(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元的に移動可能なプローブハウジングと、前記プローブハウジングに対して相対移動可能に保持されたプローブと、を有し、被測定物の表面に対する前記プローブの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、
前記プローブハウジングに対する、前記プローブの、前記プローブの長手方向と直交する方向における相対的な変位である並進変位を測定する測定手段と、
前記プローブに対して並進力を発生させる前記プローブの長手方向に対して１箇所に配置された力発生手段と、
前記測定手段の出力に基づいて、前記力発生手段による並進力を制御すると共に、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで並進力を変更することで前記プローブと前記プローブハウジングとの間の剛性と粘性が設定される手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記プローブの軸方向をＺ方向、前記Ｚ方向に垂直な方向をＸ方向及びＹ方向とし、
前記並進力を変更する手段は、前記被測定物の表面測定の場合におけるＸ並進方向及びＹ並進方向の剛性よりも、前記被測定物の端面測定の場合におけるＸ並進方向及びＹ並進方向の剛性を小さく設定し、前記設定した剛性に基づいて前記力発生手段による並進力を制御することで、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで並進力を変更することを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記プローブを前記被測定物の端面に接触させて、前記測定手段の出力に基づいて前記力発生手段による並進力を制御しながら前記プローブを前記端面に沿って移動させ、前記被測定物の端面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の形状測定装置。
【請求項４】
３次元的に移動可能なプローブハウジングと、前記プローブハウジングに対して相対移動可能に保持されたプローブと、を有し、被測定物の表面に対する前記プローブの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、
前記プローブハウジングに対する、前記プローブの、前記プローブの長手方向と直交する方向における前記長手方向の２箇所の相対的な変位である回転変位を測定する測定手段と、
前記プローブに対して回転力を発生させる前記プローブの長手方向に対して異なる位置２カ所に配置された力発生手段と、
前記測定手段の出力に基づいて、前記力発生手段による回転力を制御すると共に、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで回転力を変更することで前記プローブと前記プローブハウジングとの間の剛性と粘性が設定される手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
前記プローブの軸方向をＺ方向、前記Ｚ方向に垂直な方向をＸ方向及びＹ方向とし、
前記回転力を変更する手段は、前記被測定物の表面測定の場合におけるＸ回転方向及びＹ回転方向の剛性よりも、前記被測定物の端面測定の場合におけるＸ回転方向及びＹ回転方向の剛性を小さく設定し、前記設定した剛性に基づいて前記力発生手段による回転力を制御することで、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで回転力を変更することを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記プローブを前記被測定物の端面に接触させて、前記測定手段の出力に基づいて前記力発生手段による回転力を制御しながら前記プローブを前記端面に沿って移動させ、前記被測定物の端面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定することを特徴とする請求項４又は５記載の形状測定装置。
【請求項７】
３次元的に移動可能なプローブハウジングと、前記プローブハウジングに対して相対移動可能に保持されたプローブと、を有し、被測定物の表面に対する前記プローブの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、
前記プローブハウジングに対する、前記プローブの、前記プローブの長手方向と直交する方向における相対的な変位である並進変位、及び前記プローブの長手方向と直交する方向における前記長手方向の２箇所の相対的な変位である回転変位を測定する測定手段と、
前記プローブに対して並進力及び回転力を発生させる前記プローブの長手方向に対して異なる位置２箇所に配置された力発生手段と、
前記測定手段の出力に基づいて、前記力発生手段による並進力及び回転力を制御すると共に、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで並進力及び回転力を変更することで前記プローブと前記プローブハウジングとの間の剛性と粘性が設定される手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項８】
前記プローブの軸方向をＺ方向、前記Ｚ方向に垂直な方向をＸ方向及びＹ方向とし、
前記回転力を変更する手段は、前記被測定物の表面測定の場合におけるＸ並進方向、Ｙ並進方向、Ｘ回転方向、及びＹ回転方向の剛性よりも、前記被測定物の端面測定の場合におけるＸ並進方向、Ｙ並進方向、Ｘ回転方向、及びＹ回転方向の剛性を小さく設定し、前記設定した剛性に基づいて前記力発生手段による並進力及び回転力を制御することで、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで並進力及び回転力を変更することを特徴とする請求項７記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記プローブを前記被測定物の端面に接触させて、前記測定手段の出力に基づいて前記力発生手段による並進力及び回転力を制御しながら前記プローブを前記端面に沿って移動させ、前記被測定物の端面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定することを特徴とする請求項７又は８記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子及び光学素子用金型の形状を測定するための形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズ、ミラー、プリズムなどの高精度な形状精度が必要とされる光学素子及びその金型の形状は、接触式のプローブを有する形状測定装置によって、一般に測定されている。接触式の形状測定装置は、ＸＹＺ空間上で移動可能なプローブを被測定物の被測定面に一定力で押し当てながら、ＸＹ方向に走査させ、走査中のプローブ位置をレーザ測長機などにより測定することによって、被測定面の形状データをＸＹＺ座標値として得ている。一般的なプローブ構造としては、ＸＹＺ空間においてＺ方向のみ摺動可能なようにエアーベアリングなどでプローブシャフトを保持し、自重を補償するために、上下方向に力を発生する剛性要素をハウジングとプローブシャフトの間に設けて弾性的に支持される。
