專利名稱：形狀測(cè)量設(shè)備和形狀測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有觸針式探頭的形狀測(cè)量設(shè)備及其形狀測(cè)量方法，所述探頭能夠以納米級(jí)高精度測(cè)量例如透鏡和反射鏡之類的光學(xué)元件、以及用于制造光學(xué)裝置的模具的表面形狀。更特別地，本發(fā)明涉及能夠測(cè)量具有大傾斜角的形狀，例如從水平面豎直立起的剪力墻表面的形狀測(cè)量設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常，作為測(cè)量具有三維形狀的被測(cè)對(duì)象的表面的特定部分的坐標(biāo)或形狀的形狀測(cè)量方法，使用稱作探頭的觸針的測(cè)量方法為人們所知。根據(jù)這種測(cè)量方法，允許探頭以預(yù)定接觸力按壓被測(cè)對(duì)象的表面的同時(shí)追蹤被測(cè)對(duì)象的表面，從而通過(guò)測(cè)量探頭相對(duì)于預(yù)定原點(diǎn)的位置和探頭定方來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀。通常，以日本專利申請(qǐng)?jiān)缙诠_(kāi)No. 2005-37197所述形狀測(cè)量方法為基礎(chǔ)的接觸型探頭已經(jīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。根據(jù)這種方法，使用觸針式探頭測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀，探頭由從外殼懸掛下來(lái)的板簧支撐。探頭設(shè)置有位移傳感器，其能夠測(cè)量探頭相對(duì)于外殼的相對(duì)位置。根據(jù)這些傳感器和懸掛的板簧沿各個(gè)方向的預(yù)先測(cè)得的硬度(彈簧常數(shù))，可以根據(jù)探頭接觸被測(cè)對(duì)象時(shí)產(chǎn)生的位移測(cè)量接觸力。通過(guò)合成所獲得的沿各個(gè)方向的接觸力Fx、Fy、Fz，可以估算被測(cè)對(duì)象作用于探頭的法向力。允許探頭以保持恒定的探頭接觸力F(法向力)追蹤被測(cè)對(duì)象的輪廓以測(cè)量形狀。因此，根據(jù)日本專利申請(qǐng)?jiān)缙诠_(kāi)No. 2005-37197中討論的形狀測(cè)量方法，即使被測(cè)對(duì)象具有大傾斜表面，也可以通過(guò)將探頭施加給被測(cè)對(duì)象的接觸力保持恒定來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀。因此，形狀得以測(cè)量，同時(shí)減小了測(cè)量期間取決于被測(cè)對(duì)象的表面傾斜度的接觸力增大或減小所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。然而，根據(jù)日本專利申請(qǐng)?jiān)缙诠_(kāi)No. 2005-37197中討論的方法，外殼沿著固定掃描軌跡沿水平方向移動(dòng)以掃描探頭，并且由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的外殼沿豎直方向位移。因此，可以控制施加給探頭的接觸力F(法向力)。因此，當(dāng)被測(cè)對(duì)象表面具有陡坡，例如豎直表面時(shí)，即當(dāng)用于控制所述作用力的外殼的位移方向與被測(cè)對(duì)象的斜坡的切線大體上平行時(shí)，即使外殼沿豎直方向位移，施加給被測(cè)對(duì)象的接觸力也沒(méi)什么改變，從而難以控制所述接觸力。當(dāng)探頭沿著掃描軌跡沿水平方向移動(dòng)并且探頭接觸被測(cè)對(duì)象的豎直表面時(shí)，通過(guò)外殼移動(dòng)施加給探頭的作用力S中的沿被測(cè)對(duì)象的切線方向的分力St非常小，使得探頭不能移動(dòng)，從而難以沿著被測(cè)對(duì)象的輪廓掃描探頭。