(57)【要約】【課題】光学式プローブとステージとの相対位置及び姿勢誤差を高精度に検出して、ワークの形状を高精度に測定することを可能にする形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明の形状測定装置は、ワークＷが載置される載置面１１を有するステージ１０と、光軸Ｌに直交する直交面２１を有し、載置面１１に載置されたワークＷの形状を測定する光学式プローブ２０と、載置面１１に対向する基準面５１を有する基準部材５０と、基準面５１に対する載置面１１の傾き及び基準面５１から載置面１１までの距離を検出する第１の検出部５２，５３，５４と、基準面５１に対する直交面２１の傾き及び基準面５１から直交面２１までの距離を検出する第２の検出部５５，５６，５７と、を有する。【選択図】図１
2013051382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークが載置される載置面を有するステージと、
光軸に直交する直交面を有し、前記載置面に載置された前記ワークの形状を測定する光学式プローブと、
前記載置面に対向する基準面を有する基準部材と、
前記基準面に対する前記載置面の傾き及び前記基準面から前記載置面までの距離を検出する第１の検出部と、
前記基準面に対する前記直交面の傾き及び前記基準面から前記直交面までの距離を検出する第２の検出部と、
を有する形状測定装置。
【請求項２】
前記基準面に直交する軸周りの前記ステージの傾きを検出する第３の検出部と、
前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを検出する第４の検出部と、
をさらに有する請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記第１の検出部は、
前記基準面に設けられ、前記基準面から前記載置面までの距離を測定する３つ以上の第１の測長器と、
前記第１の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記載置面の傾きを算出する第１の算出部と、を有し、
前記第２の検出部は、
前記基準面に設けられ、前記基準面から前記直交面までの距離を測定するための３つ以上の第２の測長器と、
前記第２の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記直交面の傾きを算出する第２の算出部と、を有する請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記３つ以上の第１の測長器の重心位置及び前記３つ以上の第２の測長器の重心位置は、前記光軸とそれぞれ一致している請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光学式プローブを前記光軸方向に移動させる駆動部をさらに有し、
前記第３の検出部は、
前記ステージの側面に対向する第１の反射面を有する第１の反射部材と、
前記ステージの側面に当該側面の長手方向に沿って相互に離隔して設けられ、当該側面から前記第１の反射面までの距離を測定する２つの第３の測長器と、
前記第３の測長器によって得られた測定結果から、前記軸周りの前記ステージの傾きを算出する第３の算出部と、を有し、
前記第４の検出部は、
前記直交面に直交する前記光学式プローブの第１の側面に対向する第２の反射面を有する第２の反射部材と、
前記第１の側面に直交する前記光学式プローブの第２の側面に対向する第３の反射面を有する第３の反射部材と、
前記第１の側面に設けられ、当該第１の側面から前記第２の反射面までの距離を測定する１つの第４の測長器と、
前記第２の側面に設けられ、当該第２の側面から前記第３の反射面までの距離を測定する１つの第５の測長器と、
前記第４及び第５の測長器によって得られた測定結果及び前記駆動部の中心位置から、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを算出する第４の算出部と、
を有する請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の検出部によってそれぞれ検出された前記載置面及び前記直交面の前記基準面に対する前記傾き及び距離から、前記ステージと前記光学式プローブとの相対位置及び姿勢誤差を算出する第５の算出部と、
前記第５の算出部によって算出された前記相対位置及び姿勢誤差に基づいて、前記光学式プローブによって前記ワークの表面を微小領域単位で測定して得られた複数の形状データを補正してつなぎ合わせるステッチング処理を行うステッチング処理部と、をさらに有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