【０００３】
プローブシャフト先端には、真球度の高いプローブ球を配置し、これを被測定面に一定力で押し当てて測定動作を行う。
【０００４】
レンズなどの高精度な形状精度が必要とされる光学素子や光学素子用金型の測定には、被測定面の形状だけではなく、素子上に規定された基準位置から面位置の測定をすることが重要となってきている。すなわち、光学素子上の端面などを基準位置として、端面と被測定面の相対位置や姿勢を保証することが、これらの素子の測定には必須の項目となってきている。
【０００５】
しかしながら、光学面の形状測定と、光学素子上の基準位置を決定する端面の測定を同時に１つの形状測定プローブで行うことは、大変に難しい。なぜなら、光学面測定に要するプローブの構成要件と端面測定に要するプローブの構成要件が相反するものであるからである。すなわち、ＸＹＺ空間上において、被測定物の光学面がＸＹ面に平行であり、端面がＸＺ面とＹＺ面に平行な面であったとしたなら、前述したようにプローブシャフトは、光学面測定のためには、シャフトが倒れる方向の剛性は、非常高くする必要がある。剛性が弱いと、プローブシャフトの倒れが大きくなり、高精度な光学面測定が行えなくなるからである。他方、基準位置を決定する端面の測定は、プローブシャフト先端に設けたプローブ球を端面に横方向である、Ｘ方向もしくはＹ方向から押し当てて、プローブシャフトの倒れを検知する方法で測定を行っている。そのために、極端にシャフトの倒れる方向の剛性を高くすると測定する時に被測定面に与える測定圧が高くなり、測定精度に悪影響を与えてしまうからである。
【０００６】
従来例としては、例えば、特許文献１に開示されたように、被測定物の端面の測定が可能なプローブを提案している。これは、図４に示すように、ＸＹＺ空間上で、ＹＺ方向に平行な端面を測定するときには、先端にスタイラス１０１を備えたアーム部１０３と板バネ１０５からなるプローブをＸ方向から近づけていく。そして、プローブと被測定物の端面の接触による板バネ１０５の変形を、ミラー１０２を用いた変位センサにより検知することにより、端面位置の測定を行うものである。
【０００７】
また、特許文献２に開示されたものは、図５に示すように、素子の端面の測定が可能なプローブとして、スタイラス２１２とアーム２２２からなるプローブを揺動部材２２０に支持させ、プローブと測定面２５１を接触させる。そして、プローブの倒れをミラー２３２を用いた変位センサで検知し、その時のプローブ位置を別途変位センサにより測定し、高精度に端面の測定を行う。
【０００８】
【特許文献１】特許第３０７５９８１号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来例では、以下のような問題点があった。
【００１０】
特許文献１に開示された構成では、例えば、ＸＹＺ上空間上において、ＹＺ面に平行又はほぼ平行な端面を測定するようにプローブを装置に配置した場合、ＹＺ面に平行な端面のみを測定可能で、ＸＺ面に平行な端面を測定できない。ＸＺ面に平行な端面を測定するには、測定素子の固定方向を変更するか、ＸＺ面を測定可能な方向にプローブを付け替えるか、もしくは、別途もう一つ設けるなどの手段を講じなければならず、測定精度、装置コスト、測定時間に対して悪影響を及ぼす。
【００１１】
また、この構成では、通常ＸＹ面に対して０度から６０度の傾斜内で形成されている光学面の場合は、測定することができず、別途、これを測定する目的のプローブを設けるか、違う装置で測定しなければならない。
【００１２】
特許文献２に提案されたプローブは、ＹＺ面に平行な面、もしくは、ＸＺ面に平行な面のどちらかしか測定できない、という課題は解決できるが、通常ＸＹ面に対して０度から６０度の傾斜内で形成されている光学面を測定することができない。
【００１３】
本発明は、光学素子形状の測定と基準面を決定する端面の測定の両方を一つのプローブで高精度に行うことができる形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の形状測定装置は、３次元的に移動可能なプローブハウジングと、前記プローブハウジングに対して相対移動可能に保持されたプローブと、を有し、被測定物の表面に対する前記プローブの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、前記プローブハウジングに対する、前記プローブの、前記プローブの長手方向と直交する方向における相対的な変位である並進変位を測定する測定手段と、前記プローブに対して並進力を発生させる前記プローブの長手方向に対して１箇所に配置された力発生手段と、前記測定手段の出力に基づいて、前記力発生手段による並進力を制御すると共に、前記被測定物の表面測定と前記被測定物の端面測定とで並進力を変更することで前記プローブと前記プローブハウジングとの間の剛性と粘性が設定される手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
プローブハウジングとプローブの間の機械的特性を、力発生手段によって被測定物の表面測定と被測定物の端面測定とで変更することができるため、被測定物の表面形状の測定と、基準面を決定する端面形状の測定の両方を一つのプローブで高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１に示すように、実施例１による形状測定装置は、プローブ球１とプローブシャフト２からなるプローブと、Ｚ方向のプローブ軸に垂直なＸ、Ｙ方向の並進力及び回転力を発生させるヨーク３ａ、３ｂ、磁性体３ｃ、３ｄ及びコイル等を有する。これらは、プローブハウジング４に支持される。さらに、Ｚ方向の力を発生するヨーク５ａ、マグネット５ｂ、コイル５ｃと、測定手段である変位計６ａ、６ｂ、７等を備える。
【００１８】
プローブシャフト２は、プローブハウジング４に対して自由（相対移動可能）に配置され、その先端には、Ｚミラー１０と、非常に真球度の高い精密球であるプローブ球１が固設されている。プローブハウジング４は、プローブベース１２と支柱１４を介してＺ軸テーブル１５に設置されており、プローブベース１２には、Ｘ１干渉計１３とＸ２干渉計１１が配置されており、それぞれ干渉計とＸ基準ミラー２０と間の距離を測定する。また、プローブベース１２上には、Ｙ１干渉計（不図示）、Ｙ２干渉計（不図示）が設置されており、Ｙ基準ミラー（不図示）との間の距離を測定する。Ｚ軸テーブル１５上には、Ｚ干渉計１６が設置されており、これにより、Ｚ基準ミラー２１との間の距離を測定する。
【００１９】
Ｚ軸テーブル１５は、Ｚ軸ステージ１７、Ｙ軸ステージ１８、Ｘ軸ステージ１９に接続されており、これらのステージにより、３次元的に移動可能である。Ｚ軸テーブル１５の移動量は、上述したＸ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６を用いて、Ｘ基準ミラー２０とＹ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１を基準にして、測定する。また、上記のステージはベース２３上に配置され、ベース２３上には、上記のステージのほかに、Ｘ基準ミラー２０、Ｚ基準ミラー２１を保持している基準ミラー保持部材２２が固定されている。また、被測定物Ｗが取り外し可能なように固定されている。