因此，當(dāng)探頭與大傾斜表面，例如豎直表面保持接觸，同時(shí)通過(guò)使外殼沿豎直方向位移來(lái)控制施加給探頭的接觸力F時(shí)，難以允許探頭追蹤被測(cè)對(duì)象的輪廓，從而難以測(cè)量形狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及能夠測(cè)量具有大傾斜表面，如豎直面的被測(cè)對(duì)象的形狀，同時(shí)通過(guò)使構(gòu)造為支撐所述探頭的探頭支撐單元沿豎直方向移動(dòng)而控制施加給探頭的接觸力F的形狀測(cè)量設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種形狀測(cè)量設(shè)備，該形狀測(cè)量設(shè)備通過(guò)沿著被測(cè)對(duì)象的表面掃描接觸型探頭，同時(shí)使該接觸型探頭與被測(cè)對(duì)象保持接觸并測(cè)量接觸型探頭的位置來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀，所述形狀測(cè)量設(shè)備包括探頭支撐單元，其可沿三維方向移動(dòng)；接觸型探頭，其相對(duì)于所述探頭支撐單元被彈性支撐；測(cè)量單元，其構(gòu)造為測(cè)量所述接觸型探頭的位置和定向；和計(jì)算單元，其構(gòu)造為根據(jù)接觸型探頭的測(cè)量到的位置和定向計(jì)算被測(cè)對(duì)象施加給接觸型探頭的接觸力，其中，所述探頭支撐單元如此構(gòu)造，當(dāng)接觸力的包含沿探頭支撐單元的移動(dòng)方向的分量的分力超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，所述探頭支撐單元沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向被驅(qū)動(dòng)以使接觸型探頭移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種形狀測(cè)量方法，該形狀測(cè)量方法通過(guò)沿著被測(cè)對(duì)象的表面掃描由可沿三維方向移動(dòng)的探頭支撐單元彈性支撐的接觸型探頭，同時(shí)使該接觸型探頭與被測(cè)對(duì)象保持接觸并測(cè)量接觸型探頭的位置來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀，所述形狀測(cè)量方法包括測(cè)量接觸型探頭的位置和定向并且根據(jù)接觸型探頭的測(cè)得的位置和定向計(jì)算接 觸力；通過(guò)使探頭支撐單元移動(dòng)，同時(shí)利用作用力控制單元控制接觸力使之接近目標(biāo)值來(lái)利用接觸型探頭掃描被測(cè)對(duì)象的表面；和當(dāng)接觸力的包含沿探頭支撐單元的移動(dòng)方向的所述分量的分力超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向驅(qū)動(dòng)探頭支撐單元以使接觸型探頭移動(dòng)。根據(jù)本申請(qǐng)的發(fā)明，根據(jù)施加給探頭的接觸力和沿探頭支撐單元移動(dòng)方向的分量大小沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向驅(qū)動(dòng)探頭支撐單元。因此，即使被測(cè)對(duì)象具有大傾斜表面，也能夠允許探頭追蹤被測(cè)對(duì)象的表面。因此，能夠測(cè)量即使具有豎直面的被測(cè)對(duì)象的形狀。通過(guò)參考附圖閱讀示例性實(shí)施例的下列詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征和方面將變得顯而易見(jiàn)。