ワークが載置されるステージの載置面に対向する、基準部材の基準面に対する前記載置面の傾き及び前記基準面から前記載置面までの距離を検出し、かつ、前記載置面に載置された前記ワークの形状を測定する光学式プローブの光軸に直交する直交面の前記基準面に対する傾き及び前記基準面から前記直交面までの距離を検出するステップ（ａ）を有する形状測定方法。
【請求項８】
前記基準面に直交する軸周りの前記ステージの傾きを検出し、かつ、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを検出するステップ（ｂ）をさらに有する請求項７に記載の形状測定方法。
【請求項９】
前記ステップ（ａ）は、
前記基準面に設けられた３つ以上の第１の測長器によって、前記基準面から前記載置面までの距離を測定し、かつ、前記基準面に設けられた３つ以上の第２の測長器によって、前記基準面から前記直交面までの距離を測定するステップ（ａ１）と、
前記第１及び第２の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記載置面の傾き及び前記直交面の傾きを算出するステップ（ａ２）と、を有する請求項７または８に記載の形状測定方法。
【請求項１０】
前記３つ以上の第１の測長器の重心位置及び前記３つ以上の第２の測長器の重心位置は、前記光軸とそれぞれ一致している請求項９に記載の形状測定方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ｂ）は、
前記ステージの側面に当該側面の長手方向に沿って相互に離隔して設けられた２つの第３の測長器によって、前記側面から、第１の反射部材の前記側面に対向する第１の反射面までの距離を測定し、かつ、前記直交面に直交する前記光学式プローブの第１の側面に設けられた１つの第４の測長器によって、前記第１の側面から、第２の反射部材の前記第１の側面に対向する第２の反射面までの距離を測定し、かつ、前記第１の側面に直交する前記光学式プローブの第２の側面に設けられた１つの第５の測長器によって、前記第２の側面から、第３の反射部材の前記第２の側面に対向する第３の反射面までの距離を測定するステップ（ｂ１）と、
前記第３の測長器によって得られた測定結果から、前記軸周りの前記ステージの傾きを算出し、かつ、前記第４及び第５の測長器によって得られた測定結果及び前記光学式プローブを前記光軸方向に移動させる駆動部の中心位置から、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを算出するステップ（ｂ２）と、を有する請求項８に記載の形状測定方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ａ）において検出された前記載置面及び前記直交面の前記基準面に対する前記傾き及び距離から、前記ステージと前記光学式プローブとの相対位置及び姿勢誤差を算出するステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｃ）において算出された前記相対位置及び姿勢誤差に基づいて、前記光学式プローブによって前記ワークの表面を微小領域単位で測定して得られた複数の形状データを補正してつなぎ合わせるステッチング処理を行うステップ（ｄ）と、をさらに有する請求項７〜１１のいずれか１項に記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子等のワークの加工精度を確認するためには、ワークの形状を高精度に測定することが必要である。ワークの形状測定には、接触式プローブや光学式プローブを備えた形状測定装置が用いられる。【０００３】
これに関連する技術として、下記の特許文献１には、複数のレーザー測長器により、形状測定装置の接触式プローブのＸＹＺ軸方向の位置と、ステージのＸＹＺ軸方向の位置及びＸＹ軸周りの傾きとを測定する技術が提案されている。この技術によれば、レーザー測長器による測定結果に基づいて、ステージのピッチング及びヨーイングによるステージの姿勢ずれやステージと接触式プローブとの位置ずれの影響を低減しつつ、ワーク上の測定点の座標を高精度に算出することができる。【０００４】