【００２０】
プローブハウジング４には、Ｘ１変位計６ａとＸ２変位計６ｂが固定されており、それぞれの変位計は、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＸ方向の相対的な変位を測定している。２つのＸ方向の変位を測定する変位計を設けたことで、プローブシャフト２の変位及び姿勢（並進変位及び回転変位）を測定することができる。
【００２１】
また、不図示ではあるが、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＹ方向の相対的な変位を測定する測定手段であるＹ１変位計、Ｙ２変位計もプローブハウジング４に固定されている。さらに、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＺ方向の相対的な変位を測定するＺ変位計７もプローブハウジング４に固設されている。
【００２２】
プローブハウジング４からプローブシャフト２に対して、Ｚ方向の力を作用させるＺ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク５ａ及びコイル５ｃと、プローブシャフト２に固定されたマグネット５ｂとにより構成される。コイル５ｃに電流を通電することにより、マグネット５ｂとヨーク５ａの間の磁界密度が変化してＺ上下方向の力をプローブシャフト２に加えることができる。
【００２３】
プローブシャフト２に対して、Ｘ方向の並進力及び回転力を発生させる力発生手段であるＸ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク３ａ、３ｂとプローブシャフト２に固定された磁性体３ｃ、３ｄから構成される。ヨーク３ａ、３ｂには、コイルが巻かれており、このコイルに電流を流すことにより、ヨーク３ａ、３ｂと磁性体３ｃ、３ｄの間の吸引力が変化し、プローブシャフトに２に対して、Ｘ方向の力を作用させることができる。また、Ｘ力発生機構は、プローブシャフト２の上下２箇所に設置されており、この２つを組み合わせて力を作用させることで、プローブシャフト２に回転力を作用させることができる。また、不図示ではあるが、Ｙ方向にも、Ｘ方向と同様な力発生手段であるＹ力発生機構が配置されている。
【００２４】
次に、装置の信号の流れについて説明する。
【００２５】
まず、装置の最上位コントローラとして、メインコントローラ（不図示）がある。メインコントローラから指令を受ける下位コントローラとして、計測コントローラ２４とステージコントローラ２６と力コントローラ２５の３つのコントローラがある。
【００２６】
計測コントローラ２４は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の変位データを同時にラッチする。そして、取得した変位データ（出力）をメインコントローラへ伝達する。
【００２７】
ステージコントローラ２６は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御を行う。それぞれのステージの位置制御を行うほか、Ｚ変位計７の値を一定にするＺ軸ステージ制御を行ったり、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂの値を一定にするＸ軸ステージ制御、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計の値を一定にするＹ軸ステージ制御を行う。
【００２８】
力コントローラ２５は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計の出力から、Ｚ力発生機構、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を制御する。
【００２９】
次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３０】
最初に、ステージコントローラ２６によりＺ軸ステージ１７を位置制御系にする。すなわち、Ｚ軸ステージ１７の位置が一定になるように制御し、そして、安全位置、すなわち、プローブ球１が最も被測定物Ｗから離れる方向にＺ軸ステージ１７を退避させる（ステップＳ０１）。
【００３１】
そして、力コントローラ２５により、光学面（表面）Ｗａを有する被測定物Ｗの基準面（端面）Ｗｂの測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する（ステップＳ０２）。
【００３２】
例えば、プローブ球１における、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍ、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍ、各方向の粘性を減衰率０．７程度に設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０Ｎ／ｍｍに設定する。このように設定すれば、非常に弱い力で基準面Ｗｂの測定が行え、かつ、移動中のステージ振動やその他の外乱振動によるプローブシャフト２とプローブハウジング４との間の相対振動が抑制される。
【００３３】
なお、剛性や粘性は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７、Ｘ力発生機構、Ｚ力発生機構、Ｙ力発生機構、力コントローラ２５により実現するが、具体的な制御方法については後述する。
【００３４】
最初の基準面の測定点の上に来るようにＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８を移動させる（ステップＳ０３）。
【００３５】
次に、Ｚ軸ステージ１７をさげて、プローブ球１と測定する被測定物Ｗの端面である基準面Ｗｂの高さを一致させる（ステップＳ０４）。
【００３６】
さらに、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を基準面Ｗｂに近づけて、プローブ球１と基準面Ｗｂを接触させる（ステップＳ０５）。プローブ球１と基準面Ｗｂの接触は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計を観察することで、検知できる。すなわち、プローブ球１をＸプラス方向からＸマイナス方向に移動させて基準面Ｗｂに接近させた場合は、接触時に、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂの出力が、マイナス方向へ触れるので、これを検知することによって、接触を検知できる。
【００３７】