包含在說(shuō)明書中并構(gòu)成其一部分的附圖顯示了本發(fā)明示例性實(shí)施例、特征和方面，并且連同具體說(shuō)明一起解釋本發(fā)明的原理。圖I是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的探頭的構(gòu)造圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的探頭的構(gòu)造圖。圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的探頭的構(gòu)造圖。圖4是顯示了取決于被測(cè)對(duì)象和頂珠的位置的接觸力、其分力以及探頭的軌跡方向之間關(guān)系的不意圖。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例、特征和方面。下面將描述第一示例性實(shí)施例。圖I顯示了第一示例性實(shí)施例，詳細(xì)示出了本發(fā)明的特征。參考圖1，形狀測(cè)量設(shè)備安裝在地面上。振動(dòng)控制基座2a、2b放置在地面I上，并且測(cè)量基座3置于振動(dòng)控制基座上。振動(dòng)控制基座可以削弱從地面I傳遞給測(cè)量基座的振動(dòng)。該測(cè)量基座用于固定被測(cè)對(duì)象4和三個(gè)基準(zhǔn)反射鏡，隨后，該形狀測(cè)量設(shè)備測(cè)量被測(cè)對(duì)象的表面上的點(diǎn)相對(duì)于這些基準(zhǔn)反射鏡的位置。測(cè)量基座3是箱形結(jié)構(gòu)，其中固定有被測(cè)對(duì)象4。另外，測(cè)量基座3具有作為沿水平方向的位置基準(zhǔn)的X-基準(zhǔn)反射鏡5、Y-基準(zhǔn)反射鏡(未顯示)和作為沿豎直方向的位置基準(zhǔn)的Z-基準(zhǔn)反射鏡7。測(cè)量基座和基準(zhǔn)反射鏡起到測(cè)量基準(zhǔn)的作用并且利用具有低線性熱膨脹系數(shù)的材料，例如低熱膨脹陶瓷、低熱膨脹鑄鐵、低熱膨脹玻璃制成。這些基準(zhǔn)反射鏡在利用激光測(cè)量機(jī)測(cè)量距離時(shí)起到位置基準(zhǔn)的作用。下面將描述構(gòu)造成使探頭移動(dòng)的滑動(dòng)件。振動(dòng)控制基座8a、8b安裝在地面I上，掃描軸基座9置于振動(dòng)控制基座8a、8b上。以掃描軸基座9作為固定單兀,可相對(duì)于X方向在同一圖中相對(duì)移動(dòng)的X軸滑動(dòng)件10和X軸馬達(dá)11設(shè)置在掃描軸基座9上?？上鄬?duì)于X軸滑動(dòng)件10沿Y方向相對(duì)移動(dòng)的Y軸滑動(dòng)件和Y軸馬達(dá)13設(shè)置在X軸滑動(dòng)件10上。同樣地，可相對(duì)于Y軸馬達(dá)12沿Z方向相對(duì)移動(dòng)的Z軸滑動(dòng)件14和Z軸馬達(dá)15設(shè)置在Y軸滑動(dòng)件12上。利用這種結(jié)構(gòu)，Z軸滑動(dòng)件14可沿X、Y和Z方向三維移動(dòng)。探頭支撐單元17固定在Z軸滑動(dòng)件14上，探頭軸19由從探頭支撐單元17懸掛的板簧18支撐。板簧18由一或更多個(gè)薄金屬板構(gòu)造而成，雖然圖2所示板簧18為懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是它可以形成為雙端梁。為了保證熱穩(wěn)定性，探頭軸19由具有低線性熱膨脹系數(shù)的材料，例如低熱膨脹陶瓷、低熱膨脹鑄鐵、低熱膨脹玻璃制成。探頭軸19具有位于其頂端的三面反射鏡20和位于其底端的頂珠21，所述三面反射鏡具有分別沿Z方向、X方向和Y方向的鏡面，所述頂珠與被測(cè)對(duì)象4接觸。如上所述，探頭支撐單元17固定在X軸滑動(dòng)件、Y軸滑動(dòng)件和Z軸滑動(dòng)件上，使得探頭支撐單元17被構(gòu)造成可三維移動(dòng)。由探頭軸19和頂珠21組成的接觸型探頭相對(duì)于該探頭支撐單元被彈性支撐。