しかしながら、この技術は、ワークを点で測定する接触式プローブを備えた形状測定装置に対しては十分な精度が得られるものの、ワークを面で測定する光学式プローブを備えた形状測定装置に対しては十分ではない。光学式プローブは、ワークの微小領域（たとえば、１ｍｍ×１ｍｍ角）を１回の測定動作により測定するため、光学式プローブを備えた形状測定装置では、光学式プローブとステージとの相対位置のみならず、光学式プローブとステージとの相対的な姿勢を高精度に検出して測定データの補正を行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２０９７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、光学式プローブとステージとの相対位置及び姿勢誤差を高精度に検出して、ワークの形状を高精度に測定することを可能にする形状測定装置及び形状測定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】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。【０００８】
（１）ワークが載置される載置面を有するステージと、光軸に直交する直交面を有し、前記載置面に載置された前記ワークの形状を測定する光学式プローブと、前記載置面に対向する基準面を有する基準部材と、前記基準面に対する前記載置面の傾き及び前記基準面から前記載置面までの距離を検出する第１の検出部と、前記基準面に対する前記直交面の傾き及び前記基準面から前記直交面までの距離を検出する第２の検出部と、を有する形状測定装置。【０００９】
（２）前記基準面に直交する軸周りの前記ステージの傾きを検出する第３の検出部と、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを検出する第４の検出部と、をさらに有する上記（１）に記載の形状測定装置。【００１０】
（３）前記第１の検出部は、前記基準面に設けられ、前記基準面から前記載置面までの距離を測定する３つ以上の第１の測長器と、前記第１の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記載置面の傾きを算出する第１の算出部と、を有し、前記第２の検出部は、前記基準面に設けられ、前記基準面から前記直交面までの距離を測定するための３つ以上の第２の測長器と、前記第２の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記直交面の傾きを算出する第２の算出部と、を有する上記（１）または（２）に記載の形状測定装置。【００１１】
（４）前記３つ以上の第１の測長器の重心位置及び前記３つ以上の第２の測長器の重心位置は、前記光軸とそれぞれ一致している上記（３）に記載の形状測定装置。【００１２】
（５）前記光学式プローブを前記光軸方向に移動させる駆動部をさらに有し、前記第３の検出部は、前記ステージの側面に対向する第１の反射面を有する第１の反射部材と、前記ステージの側面に当該側面の長手方向に沿って相互に離隔して設けられ、当該側面から前記第１の反射面までの距離を測定する２つの第３の測長器と、前記第３の測長器によって得られた測定結果から、前記軸周りの前記ステージの傾きを算出する第３の算出部と、を有し、前記第４の検出部は、前記直交面に直交する前記光学式プローブの第１の側面に対向する第２の反射面を有する第２の反射部材と、前記第１の側面に直交する前記光学式プローブの第２の側面に対向する第３の反射面を有する第３の反射部材と、前記第１の側面に設けられ、当該第１の側面から前記第２の反射面までの距離を測定する１つの第４の測長器と、前記第２の側面に設けられ、当該第２の側面から前記第３の反射面までの距離を測定する１つの第５の測長器と、前記第４及び第５の測長器によって得られた測定結果及び前記駆動部の中心位置から、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを算出する第４の算出部と、を有する上記（２）に記載の形状測定装置。【００１３】
（６）前記第１及び第２の検出部によってそれぞれ検出された前記載置面及び前記直交面の前記基準面に対する前記傾き及び距離から、前記ステージと前記光学式プローブとの相対位置及び姿勢誤差を算出する第５の算出部と、前記第５の算出部によって算出された前記相対位置及び姿勢誤差に基づいて、前記光学式プローブによって前記ワークの表面を微小領域単位で測定して得られた複数の形状データを補正してつなぎ合わせるステッチング処理を行うステッチング処理部と、をさらに有する上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の形状測定装置。【００１４】
（７）ワークが載置されるステージの載置面に対向する、基準部材の基準面に対する前記載置面の傾き及び前記基準面から前記載置面までの距離を検出し、かつ、前記載置面に載置された前記ワークの形状を測定する光学式プローブの光軸に直交する直交面の前記基準面に対する傾き及び前記基準面から前記直交面までの距離を検出するステップ（ａ）を有する形状測定方法。【００１５】