接触を検知したら、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７が一定になるように、ステージコントローラ２６によりＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７を制御する（ステップＳ０６）。そして、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６の出力から測定点におけるプローブの座標位置を測定する（ステップＳ０７）。座標の算出の仕方は後述する。
【００３８】
座標測定の後に、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を測定点から退避させ（ステップＳ０８）、さらに、Ｚ軸ステージ１７により、プローブ球１と被測定物Ｗがもっとも離れた安全位置へ退避させる（ステップＳ０９）。
【００３９】
そして、基準面Ｗｂの測定（端面形状の測定）が終了していれば、光学面測定に移行し、もし途中であればステップＳ０３に戻り、次の基準面の測定を行う（ステップＳ１０）。
【００４０】
光学面Ｗａの測定（表面形状の測定）に移行する場合は、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、光学面測定の開始位置へ移動する（ステップＳ１１）。そして、力コントローラ２５により、光学面測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する。例えば、プローブ球１における、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性を２００ｍＮ／ｍｍに設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍに設定する（ステップＳ１２）。その後、プローブ接触判定モードにして、かつ、Ｚ軸ステージ１７を下げて、プローブ球１と被測定物Ｗの光学面Ｗａを接触させる。プローブ球１と被測定物Ｗの接触は、Ｚ変位計７を監視することにより検知できる。すなわち、プローブ球１と被測定物Ｗが接触するとプローブシャフト２がＺ＋方向へ押し上げられるので、Ｚ変位計７の出力が＋方向へ変化するので接触を検知できる。
【００４１】
プローブ球１と被測定物Ｗが接触したら、プローブ接触判定モードを解除し（ステップＳ１４）、被測定物Ｗへの押し付け力が一定になるように、Ｚ軸ステージ１７の針圧制御を行う（ステップＳ１５）。そのまま、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８により全測定領域を走査する（ステップＳ１６）。全測定領域を走査し終わったら、Ｚ軸ステージを位置制御系に切り替えて、安全位置に退避させ（ステップＳ１７）、測定を終了する。
【００４２】
次に、座標測定の算出方法について説明する。
【００４３】
まず、プローブハウジング４と基準ミラー保持部材２２の相対位置は、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計により測定される。また、プローブハウジング４とプローブシャフト２の相対位置は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７により測定される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計の出力を、それぞれ、ｍｘ１、ｍｘ２、ｍｙ１、ｍｙ２、ｍｚとする。また、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の出力をそれぞれ、ｐｘ１、ｐｘ２、ｐｙ１、ｐｙ２、ｐｚとする。
【００４４】
Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８のＸ方向以外、Ｙ方向以外の他方向への傾き誤差を考慮したプローブ球１中心とＸ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１との相対位置は、下記のＭで表現される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、プローブ球１の中心位置との間隔、をそれぞれ、ｌ１、ｌ２とすると、
【００４５】
【数１】
0005645349.tif 000002
【００４６】
プローブハウジング４とプローブ球１中心の相対位置Ｐは、プローブシャフト２の傾きを考慮すると、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、プローブ球１の中心位置との間隔を、ｍ１、ｍ２とすると、
【００４７】
【数２】
0005645349.tif 000003
と表現されるので、Ｘ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１とプローブ球１中心との相対位置を測定座標Ｇは、以下のように表現される。
【００４８】
【数３】
0005645349.tif 000004
【００４９】
次に、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間の剛性及び粘性の設定方法について説明する。
【００５０】
例えば、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向、Ｚ並進方向、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性、粘性をそれぞれ、
【００５１】
【数４】
0005645349.tif 000005
とするためには、Ｘ、Ｙ、Ｚ力発生機構によって、プローブシャフト２へ下記式で表現される力
【００５２】
【数５】
0005645349.tif 000006
を加えればよい。
【００５３】
【数６】
0005645349.tif 000007
これから、上下２箇所でＸ力発生機構、Ｙ力発生機構が発生する力に変換すると、
【００５４】
【数７】
0005645349.tif 000008
【００５５】
なお、ここで、Ｆｘ１、Ｆｙ１は上部のＸ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を表し、Ｆｘ２、Ｆｙ２は下部のＸ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を表している。
【００５６】
Ｚ力発生機構が発生する力は、上記Ｆｚをそのまま出力すればよい。
【実施例２】
【００５７】
図３に示すように、実施例２による形状測定装置は、プローブ球１とプローブシャフト２からなるプローブと、Ｚ方向のプローブ軸に垂直なＸ、Ｙ方向の並進力を発生する力発生手段を構成するヨーク３ａ、磁性体３ｃ、及びコイル等を有する。これらはプローブハウジング４に支持される。また、Ｚ方向の力発生手段を構成するヨーク５ａ、マグネット５ｂ、コイル５ｃと、測定手段である変位計６、７等を備える。
【００５８】