探頭小反射鏡22被構(gòu)造成測(cè)量沿X方向和Y方向的位移，并且設(shè)置在探頭軸19上以使它與三面反射鏡20隔開(kāi)。另一方面，探頭支撐單元17設(shè)置有干涉計(jì)，其被構(gòu)造成測(cè)量三面反射鏡20的位移以測(cè)量探頭的位置和定向。這些干涉計(jì)包括被構(gòu)造成測(cè)量沿X方向的位移的干涉計(jì)XpI，并類似地包括被構(gòu)造成測(cè)量沿Y方向的位移的干涉計(jì)YpI和被構(gòu)造成測(cè)量沿Z方向的位移的干涉計(jì)Zp(未顯示)。為了測(cè)量離探頭小反射鏡22的距離，探頭支撐單元17上設(shè)置有被構(gòu)造成測(cè)量沿X方向的位移的干涉計(jì)Xp2和被構(gòu)造成測(cè)量沿Y方向的位移的干涉計(jì)Yp2(未顯示)。Z方向距離測(cè)量小反射鏡23設(shè)置在探頭支撐單元17上，Z軸干涉計(jì)Zl用于測(cè)量離Z-基準(zhǔn)反射鏡7的距離。Z軸干涉計(jì)Zl和干涉計(jì)Zp布置成使其測(cè)量軸線穿過(guò)探頭的軸線和頂珠21的中心。為了測(cè)量位于兩個(gè)位置處的X-基準(zhǔn)反射鏡5和探頭支撐單元17之間的距離，X方向距離測(cè)量小反射鏡24a、24b設(shè)置在探頭支撐單元17上。構(gòu)造成測(cè)量這些距離的X軸干涉計(jì)XI、X2設(shè)置在Z軸滑動(dòng)件14上。對(duì)Y方向而言，盡管沒(méi)有顯示，Y軸干涉計(jì)Yl、Y2設(shè)置在Z軸滑動(dòng)件14上。對(duì)于這些干涉計(jì)而言，激光測(cè)量機(jī)測(cè)得的距離表示為與干涉計(jì)相同的符號(hào)。例如，干涉計(jì)Xl測(cè)得的距離表示為XI。在Z方向上用于安裝各X方向和Y方向的干涉計(jì)的間隔表示為下列符號(hào)。LI :干涉計(jì)Xl和X2之間的間隔(與干涉計(jì)Yl和Y2 (未顯示)之間的間隔相同)、
L2 :干涉計(jì)X2和Xpl之間的間隔(與干涉計(jì)Y2和Ypl (未顯不)之間的間隔相同)L3 干涉計(jì)Xp I和Xp2之間的間隔(與Yp I和Yp2 (未顯示)之間的間隔相同)。

L4 :干涉計(jì)Χρ2和探頭頂珠21的中心位置之間的間隔(與干涉計(jì)Υρ2 (未顯示)和頂珠21之間的間隔相同)使用測(cè)量得到的探頭支撐單元17和設(shè)置在探頭上的各反射鏡之間的五個(gè)距離Xpl、Xp2、Ypl、Yp2、Zp,由探頭位置和方向計(jì)算單元28根據(jù)下列公式計(jì)算頂珠21的中心位置Xs、Ys、Zs和探頭軸相對(duì)于豎直方向的旋轉(zhuǎn)角Xm、Ym。在下列公式中，假定Xpl、Xp2、Ypl、Yp2、Zp表示由每個(gè)干涉計(jì)測(cè)得并且用圖I中的箭頭表示的距離。Xs = Xpl+ (Xp2-Xpl) X (L3+L4) /L3 (公式 I)Ys = Ypl+ (Yp2-Ypl) X (L3+L4) /L3 (公式 2)Zs = -Zp(公式 3)Xm= (Xp2_Xpl)/L3(公式 4)Ym= (Yp2-Ypl)/L3(公式 5)根據(jù)干涉計(jì)的安裝方向和如何建立坐標(biāo)確定這些符號(hào)。用于測(cè)量上述接觸型探頭的位置和定向的測(cè)量單元由各反射鏡和各干涉計(jì)組成。Xm表示指示干涉計(jì)Xp2的位置相對(duì)于干涉計(jì)Xpl的位置(Xp2_Xpl)與長(zhǎng)度L3之t匕，并且表示探頭軸相對(duì)于豎直方向的傾斜角Xm的正切tan(Xm)。在這種情況下，Xm是非常小的值，從而允許tan(Xm) Xm。因此，假定由探頭支撐單元支撐的探頭軸從其旋轉(zhuǎn)中心到頂珠21的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則頂珠21在外力施加給頂珠21時(shí)產(chǎn)生的沿X方向的位移δ X為L(zhǎng)XXm0在接觸型探頭被彈性支撐在探頭支撐單元上并隨后給探頭軸和頂珠21施加外力的情況下，通過(guò)預(yù)先測(cè)量探頭軸的哪個(gè)位置相對(duì)于外力保持不動(dòng)可以獲得探頭的旋轉(zhuǎn)中心。