（８）前記基準面に直交する軸周りの前記ステージの傾きを検出し、かつ、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを検出するステップ（ｂ）をさらに有する上記（７）に記載の形状測定方法。【００１６】
（９）前記ステップ（ａ）は、前記基準面に設けられた３つ以上の第１の測長器によって、前記基準面から前記載置面までの距離を測定し、かつ、前記基準面に設けられた３つ以上の第２の測長器によって、前記基準面から前記直交面までの距離を測定するステップ（ａ１）と、前記第１及び第２の測長器によって得られた測定結果から、前記基準面に対する前記載置面の傾き及び前記直交面の傾きを算出するステップ（ａ２）と、を有する上記（７）または（８）に記載の形状測定方法。【００１７】
（１０）前記３つ以上の第１の測長器の重心位置及び前記３つ以上の第２の測長器の重心位置は、前記光軸とそれぞれ一致している上記（９）に記載の形状測定方法。【００１８】
（１１）前記ステップ（ｂ）は、前記ステージの側面に当該側面の長手方向に沿って相互に離隔して設けられた２つの第３の測長器によって、前記側面から、第１の反射部材の前記側面に対向する第１の反射面までの距離を測定し、かつ、前記直交面に直交する前記光学式プローブの第１の側面に設けられた１つの第４の測長器によって、前記第１の側面から、第２の反射部材の前記第１の側面に対向する第２の反射面までの距離を測定し、かつ、前記第１の側面に直交する前記光学式プローブの第２の側面に設けられた１つの第５の測長器によって、前記第２の側面から、第３の反射部材の前記第２の側面に対向する第３の反射面までの距離を測定するステップ（ｂ１）と、前記第３の測長器によって得られた測定結果から、前記軸周りの前記ステージの傾きを算出し、かつ、前記第４及び第５の測長器によって得られた測定結果及び前記光学式プローブを前記光軸方向に移動させる駆動部の中心位置から、前記軸周りの前記光学式プローブの傾きを算出するステップ（ｂ２）と、を有する上記（８）に記載の形状測定方法。【００１９】
（１２）前記ステップ（ａ）において検出された前記載置面及び前記直交面の前記基準面に対する前記傾き及び距離から、前記ステージと前記光学式プローブとの相対位置及び姿勢誤差を算出するステップ（ｃ）と、前記ステップ（ｃ）において算出された前記相対位置及び姿勢誤差に基づいて、前記光学式プローブによって前記ワークの表面を微小領域単位で測定して得られた複数の形状データを補正してつなぎ合わせるステッチング処理を行うステップ（ｄ）と、をさらに有する上記（７）〜（１１）のいずれか１つに記載の形状測定方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光学式プローブ及びステージの位置及び傾きが基準面を基準としてそれぞれ検出されるため、光学式プローブとステージとの相対位置及び姿勢誤差を高精度に検出することができる。その結果、ワークの形状を高精度に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る形状測定装置の概略斜視図である。
【図２】図１に示される形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】基準面上のレーザー測長器の配置を示す図である。
【図４】形状測定装置の算出部により実行される位置姿勢算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】載置ステージのＺ軸周りの傾きを算出する処理を説明するための図である。
【図６】光学式プローブのＺ軸周りの傾きを算出する処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上、誇張されて実際の比率とは異なる場合がある。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置１の概略斜視図であり、図２は、形状測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
【００２４】
図１および図２に示されるとおり、本実施形態の形状測定装置１は、載置ステージ１０、光学式プローブ２０、ＸＹ駆動ステージ３０、Ｚ駆動ステージ４０、基準ブロック５０、反射部材６０、及び算出部７０を有する。
【００２５】
載置ステージ１０は、ワークＷを載置するものである。載置ステージ１０は、ワークＷが載置される載置面１１を有する。載置面１１は、後述するレーザー測長器５２〜５４からの光を反射する反射面を有する。載置ステージ１０の第１の側面１２には、レーザー測長器１３が設けられており、第１の側面１２と直交する第２の側面１４には、２つのレーザー測長器１５，１６が、Ｙ軸方向に沿って相互に離隔されて設けられている。レーザー測長器１３，１５，１６は、アッベ誤差を低減するために、光学式プローブ２０の光軸Ｌを中心に略均等に配置されている。