プローブシャフト２は、プローブハウジング４に対して自由に配置され、その先端には、Ｚミラー１０と、非常に真球度の高い精密球であるプローブ球１が固設されている。プローブハウジング４は、プローブベース１２と支柱１４を介してＺ軸テーブル１５に設置されており、プローブベース１２には、Ｘ１干渉計１３とＸ２干渉計１１が配置されており、それぞれ干渉計とＸ基準ミラー２０と間の距離を測定する。また、プローブベース１２上には、Ｙ１干渉計（不図示）、Ｙ２干渉計（不図示）が設置されており、Ｙ基準ミラー（不図示）との間の距離を測定する。Ｚ軸テーブル１５上には、Ｚ干渉計１６が設置されており、これにより、Ｚ基準ミラー２１との間の距離を測定する。
【００５９】
Ｚ軸テーブル１５は、Ｚ軸ステージ１７、Ｙ軸ステージ１８、Ｘ軸ステージ１９に接続されており、これらのステージにより、３次元的に動作可能である。Ｚ軸テーブル１５の移動量は、上述したＸ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６を用いて、Ｘ基準ミラー２０とＹ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１を基準にして、測定する。上記のステージはベース２３上に配置され、ベース２３上には、上記のステージのほかに、Ｘ基準ミラー２０、Ｚ基準ミラー２１を保持している基準ミラー保持部材２２が固定されている。また、被測定物Ｗが取り外し可能なように固定されている。
【００６０】
プローブハウジング４には、Ｘ変位計６が固定されており、この変位計は、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＸ方向の相対的な変位（並進変位）を測定している。
【００６１】
また、不図示ではあるが、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＹ方向の相対的な変位（並進変位）を測定する測定手段であるＹ変位計もプローブハウジング４に固定されている。さらに、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＺ方向の相対的な変位を測定するＺ変位計７もプローブハウジング４に固設されている。
【００６２】
また、プローブハウジング４からプローブシャフト２に対して、力を作用させる力発生機構が配置されている。プローブシャフト２に対して、Ｚ方向の力を発生させる力発生手段であるＺ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク５ａ及びコイル５ｃと、プローブシャフト２に固定されたマグネット５ｂとにより構成される。コイル５ｃに電流を通電することにより、マグネット５ｂとヨーク５ａの間の磁界密度が変化してＺ上下方向の力をプローブシャフト２に加えることができる。
【００６３】
プローブシャフト２に対して、Ｘ方向の力を発生させる力発生手段であるＸ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク３ａとプローブシャフト２に固定された磁性体３ｃから構成される。ヨーク３ａには、コイルが巻かれており、このコイルに電流を流すことにより、ヨーク３ａと磁性体３ｃの間の吸引力が変化し、プローブシャフトに２に対して、Ｘ方向の力を作用させることができる。
【００６４】
不図示ではあるが、Ｙ方向にも、Ｘ方向と同様なＹ力発生機構が配置されており、プローブシャフト２に対してＹ方向の力（並進力）を作用（発生）させる力発生手段を構成する。
【００６５】
次に、装置の信号の流れについて説明する。
【００６６】
まず、装置の最上位コントローラとして、メインコントローラ（不図示）がある。メインコントローラから指令を受ける下位コントローラとして、計測コントローラ２４とステージコントローラ２６と力コントローラ２５の３つのコントローラがある。
【００６７】
計測コントローラ２４は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７の変位データを同時にラッチする。そして、取得した変位データをメインコントローラへ伝達する。
【００６８】
ステージコントローラ２６は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御を行う。それぞれのステージの位置制御を行うほか、Ｚ変位計７の値を一定にするＺ軸ステージ制御を行ったり、Ｘ変位計６の値を一定にするＸ軸ステージ制御、Ｙ変位計の値を一定にするＹ軸ステージ制御を行う。
【００６９】
力コントローラ２５は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ変位計６、Ｙ変位計の出力から、Ｚ力発生機構、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を制御する。
【００７０】
次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
最初に、ステージコントローラ２６によりＺ軸ステージ１７を位置制御系にする。すなわち、Ｚ軸ステージ１７の位置が一定になるように制御し、そして、安全位置、すなわち、プローブ球１が最も被測定物Ｗから離れる方向にＺ軸ステージ１７を退避させる（ステップＳ０１）。
【００７２】
そして、力コントローラ２５により、光学面（表面）Ｗａを有する被測定物Ｗの基準面（端面）Ｗｂの測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する（ステップＳ０２）。
【００７３】
例えば、プローブ球１における、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍ、各方向の粘性を減衰率０．７程度に設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０Ｎ／ｍｍに設定する。このように設定すれば、非常に弱い力で基準面Ｗｂの測定が行え、かつ、移動中のステージ振動やその他の外乱振動によるプローブシャフト２とプローブハウジング４との間の相対振動が抑制される。
【００７４】
なお、剛性や粘性は、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７、Ｘ力発生機構、Ｚ力発生機構、Ｙ力発生機構、力コントローラ２５により実現するが、具体的な制御方法については後述する。
【００７５】
最初の基準面の測定点の上に来るようにＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８を移動させる（ステップＳ０３）。
【００７６】
次に、Ｚ軸ステージ１７をさげて、プローブ球１と測定する被測定物Ｗの端面である基準面Ｗｂの高さを一致させる（ステップＳ０４）。
【００７７】
さらに、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を基準面Ｗｂに近づけて、プローブ球１と基準面Ｗｂを接触させる（ステップＳ０５）。プローブ球１と基準面Ｗｂの接触は、Ｘ変位計６、Ｙ変位計を観察することで、検知できる。すなわち、プローブ球１をＸプラス方向からＸマイナス方向に移動させて基準面Ｗｂに接近させた場合は、接触時に、Ｘ変位計６の出力が、マイナス方向へ触れるので、これを検知することによって、接触を検知できる。
【００７８】
