｘ駆動、Ｙ駆動、Ｚ駆動を行い接触させる必要がある。ここで、図６では、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３が駆動する際に、被測定物１０３に衝突しない場合の例について示してある。図５（ａ）に示すように衝突する場合は、被測定物１０３、接触式プローブ１０９、非接触式プローブ１１３のそれぞれの設計値情報をもとに、図５（ｂ）に示すように、衝突しない経路で駆動する。具体的には、被測定物１０３を回避して、非接触式プローブ１１３を接触面の法線方向、またはその近傍に高速駆動し、被測定物１０３からの正反射光を受光可能な状態にする。そして、距離ｑを計測し、式１に示す距離ｑの場合は、高速に駆動する。また、上述した内容と同等に式２に示す距離ｑになった場合、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替え、接触式プローブ１０９が被測定物１０３の位置４に接触できるよう駆動する。

非接触式プローブ１１３で座標４を計測することで、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測し、接触式プローブ１０９の駆動方法を切替える方法を記載する。上述のように、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３が、被測定物１０３と衝突しない経路で、位置４近傍まで高速駆動する。その後、非接触式プローブ１１３で被測定物１０３の座標４を計測する。また、先端球１０９ａの径が既知であり、取得した被測定物１０３の座標位置情報より、先端球１０９ａが接触する位置１３を算出することができる。ここで、座標Ｘ１４（ｘ）、Ｙ１４（ｙ）、Ｚ１４（ｚ）が式７に示す座標の場合は、接触式プローブ１０９を被測定物１０３の方向に高速に駆動する。

Ｘ１４（ｘ）＞Ｘ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ
Ｙ１４（ｙ）＞Ｙ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ
Ｚ１４（ｚ）＞Ｚ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式７）
駆動時の先端球１０９ａの位置１４は、接触式プローブ用ステージ１０７の駆動量、レーザ測長器１１１のＸの値、または非接触式プローブ１１３で計測される距離ｑをモニタすることで計測できる。座標Ｘ１４（ｘ）、Ｙ１４（ｙ）、Ｚ１４（ｚ）が式８に示す状態になった場合は、制御部１１５により、接触するための制御として低速駆動に駆動制御を切替える。

Ｘ１４（ｘ）≦Ｘ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ
Ｙ１４（ｙ）≦Ｙ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ
Ｚ１４（ｚ）≦Ｚ４＋ｑ＿ｔｈ＿ｐ （式８）
上記より、非接触式プローブ１１３で、接触式プローブ１０９と被測定物１０３との距離を計測し、制御部１１５にて接触式プローブ１０９を高速駆動させる。接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離が所定の距離以下になったとき、接触用の低速駆動に切替えることで高スループットを実現することが可能となる。上記実施形態では、距離ｑの方向は、被測定物１０３の設計値をもとに求めると記載しているが、特願２０１０−０８３３９９に記載されている内容で面形状を計測し、距離ｑの方向を求めてもよい。図１では、非接触式プローブ１１３は一台の構成であるが、被測定物１０３を計測する位置、形状等に伴い、複数台のカメラを構成してもよい。また、非接触式プローブ１１３は、接触式プローブ１０９に対し、任意の角度で取付けることが可能である。距離ｑや被測定物１０３上の位置２、３、４について、非接触式プローブ１１３で、逐次計測を行う、または一度だけ計測を行う等、計測回数は限定されない。

本実施形態のように、接触式プローブ１０９と非接触式プローブ１１３が共に駆動する場合、被測定物１０３の形状によっては、図７（ａ）に示すように計測時に非接触式プローブ１１３と被測定物１０３が衝突する場合が考えられる。または、被測定物用ステージ１０２に衝突することも考えられる。その場合は、非接触式プローブ１１３に不図示の駆動用ステージを具備し、図７（ｂ）に示すようにＺ方向に駆動し衝突を回避する。図７（ｂ）では、回避のためＺ方向に駆動した場合の図であるが、駆動方向に限定されることはなく、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動してもよい。

以下、図１０を参照して、精密面形状計測装置１００の動作について、非接触式プローブ１１３で、接触式プローブ１０９と被測定物１０３の距離を計測し、接触式プローブ１０９を被測定物１０３に接触させ、計測させるまでの一連の動作について説明する。なお、かかる動作は、制御部１１５が精密面形状計測装置１００の各部を統括的に制御することによって実行される。Ｓ１００２では、被測定物１０３を被測定物用ステージ１０２に搭載し、保持させる。Ｓ１００３では、被測定物の設計値情報より、接触位置を選択し、Ｓ１００４で被測定物から正反射光が受光可能な位置と駆動経路を算出する。非接触式プローブ１１３と接触式プローブ１０９を高速駆動し（Ｓ１００５）、距離を計測し（Ｓ１００６）、所望の位置に到達するまで高速駆動する（Ｓ１００７）。所望の位置に到達したら接触用の低速駆動に切り替え（Ｓ１００８）、接触し、計測開始となり（Ｓ１００９）、計測周到（Ｓ１０１０）となる。

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。

１０２ 被測定物用ステージ
１０３ 被測定物
１０５ 接触式プローブ用ステージ
１０７ 接触式プローブ用ステージ
１０９ 接触式プローブ
１１１ レーザ測長器
１１３ 非接触式プローブ
１１４ 非接触式プローブ制御部
１１５ 制御部

Claims (5)

1. 接触式プローブと被測定物を接触駆動させた後、接触状態を維持したまま、前記接触式プローブと前記被測定物を相対走査駆動させることにより前記被測定物の形状を測定する精密面形状計測装置において、
   前記接触駆動と前記相対走査駆動を行う駆動部と、
   前記接触式プローブと前記被測定物の相対距離変化を計測する計測部と、
   前記接触式プローブと前記被測定物の相対距離を計測するために、前記被測定物に基準点からの光を放射し、前記被測定物で正反射して戻る被検光と参照光との干渉光を検出することによって前記基準点と前記被測定物との相対距離を計測する非接触式プローブと、
   前記非接触式プローブを制御し、前記非接触式プローブで計測した前記相対距離と前記基準点の座標にもとづいて前記被測定物の形状を算出する非接触式プローブ制御部と、
   前記駆動部、前記接触式プローブ、前記計測部、前記非接触式プローブ制御部をコントロールする制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記非接触式プローブで計測した前記相対距離、あるいは前記非接触式プローブ制御部で算出した前記被測定物の形状の位置座標の少なくともいずれか一方にもとづいて、前記接触駆動の制御モードを切替えることを特徴とする精密面形状計測装置。
2. 前記非接触式プローブは、前記基準点を中心とする球面波を前記基準点から放射することを特徴とする請求項１に記載の精密面形状計測装置。
3. 前記制御モードは、前記接触式プローブが前記被測定物と接触する位置において、前記接触式プローブが前記被測定物と接触する面の法線方向で、前記被測定物の接触面から所定の位置離れた位置で、前記制御モードを切替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の精密面形状計測装置。
4. 前記接触式プローブを前記所定の位置まで相対駆動する際に、前記被測定物の設計値をもとに、駆動経路を決定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の精密面形状計測装置。
5. 前記被測定物の形状を測定する精密面形状計測装置において、前記非接触式プローブを用いて、前記被測定物の形状を計測することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の精密面形状計測装置。