【００２６】
光学式プローブ２０は、載置ステージ１０に載置されるワークＷの形状を測定するものである。光学式プローブ２０は、光干渉型プローブであり、ワークＷの微小領域（たとえば、１ｍｍ×１ｍｍ角）の形状を１回の測定動作により測定する。光学式プローブ２０には、光軸Ｌに直交する直交面２１を有する直交部材２２が設けられている。直交面２１は、後述するレーザー測長器５５〜５７からの光を反射する反射面を有する。直交部材２２の第１の側面２３及び第１の側面２３に直交する第２の側面２４には、レーザー測長器２５，２６がそれぞれ設けられている。レーザー測長器２５，２６も、レーザー測長器１３，１５，１６と同様、アッベ誤差を低減するために、光学式プローブ２０の光軸Ｌを中心に略均等に配置されている。
【００２７】
ＸＹ駆動ステージ３０は、水平方向に載置ステージ１０を駆動するものである。ＸＹ駆動ステージ３０は、Ｘ軸方向に載置ステージ１０を移動させる第１の駆動ステージと、Ｙ軸方向に載置ステージ１０を移動させる第２の駆動ステージとから構成され、Ｘ軸及びＹ軸方向に載置ステージ１０を移動させる。
【００２８】
Ｚ駆動ステージ４０は、鉛直方向に光学式プローブ２０を駆動するものである。Ｚ駆動ステージ４０は、Ｚ軸方向に光学式プローブ２０を移動させる。
【００２９】
基準ブロック５０は、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の位置及び姿勢を検出するための基準部材である。基準ブロック５０は、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の上方に配置され、載置面１１及び直交面２１に対向する基準面５１を有する。基準ブロック５０には、基準面５１から載置ステージ１０の載置面１１までの距離を測定するための３つのレーザー測長器５２，５３，５４と、基準面５１から光学式プローブ２０の直交面２１までの距離を測定するための３つのレーザー測長器５５，５６，５７とが設けられている。図３に示されるとおり、３つのレーザー測長器５２，５３，５４は、光学式プローブ２０の光軸Ｌを重心位置とするように基準面５１に配置されている。同様に、３つのレーザー測長器５５，５６，５７も、光学式プローブ２０の光軸Ｌを重心位置とするように基準面５１に配置されている。このような構成によれば、ステージ１０及び光学式プローブ２０の傾きを算出する際に、各測長点での影響を均一化することができる。
【００３０】
反射部材６０は、載置ステージ１０のＸＹ方向の位置及びＺ軸周りの傾きと、光学式プローブ２０のＸＹ方向の位置及びＺ軸周りの傾きを検出するためのものである。反射部材６０は、載置ステージ１０の第１及び第２の側面１２，１４にそれぞれ対向する反射部材６１，６２と、光学式プローブ２０の直交部材２２の第１及び第２の側面２３，２４に対向する反射部材６３，６４を有する。反射部材６１，６２は、載置ステージ１０の第１及び第２の側面１２，１４に対向する反射面６１Ｒ，６２Ｒを有し、載置ステージ１０に設けられたレーザー測長器１３，１５，１６からの光を反射する。反射部材６３，６４は、直交部材２２の第１及び第２の側面２３，２４に対向する反射面６３Ｒ，６４Ｒを有し、光学プローブ２０に設けられたレーザー測長器２５，２６からの光を反射する。なお、反射部材６０及び基準ブロック５０は、フレーム（不図示）により固定されている。
【００３１】
算出部７０は、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の相対位置及び姿勢誤差を算出するものである。算出部７０は、たとえば、一般的なＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であり、各種の演算処理を行う。算出部７０は、レーザー測長器５２〜５４によって得られた測定結果から基準面５１に対する載置面１１の傾きを算出し、レーザー測長器５５〜５７によって得られた測定結果から基準面５１に対する直交面２１の傾きを算出する。また、算出部７０は、レーザー測長器１５，１６によって得られた測定結果から、Ｚ軸周りの載置ステージ１０の傾きを算出し、レーザー測長器２５，２６によって得られた測定結果及びＺ駆動ステージ４０のＸＹ平面上の中心位置から、Ｚ軸周りの光学式プローブ２０の傾きを算出する。また、算出部７０は、載置面１１及び直交面２１の基準面５１に対する傾き及び距離から、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差を算出する。また、算出部７０は、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差に基づいて、光学式プローブ２０によってワークＷの表面を微小領域単位で測定して得られた複数の形状データを補正してつなぎ合わせるステッチング処理を行う。