接触を検知したら、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７が一定になるように、ステージコントローラ２６によりＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７を制御する（ステップＳ０６）。そして、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６の出力から測定点の座標（プローブの座標位置）を測定する（ステップＳ０７）。座標の算出の仕方は後述する。
【００７９】
座標測定の後に、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を測定点から退避させ（ステップＳ０８）、さらに、Ｚ軸ステージ１７により、プローブ球１と被測定物Ｗがもっとも離れた安全位置へ退避させる（ステップＳ０９）。
【００８０】
そして、基準面Ｗｂの測定（端面形状の測定）が終了していれば、光学面測定（表面形状の測定）に移行し、もし途中であればステップＳ０３に戻り、次の基準面の測定を行う（ステップＳ１０）。
【００８１】
光学面Ｗａの測定に移行する場合は、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、光学面測定の開始位置へ移動する（ステップＳ１１）。そして、力コントローラ２５により、光学面測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する。例えば、プローブ球１における、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向の剛性を２００ｍＮ／ｍｍに設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍに設定する（ステップＳ１２）。その後、プローブ接触判定モードにして、かつ、Ｚ軸ステージ１７を下げて、プローブ球１と被測定物Ｗの光学面Ｗａを接触させる。プローブ球１と被測定物Ｗの接触は、Ｚ変位計７を監視することにより検知できる。すなわち、プローブ球１と被測定物Ｗが接触するとプローブシャフト２がＺ＋方向へ押し上げられるので、Ｚ変位計７の出力が＋方向へ変化するので接触を検知できる。
【００８２】
プローブ球１と被測定物Ｗが接触したら、プローブ接触判定モードを解除し（ステップＳ１４）、被測定物Ｗへの押し付け力が一定になるように、Ｚ軸ステージ１７の針圧制御を行う（ステップＳ１５）。そのまま、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８により全測定領域を走査する（ステップＳ１６）。全測定領域を走査し終わったら、Ｚ軸ステージを位置制御系に切り替えて、安全位置に退避させ（ステップＳ１７）、測定を終了する。
【００８３】
次に、座標測定の算出方法について説明する。
【００８４】
まず、プローブハウジング４と基準ミラー保持部材２２の相対位置は、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計により測定される。また、プローブハウジング４とプローブシャフト２の相対位置は、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７により測定される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計の出力を、それぞれ、ｍｘ１、ｍｘ２、ｍｙ１、ｍｙ２、ｍｚとする。また、Ｘ変位計６、Ｙ変位計、Ｚ変位計７の出力をそれぞれ、ｐｘ２、ｐｙ２、ｐｚとする。
【００８５】
Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８のＸ方向以外、Ｙ方向以外の他方向への傾き誤差を考慮したプローブ球１中心とＸ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１との相対位置は、下記のＭで表現される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、プローブ球１の中心位置との間隔、をそれぞれ、ｌ１、ｌ２とすると、
【００８６】
【数８】
0005645349.tif 000009
また、プローブハウジング４とプローブ球１中心の相対位置Ｐは、
【００８７】
【数９】
0005645349.tif 000010
と表現されるので、Ｘ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１とプローブ球１中心との相対位置を測定座標Ｇは、以下のように表現される。
【００８８】
【数１０】
0005645349.tif 000011
【００８９】
次に、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間の剛性及び粘性の設定方法について説明する。
【００９０】
例えば、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向、Ｚ並進方向の剛性、粘性をそれぞれ、
【００９１】
【数１１】
0005645349.tif 000012
とするためには、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構、Ｚ力発生機構によって、プローブシャフト２へ下記式で表現される力
【００９２】
【数１２】
0005645349.tif 000013
を加えればよい。
【００９３】
【数１３】
0005645349.tif 000014
これから、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構が発生する力に変換すると、
【００９４】
【数１４】
0005645349.tif 000015
【００９５】
Ｚ力発生機構が発生する力は、上記Ｆｚをそのまま出力すればよい。
【実施例３】
【００９６】
実施例３は、図１の構成を用いる。プローブシャフト２は、プローブハウジング４に対して自由に配置され、その先端には、Ｚミラー１０と、非常に真球度の高い精密球であるプローブ球１が固設されている。プローブハウジング４は、プローブベース１２と支柱１４を介してＺ軸テーブル１５に設置されており、プローブベース１２には、Ｘ１干渉計１３とＸ２干渉計１１が配置されており、それぞれ干渉計とＸ基準ミラー２０と間の距離を測定する。また、プローブベース１２上には、Ｙ１干渉計（不図示）、Ｙ２干渉計（不図示）が設置されており、Ｙ基準ミラー（不図示）との間の距離を測定する。Ｚ軸テーブル１５上には、Ｚ干渉計１６が設置されており、これにより、Ｚ基準ミラー２１との間の距離を測定する。
【００９７】
Ｚ軸テーブル１５は、Ｚ軸ステージ１７、Ｙ軸ステージ１８、Ｘ軸ステージ１９に接続されており、これらのステージにより、３次元的に動作可能である。Ｚ軸テーブルの移動量は、上述したＸ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６を用いて、Ｘ基準ミラー２０とＹ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１を基準にして、測定する。上記のステージはベース２３上に配置され、ベース２３上には、上記のステージのほかに、Ｘ基準ミラー２０、Ｚ基準ミラー２１を保持している基準ミラー保持部材２２が固定されている。また、被測定物Ｗが取り外し可能なように固定されている。