因此,利用δ X、δ y、δ ζ和預(yù)先獲得的探頭剛度Kx、Ky、Kz,接觸力矢量計(jì)算單元27計(jì)算探頭接觸力F如下F= ((KxX δ χ)2+ (Ky X δ y)2+ (Kz X δ ζ)2)1/2 (公式 6)X軸馬達(dá)11的操作受到接觸力控制單元26的控制以使接觸力F接近預(yù)定目標(biāo)值Ft從而使F盡可能保持恒定地驅(qū)動(dòng)X軸滑動(dòng)件10。以同樣的方式控制Y軸和Z軸。這稱作接觸力控制。通過(guò)在進(jìn)行接觸力控制的同時(shí)掃描探頭，可以獲得追蹤被測(cè)對(duì)象4的表面的探頭的頂珠21的位置。如果假定探頭的旋轉(zhuǎn)中心在接觸期間從不改變，則可以省略探頭小反射鏡22并使Χρ2和Υρ2為零。假定L3和L4是從探頭旋轉(zhuǎn)中心到Xpl和探頭小反射鏡22的距離。因此，只通過(guò)測(cè)量三面反射鏡20的位移就可以容易地獲得探頭接觸力F和頂珠21的位置。當(dāng)掃描探頭時(shí)，主控制器29給X-Y平面提供類似例如光柵軌跡的掃描軌跡以使X軸滑動(dòng)件10和Y軸滑動(dòng)件12移動(dòng)。在這種情況下，通過(guò)利用由位置控制單元25驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)使這些滑動(dòng)件移動(dòng)到希望位置來(lái)控制X軸和Y軸。只通過(guò)用于控制F恒定的接觸力控制的作用使Z軸滑動(dòng)件14移動(dòng)。因此，為了在控制F恒定的同時(shí)掃描探頭，分別通過(guò)X軸方向移動(dòng)量計(jì)算單元30和Y軸方向移動(dòng)量計(jì)算單元31給X軸和Y軸增加位置控制指令和接觸力控制指令。隨后，X軸和Y軸同時(shí)接受接觸力控制和位置控制以進(jìn)行掃描操作。
圖4是顯示了取決于具有大傾斜面的被測(cè)對(duì)象4以及探頭頂珠21的位置的接觸力F、其分力Fx和探頭軌跡方向之間的關(guān)系的示意圖。下面將參考圖4對(duì)該關(guān)系進(jìn)行描述。為便于理解，圖中省略探頭軸。當(dāng)被測(cè)對(duì)象4具有相對(duì)于X-Y平面呈大傾斜角(例如豎直)的表面時(shí)，例如頂珠21位于圖4所示位置Pl并且用于測(cè)量?jī)A斜面的情況，當(dāng)掃描探頭時(shí)，被測(cè)對(duì)象4的表面法向和探頭掃描軌跡變得平行，同時(shí)其方向彼此相反。在這種情況下，當(dāng)進(jìn)行位置控制和接觸力控制時(shí)，接觸力F和沿掃描軌跡方向的用于位置控制所產(chǎn)生的作用力S在它們添加時(shí)互相抵消，從而不能在位置Pl處沿Z軸正方向(以頂珠21應(yīng)當(dāng)移動(dòng)的虛線表示)在被測(cè)對(duì)象上進(jìn)行探頭掃描。即使被測(cè)對(duì)象4的表面法向與掃描軌跡不完全平行，如果它們處在彼此平行的附近區(qū)域，如圖4中位置P2所示，當(dāng)加入位置控制和接觸力控制時(shí)，沿被測(cè)對(duì)象4的切線方向施加的作用力St(作用力S沿被測(cè)對(duì)象4的切線方向的分力)產(chǎn)生的操作量(探頭應(yīng)當(dāng)移動(dòng))非常小，從而有可能使得不能進(jìn)行探頭掃描。另一方面，當(dāng)探頭在大傾斜表面上沿著探頭的掃描軌跡(如圖4中的位置P4處所示)向下移動(dòng)時(shí)，難以掃描探頭。當(dāng)探頭沿著大傾斜表面向下移動(dòng)時(shí)，頂珠21沿被測(cè)對(duì)象4的切線方向施加的作用力St相對(duì)于作用力S而言變得非常小。在這種情況下，存在探頭相對(duì)于被測(cè)對(duì)象飄浮的可能性，從而可能無(wú)法在接觸力F保持在特定值的情況下繼續(xù)測(cè)量被測(cè)對(duì)象4的形狀。