【００３２】
以上のとおり構成される本実施形態の形状測定装置１では、ワークＷと光学式プローブ２０との相対位置を断続的に変更しつつ、ワークＷの形状が微小領域単位で連続的に測定され、ワークＷ全体の形状データが取得される。このとき、ＸＹ駆動ステージ３０及びＺ駆動ステージ４０のピッチング、ヨーイング、ローリングの影響により、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との位置ずれや姿勢ずれが生じる。
【００３３】
本実施形態の形状測定装置１では、複数のレーザー測長器によって、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の位置及び姿勢がそれぞれ検出される。そして、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の位置及び姿勢の情報に基づいて、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差が算出される。算出された相対位置及び姿勢誤差の情報に基づいて、光学式プローブ２０によりワークＷの微小領域の形状を測定して得られた形状データの座標が補正される。以下、図４〜図６を参照して、形状測定装置１により載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差を算出する処理について説明する。
【００３４】
図４は、形状測定装置１の算出部７０により実行される位置姿勢算出処理の手順を示すフローチャートである。なお、図４のフローチャートにより示されるアルゴリズムは、算出部７０の記憶部にプログラムとして記憶されており、ＣＰＵによって実行される。位置姿勢算出処理の実行に先立って、複数のレーザー測長器によって、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０と基準ブロック５０及び反射部材６１，６２，６３，６４との間の距離がそれぞれ測定されている。
【００３５】
ステップＳ０１では、レーザー測長器５２〜５４によって測定された、基準ブロック５０の基準面５１から載置ステージ１０の載置面１１までの距離データが取得される。
【００３６】
ステップＳ０２では、ステップＳ０１に示す処理において取得された距離データに基づいて、基準面５１に対する載置面１１の傾き及び光軸Ｌ上の距離が算出される。
【００３７】
具体的には、基準面５１上のレーザー測長器５２〜５４のＸＹ座標をそれぞれ（ｘ１、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）、（ｘ３、ｙ３）とすると、レーザー測長器５２〜５４によるＺ軸方向の測長結果に基づいて、レーザー測長器５２〜５４からの光が照射された載置面１１上の３点の座標が、それぞれＺＳ１（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、ＺＳ２（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、ＺＳ３（ｘ３、ｙ３、ｚ３）と算出される。
【００３８】
したがって、これらの３点を含む載置面１１を、下記（１）式のように表現すれば、載置面１１の法線ベクトルの各成分ａ、ｂ及びｃは、それぞれ下記（２）式によって算出される。
【００３９】
【数１】
2013051382.tif 000003
【００４０】
【数２】
2013051382.tif 000004
【００４１】
したがって、載置面１１の基準面５１に対する傾きは、載置面１１の法線ベクトル（ａ、ｂ、ｃ）のＺ軸に対するＸ軸方向への倒れ角（＝π／２−法線とＸ軸とのなす角）θｘ（ヨーイング）、Ｙ軸方向への倒れ角（＝π／２−法線とＹ軸とのなす角）θｙ（ピッチング）として、下記（３）式によって算出される。
【００４２】
【数３】
2013051382.tif 000005
【００４３】
また、これらの３点ＺＳ１，ＺＳ２，ＺＳ３の重心位置は載置面１１上にあり、光軸Ｌ方向（ｘ＝０、ｙ＝０）の変位をｚ０とすると、ｚ０は下記（４）式によって算出される。
【００４４】
【数４】
2013051382.tif 000006
【００４５】
ステップＳ０３では、レーザー測長器５５〜５７によって測定された、基準ブロック５０の基準面５１から光学式プローブ２０の直交面２１までの距離データが取得される。
【００４６】