【００９８】
また、プローブハウジング４には、Ｘ１変位計６ａとＸ２変位６ｂが固定されており、それぞれの変位計は、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＸ方向の相対的な変位を測定している。２つのＸ方向の変位を測定する変位計を設けたことで、プローブシャフト２の姿勢（回転変位）を測定する測定手段を構成する。
【００９９】
また、不図示ではあるが、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＹ方向の相対的な変位を測定する測定手段であるＹ１変位計、Ｙ２変位計もプローブハウジング４に固定されている。さらに、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＺ方向の相対的な変位を測定するＺ変位計７もプローブハウジング４に固設されている。
【０１００】
プローブハウジング４とプローブシャフト３には、プローブハウジング４からプローブシャフト２に対して、力を作用させる力発生機構が配置されている。プローブシャフト２に対して、Ｚ方向の力を発生させるＺ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク５ａとコイル５ｃとプローブシャフト２に固定されたマグネット５ｂにより構成される。コイル５ｃに電流を通電することにより、マグネット５ｂとヨーク５ａの間の磁界密度が変化してＺ上下方向の力をプローブシャフト２に加えることができる。
【０１０１】
プローブシャフト２に対して、Ｘ方向の力を発生させるＸ力発生機構は、プローブハウジング４に固定されたヨーク３ａ、３ｂとプローブシャフト２に固定された磁性体３ｃ、３ｄから構成される。ヨーク３ａ、３ｂには、コイルが巻かれており、このコイルに電流を流すことにより、ヨーク３ａ、３ｂと磁性体３ｃ、３ｄの間の吸引力が変化し、プローブシャフトに２に対して、Ｘ方向の力を作用させることができる。また、Ｘ力発生機構は、プローブシャフト２の上下２箇所に設置されており、この２つを組み合わせて力を作用させることで、プローブシャフト２に回転力を作用（発生）させる力発生手段を構成する。また、不図示ではあるが、Ｙ方向にも、Ｘ方向と同様なＹ力発生機構が配置されており、プローブシャフト４に対して回転力を作用させる。
【０１０２】
次に、装置の信号の流れについて説明する。
【０１０３】
まず、装置の最上位コントローラとして、メインコントローラがある。メインコントローラから指令を受ける下位コントローラとして、計測コントローラ２４とステージコントローラ２６と力コントローラ２５の３つのコントローラがある。
【０１０４】
計測コントローラ２４は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の変位データを同時にラッチする。そして、取得した変位データをメインコントローラへ伝達する。
【０１０５】
ステージコントローラ２６は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御を行う。それぞれのステージの位置制御を行うほか、Ｚ変位計７の値を一定にするＺ軸ステージ制御を行ったり、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂの値を一定にするＸ軸ステージ制御、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計の値を一定にするＹ軸ステージ制御を行う。
【０１０６】
力コントローラ２５は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計の出力から、Ｚ力発生機構５、Ｘ力発生機構３、Ｙ力発生機構の発生力を制御する。
【０１０７】
次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【０１０８】
最初に、ステージコントローラ２６によりＺ軸ステージ１７を位置制御系にする。すなわち、Ｚ軸ステージ１７の位置が一定になるように制御し、そして、安全位置、すなわち、プローブ球１が最も被測定物Ｗから離れる方向にＺ軸ステージ１７を退避させる（ステップＳ０１）。
【０１０９】
そして、力コントローラ２５により、光学面（表面）Ｗａを有する被測定物Ｗの基準面（端面）Ｗｂの測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する（ステップＳ０２）。
【０１１０】
例えば、プローブ球１における、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍ、各方向の粘性を減衰率０．７程度に設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０Ｎ／ｍｍに設定する。このように設定すれば、非常に弱い力で基準面Ｗｂの測定が行え、かつ、移動中のステージ振動やその他の外乱振動によるプローブシャフト２とプローブハウジング４との間の相対振動が抑制される。
【０１１１】
なお、剛性や粘性は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７、Ｘ力発生機構、Ｚ力発生機構、Ｙ力発生機構、力コントローラ２５により実現するが、具体的な制御方法については後述する。
【０１１２】
最初の基準面の測定点の上に来るようにＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８を移動させる（ステップＳ０３）。
【０１１３】
次に、Ｚ軸ステージ１７をさげて、プローブ球１と測定する被測定物Ｗの端面である基準面Ｗｂの高さを一致させる（ステップＳ０４）。
【０１１４】
さらに、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を基準面Ｗｂに近づけて、プローブ球１と基準面Ｗｂを接触させる（ステップＳ０５）。プローブ球１と基準面Ｗｂの接触は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計を観察することで、検知できる。すなわち、プローブ球１をＸプラス方向からＸマイナス方向に移動させて基準面Ｗｂに接近させた場合は、接触時に、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂの出力が、マイナス方向へ触れるので、これを検知することによって、接触を検知できる。
【０１１５】
接触を検知したら、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７が一定になるように、ステージコントローラ２６によりＸ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７を制御する（ステップＳ０６）。そして、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６の出力から測定点の座標測定する（ステップＳ０７）。座標の算出の仕方は後述する。