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)本示例性實(shí)施例，計(jì)算接觸力F的X-Y平面上的分力Fx、Fy或其合力Fxy以監(jiān)視接觸力控制的狀態(tài)。在這種情況下，由接觸力矢量計(jì)算單元根據(jù)下述公式計(jì)算Fxy Fxy = ((KxX δ χ)2+ (KyXSy)2)1/2 (公式 7)Fx和Fy中的任何一個(gè)目標(biāo)值為O的情況相當(dāng)于利用Fxy中Fx和Fy中的任意一個(gè)進(jìn)行后續(xù)控制。因此，通過(guò)以包含這兩種情況的、控制Fxy的情形為例，描述本示例性實(shí)施例的形狀測(cè)量方法。當(dāng)Fxy (其是接觸力F的XY分量)增加并接近F的值時(shí)，通過(guò)接觸力控制擾亂并抵消位置控制。因此，對(duì)于Fxy而言，確定相對(duì)于接觸力F的閾值Thxy，并且通過(guò)使Z軸沿垂直于探頭支撐單元的方向(在本示例性實(shí)施例中，為Z軸正向)具有速度Vz (其與超過(guò)閾值的作用力成比例)，探頭向上移動(dòng)并且繼續(xù)進(jìn)行掃描。例如，閾值Thxy被確定為接觸力控制中的接觸力F的目標(biāo)值的O. 8倍。假定比例系數(shù)為a，Vz計(jì)算如下Vz = (Fxy-Thxy) Xa(公式 8)因此，當(dāng)沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向移動(dòng)探頭時(shí)，可以避免探頭有力壓靠被測(cè)對(duì)象或者反之離被測(cè)對(duì)象太遠(yuǎn)。在這種情況下，可以給Z軸提供加速度Az而不是速度Vz，并沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向驅(qū)動(dòng)探頭支撐單元以使接觸型探頭發(fā)生位移。如果接觸力F的大小已知，Thxy可以在使其與接觸力F無(wú)關(guān)的情況下確定。當(dāng)在位置控制方面發(fā)送的命令合適時(shí)，可以提供與閾值Thxy和所計(jì)算分力Fxy之差的積分值成比例的位置。因此，能夠在防止接觸力控制和位置控制相互抵消的同時(shí)進(jìn)行掃描。這樣，即使被測(cè)對(duì)象具有大致豎直的大傾斜表面，也可以適當(dāng)?shù)亟o探頭提供沿著傾斜面的驅(qū)動(dòng)力，從而能夠進(jìn)行形狀測(cè)量。
圖3A和3B是顯示了在探頭與被測(cè)對(duì)象4的表面保持接觸的情況下通過(guò)在具有與X-Y平面幾乎垂直的平面的被測(cè)對(duì)象4的表面上掃描探頭來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象4的形狀的探頭操作的流程圖。首先，描述圖3A。在圖3A的步驟SI中，使探頭的頂珠21與被測(cè)對(duì)象4接觸并且如上所述根據(jù)探頭的位置和定向獲得此時(shí)產(chǎn)生的接觸力F。在控制探頭使得接觸力F接近目標(biāo)值Ft的同時(shí)掃描探頭。該操作對(duì)應(yīng)于控制探頭壓力以接近特定值。在步驟S2中，計(jì)算接觸力F的分力，該分力具有沿探頭支撐單元的移動(dòng)方向，即探頭掃描方向的分量。該步驟對(duì)應(yīng)于計(jì)算接觸力F的沿探頭掃描方向的分量Fxy。從施加給位于圖4中位置P2和P4處的頂珠21的作用力可以明顯看出，該分力相對(duì)于掃描方向具有正分量(P4)和負(fù)分量(P2)。顯而易見(jiàn)，所計(jì)算的分力無(wú)需與探頭的掃描方向平行，并且任意分力都是允許的，只要它具有沿掃描方向的分量即可。探頭支撐單元的移動(dòng)方向根據(jù)探頭的掃描軌跡獲知，在用于光柵掃描的形狀測(cè)量開(kāi)始之前預(yù)先確定。在步驟S3中，確定所述分力是否大于預(yù)定閾值Th。