ステップＳ０４では、ステップＳ０３に示す処理において取得された距離データに基づいて、基準面５１に対する直交面２１の傾き及び光軸Ｌ上の距離が算出される。なお、基準面５１に対する直交面２１の傾きを算出する処理は、ステップＳ０２における基準面５１に対する載置面１１の傾きを算出する処理と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
ステップＳ０５では、レーザー測長器１５，１６によって測定された、載置ステージ１０の第２の側面１４から反射部材６２の反射面６２Ｒまでの距離データが取得される。
【００４８】
ステップＳ０６では、ステップＳ０５に示す処理において取得された距離データに基づいて、載置ステージ１０のＺ軸周りの傾き及び光軸位置での載置ステージ１０までの距離が算出される。
【００４９】
具体的には、図５に示されるとおり、レーザー測長器１５，１６によって測定された第２の側面１４から反射面６２Ｒまでの距離をそれぞれＸＳ１，ＸＳ２とし、また、レーザー測長器１５，１６間の距離をｄとすると、載置ステージ１０のＺ軸周りの傾きθｚ（ローリング）は、下記（５）式によって算出される。
【００５０】
【数５】
2013051382.tif 000007
【００５１】
ステップＳ０７では、レーザー測長器２５によって測定された、光学式プローブ２０の第１の側面２３から反射部材６３の反射面６３Ｒまでの距離データが取得される。
【００５２】
ステップＳ０８では、レーザー測長器２６によって測定された、光学式プローブ２０の第２の側面２４から反射部材６４の反射面６４Ｒまでの距離データが取得される。
【００５３】
ステップＳ０９では、ステップＳ０７またはステップＳ０８に示す処理において取得された距離データと、Ｚ駆動ステージ４０のＸＹ平面の中心位置に基づいて、光学式プローブ２０のＺ軸周りの傾き及び光学式プローブ２０のＸＹずれ量が算出される。
【００５４】
図６に示されるとおり、光学式プローブ２０のＺ軸周りの回転中心は、Ｚ軸から一定距離ＳだけシフトしたＺ駆動ステージ４０の中心Ｔにある。したがって、光学式プローブ２０のＺ軸周りの傾きφ（ローリング）は、レーザー測長器２５，２６の測長結果から得られるＸｐ，Ｙｐのいずれか一方と、基準位置Ｘ０，Ｙ０とから幾何学的に算出される。
【００５５】
ステップＳ１０では、レーザー測長器１３によって測定された、載置ステージ１０の第１の側面１２から反射部材６１の反射面６１Ｒまでの距離データが取得される。
【００５６】
ステップＳ１１では、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差が算出される。具体的には、ステップＳ０１，Ｓ０３，Ｓ０５，Ｓ０７，Ｓ０８，Ｓ１０に示す処理においてそれぞれ取得された距離データから、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置が算出される。そして、Ｓ０２，Ｓ０４，Ｓ０６，Ｓ０９に示す処理においてそれぞれ算出された載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の傾き（ピッチング、ヨーイング、ローリング）並びに光軸Ｌ上の距離、光軸位置での載置ステージ１０までの距離及び光学式プローブ２０のＸＹずれ量から、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差が算出される。
【００５７】
以上のとおり、図４に示されるフローチャートの処理によれば、レーザー測長器による測長結果に基づいて、載置ステージ１０と光学式プローブ２との相対位置及び姿勢誤差が算出される。
【００５８】
そして、算出された相対位置及び姿勢誤差の情報に基づいて、光学式プローブ２０によってワークＷの微小領域の形状を測定して得られた形状データの座標が補正される。測定領域のすべての形状データの座標（位置及び姿勢）が補正された後、これらの形状データをつなぎ合わせるステッチング処理が行われ、ワーク全体の形状データが取得される。
【００５９】
以上のとおり、本実施形態によれば、複数のレーザー測長器によって、載置ステージ１０及び光学式プローブ２０の位置及び姿勢がそれぞれ検出される。とりわけ、載置面１１及び直交面２１のＸ軸及びＹ軸周りの傾き及びＺ軸方向の位置が、共通の基準面５１を基準としてそれぞれ検出されるため、載置ステージ１０と光学式プローブ２０との相対位置及び姿勢誤差が高精度に検出される。その結果、ワークの形状を高精度に測定することができる。
【００６０】
なお、レーザー測長器は、気流や環境変動（温度、気圧及び湿度）の影響を受けやすいことから、形状測定装置１には、気流を安定化させるための遮蔽構造が設けられてもよい。さらに、環境要因を同時に測定し、相対位置及び姿勢誤差へフィードバックする制御が行われてもよい。
【００６１】