【０１１６】
座標測定の後に、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、プローブ球１を測定点から退避させ（ステップＳ０８）、さらに、Ｚ軸ステージ１７により、プローブ球１と被測定物Ｗがもっとも離れた安全位置へ退避させる（ステップＳ０９）。
【０１１７】
そして、基準面Ｗｂの測定（端面形状の測定）が終了していれば、光学面測定（表面形状の測定）に移行し、もし途中であればステップＳ０３に戻り、次の基準面の測定を行う（ステップＳ１０）。
【０１１８】
光学面Ｗａの測定に移行する場合は、Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８により、光学面測定の開始位置へ移動する（ステップＳ１１）。そして、力コントローラ２５により、光学面測定に適した、プローブシャフト２とプローブハウジング４との間の剛性、粘性を設定する。例えば、プローブ球１における、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性を２００ｍＮ／ｍｍに設定し、Ｚ並進方向の剛性を１０ｍＮ／ｍｍに設定する（ステップＳ１２）。その後、プローブ接触判定モードにして、かつ、Ｚ軸ステージ１７を下げて、プローブ球１と被測定物Ｗの光学面Ｗａを接触させる。プローブ球１と被測定物Ｗの接触は、Ｚ変位計７を監視することにより検知できる。すなわち、プローブ球１と被測定物Ｗが接触するとプローブシャフト２がＺ＋方向へ押し上げられるので、Ｚ変位計７の出力が＋方向へ変化するので接触を検知できる。
【０１１９】
プローブ球１と被測定物Ｗが接触したら、プローブ接触判定モードを解除し（ステップＳ１４）、被測定物Ｗへの押し付け力が一定になるように、Ｚ軸ステージ１７の針圧制御を行う（ステップＳ１５）。そのまま、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８により全測定領域を走査する（ステップＳ１６）。全測定領域を走査し終わったら、Ｚ軸ステージを位置制御系に切り替えて、安全位置に退避させ（ステップＳ１７）、測定を終了する。
【０１２０】
次に、座標測定の算出方法について説明する。
【０１２１】
まず、プローブハウジング４と基準ミラー保持部材２２の相対位置は、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計により測定される。また、プローブハウジング４とプローブシャフト２の相対位置は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７により測定される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計の出力を、それぞれ、ｍｘ１、ｍｘ２、ｍｙ１、ｍｙ２、ｍｚとする。また、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の出力をそれぞれ、ｐｘ１、ｐｘ２、ｐｙ１、ｐｙ２、ｐｚとする。
【０１２２】
Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８のＸ方向以外、Ｙ方向以外の他方向への傾き誤差を考慮したプローブ球１中心とＸ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１との相対位置は、下記のＭで表現される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、プローブ球１の中心位置との間隔、をそれぞれ、ｌ１、ｌ２とすると、
【０１２３】
【数１５】
0005645349.tif 000016
【０１２４】
プローブハウジング４とプローブ球１中心の相対位置Ｐは、プローブシャフト２の傾きを考慮し、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、プローブ球１の中心位置との間隔を、ｍ１、ｍ２とすると、
【０１２５】
【数１６】
0005645349.tif 000017
と表現されるので、Ｘ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１とプローブ球１中心との相対位置を測定座標Ｇは、以下のように表現される。
【０１２６】
【数１７】
0005645349.tif 000018
【０１２７】
次に、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間の剛性及び粘性の設定方法について説明する。
【０１２８】
例えば、Ｚ並進方向、Ｘ回転方向、Ｙ回転方向の剛性、粘性をそれぞれ、
【０１２９】
【数１８】
0005645349.tif 000019
とするためには、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構、Ｚ力発生機構によって、プローブシャフト２へ下記式で表現される力
【０１３０】
【数１９】
0005645349.tif 000020
を加えればよい。
【０１３１】
【数２０】
0005645349.tif 000021
これから、Ｘ力発生機構、Ｙ力発生機構が発生する力に変換すると、
【０１３２】
【数２１】
0005645349.tif 000022
【０１３３】
なお、ここで、Ｆｘ１、Ｆｙ１は上部のＸ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を表し、Ｆｘ２、Ｆｙ２は下部のＸ力発生機構、Ｙ力発生機構の発生力を表している。
Ｚ力発生機構が発生する力は、上記Ｆｚをそのまま出力すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】実施例１による形状測定装置を示す模式図である。
【図２】形状測定フローを示すフローチャートである。
【図３】実施例２による形状測定装置を示す模式図である。
【図４】一従来例を説明する図である。
【図５】別の従来例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１  プローブ球
２  プローブシャフト
３ａ、３ｂ  ヨーク
３ｃ、３ｄ  磁性体
４  プローブハウジング
５ａ  ヨーク
５ｂ  マグネット
５ｃ  コイル
６    Ｘ変位計
６ａ  Ｘ１変位計
６ｂ  Ｘ２変位計
７  Ｚ変位計
１０  Ｚミラー
１１  Ｘ２干渉計
１２  プローブベース
１３  Ｘ１干渉計
１４  支柱
１５  Ｚ軸テーブル
１６  Ｚ干渉計
１７  Ｚ軸ステージ
１８  Ｙ軸ステージ
１９  Ｘ軸ステージ
２０  Ｘ基準ミラー
２１  Ｚ基準ミラー
２２  基準ミラー保持部材
２３  ベース
２４  計測コントローラ
２５  力コントローラ
２６  ステージコントローラ
【図１】
0005645349.tif 000023
【図２】
0005645349.tif 000024
【図３】
0005645349.tif 000025
【図４】
0005645349.tif 000026
【図５】
0005645349.tif 000027