また、上記（４）式において、下記（６）式のように、ｓ１、ｓ２、及びｓ３を定義すると、光軸Ｌ方向の変位ｚ０は、下記（７）式によって算出される。
【００６２】
【数６】
2013051382.tif 000008
【００６３】
【数７】
2013051382.tif 000009
【００６４】
光軸Ｌ方向の変位ｚ０は、上記（７）式のように表されることからも、ＺＰ１〜３までの測長器のバラツキによるｚ０のばらつきが最小となる測定最良条件は、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３のときに与えられる。上記（６）式のｓ１は、光軸位置とＺＰ２とＺＰ３の３点よりなる小三角形の面積の２倍に等しい。同様に、ｓ２とｓ３もそれぞれ対応する小三角形の面積の２倍に等しい。したがって、測定最良条件は上記３つの各小三角形領域の面積が等しいという条件に換言され、これによって光軸位置が重心配置になることが望ましいことが分かる。よって、レーザー測長器５２〜５４からの光が照射された載置面１１上の３点の座標ＺＳ１，ＺＳ２，ＺＳ３、及びレーザー測長器５５〜５７からの光が照射された直交面２１上の３点の座標ＺＰ１，ＺＰ２，ＺＰ３は、光軸Ｌを中心とした重心配置となっている（図３参照）。なお、図３は正三角形として表現されているが、光軸位置が重心であれば良く、正三角形である必要はない。
【００６５】
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。
【００６６】
たとえば、上述した実施形態では、３つのレーザー測長器によって、基準面５１に対する載置面１１および直交面２１の傾きがそれぞれ検出された。しかしながら、レーザー干渉計により載置面１１および直交面２１の傾きがそれぞれ検出されてもよい。この場合、Ｚ軸方向における載置面１１および直交面２１の位置を測定するために、レーザー干渉計とは別に１つのレーザー測長器が用いられる。
【００６７】
また、上述した実施形態では、光学式プローブ２０のＺ軸周りの傾きは、２つの側面２３，２４に設けられたレーザー測長器２５，２６の測定結果とＺ駆動ステージのＸＹ平面上の中心位置に基づいて算出された。しかしながら、載置ステージ１０のＺ軸周りの傾きを算出する方法と同様に、１つの側面に相互に離隔されて設けられた２つのレーザー測長器によって算出されてもよい。
【００６８】
また、上述した実施形態では、各物体間の距離を測定するために、レーザー測長器が用いられた。しかしながら、距離を測定するための手段はレーザー測長器に限定されるものではなく、たとえば、超音波測長器が用いられてもよい。
【００６９】
また、上述した実施形態では、基準面５１から載置面１１または直交面２１までの距離を測長するために、それぞれ３つのレーザー測長器５２〜５４，５５〜５７が用いられた。しかしながら、３つのレーザー測長器に限られず、４つ以上のレーザー測長器が用いられてもよい。
【００７０】
本実施形態にかかる形状測定装置における各種処理を行う手段および方法は、専用のハードウエア回路、またはプログラムされたコンピューターのいずれによっても実現することが可能である。上記プログラムは、たとえば、フレキシブルディスクおよびＣＤ−ＲＯＭ等のコンピューター読み取り可能な記録媒体によって提供されてもよいし、インターネット等のネットワークを介してオンラインで提供されてもよい。この場合、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムは、通常、ハードディスク等の記憶部に転送され記憶される。また、上記プログラムは、単独のアプリケーションソフトとして提供されてもよいし、形状測定装置の一機能としてソフトウエアに組み込まれてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１  形状測定装置、
１０  載置ステージ、
１１  載置面、
１３，１５，１６，２５，２６，５２，５３，５４，５５，５６，５７  レーザー測長器、
２０  光学式プローブ、
２１  直交面、
３０  ＸＹ駆動ステージ、
４０  Ｚ駆動ステージ、
５０  基準ブロック、
５１  基準面、
６０，６１，６２，６３，６４  反射部材、
７０  算出部。
【図１】
2013051382.tif 000010
【図２】
2013051382.tif 000011
【図３】
2013051382.tif 000012
【図４】
2013051382.tif 000013
【図５】
2013051382.tif 000014
【図６】
2013051382.tif 000015
【国際調査報告】
2013051382.tif 000016
2013051382.tif 000017
2013051382.tif 000018
2013051382.tif 000019