分力(在上述實(shí)例中為Fxy)不大于閾值Th的情形對(duì)應(yīng)于沿與探頭掃描方向垂直的方向延伸的分力分量較大的情形。因此，在伴隨探頭掃描進(jìn)行的位置控制和接觸力控制所產(chǎn)生的作用力不相互抵消的情況下，探頭能夠沿著被測(cè)對(duì)象4的表面掃描(這種情況例如是圖4中位置P3處的狀態(tài))。在這種情況下，通過(guò)掃描探頭，計(jì)算接觸力F的具有沿探頭掃描方向(探頭支撐單元的移動(dòng)方向)的分量的分力，并將該值與閾值Th再次比較。在步驟S4中，當(dāng)分力大于閾值Fh時(shí)，在預(yù)定掃描軌跡上，探頭不能沿與當(dāng)前掃描方向垂直的方向移動(dòng)，因此，沿與掃描方向垂直的方向的觸針壓力的作用力控制無(wú)效。在本示例性實(shí)施例中，沿Z方向的觸針壓力的作用力控制無(wú)效。作用力控制的無(wú)效使作用力控制停止，更具體地，能夠通過(guò)將容納在接觸力控制單元26中的積分器的增益調(diào)至零來(lái)實(shí)現(xiàn)所述無(wú)效。當(dāng)分力Fxy超過(guò)閾值Thxy時(shí),探頭支撐單元沿與探頭掃描方向垂直的方向,例如，沿Z方向被驅(qū)動(dòng)以使探頭移動(dòng)。在這種情況下，發(fā)生沿Z方向的觸針壓力隨著探頭沿Z方向的移動(dòng)而減小的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于探頭試圖利用摩擦力停在那里。因此，為了使探頭移動(dòng)，使使得沿Z方向的觸針壓力恒定的作用力控制無(wú)效。在步驟S5中，探頭支撐單元的運(yùn)動(dòng)終止以使探頭掃描停止。在步驟S6中，探頭支撐單元沿與當(dāng)前處于不動(dòng)狀態(tài)下的探頭的掃描軌跡方向垂直的方向，換句話說(shuō)，探頭支撐單元的移動(dòng)方向被驅(qū)動(dòng)以使探頭產(chǎn)生位移。根據(jù)就被測(cè)對(duì)象4的形狀而言應(yīng)當(dāng)給被測(cè)對(duì)象4施加哪個(gè)方向的位移來(lái)確定這里描述的垂直方向。就具有半球部和柱部的構(gòu)件而言，當(dāng)頂珠21位于位置Pl時(shí)，給探頭支撐單元17提供具有沿Z軸正方向的分量的速度或加速度。相反地，如果提供沿Z軸負(fù)方向的速度或加速度，存在探頭的頂珠21會(huì)與測(cè)量基座3相撞的擔(dān)心并且不方便。因?yàn)樵诖蟛糠智闆r下已知被測(cè)對(duì)象4的大概形狀，允許預(yù)先設(shè)定探頭支撐單元應(yīng)當(dāng)沿哪個(gè)方向移動(dòng)。在步驟S7中，當(dāng)通過(guò)使沿Z方向的探頭壓力恒定的控制“生效”，分力Fxy在探頭移動(dòng)之后小于閾值Thxy時(shí)(步驟S7中為是)，探頭能夠返回到掃描緩坡時(shí)的操作。該操作能夠通過(guò)將預(yù)先設(shè)定為O的積分器增益設(shè)置到除了 O以外的其它值使作用力控制再次“生 效”而實(shí)現(xiàn)。
在步驟S8中，此后，探頭掃描重新開(kāi)始，被測(cè)對(duì)象4的形狀測(cè)量重新開(kāi)始。在步驟S9中，確定被測(cè)對(duì)象4的目標(biāo)區(qū)域的掃描是否終止并且如果已經(jīng)終止時(shí)(步驟SlO中為是)，測(cè)量終止并且否則(步驟SlO中為否)，程序返回至步驟SI。當(dāng)探頭移動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生超過(guò)閾值的分力時(shí)，如果被測(cè)對(duì)象4的表面垂直于X-Y平面并且隨后探頭支撐單元17繼續(xù)沿著掃描軌跡操作，則探頭抵靠被測(cè)對(duì)象4的表面繼續(xù)前進(jìn)，使得觸針壓力持續(xù)升高?？商鎿Q地，當(dāng)探頭沿著陡坡向下移動(dòng)時(shí)，探頭離開(kāi)被測(cè)對(duì)象4的表面，使得觸針壓力變?yōu)榱悴⑶姨筋^飄浮在空中。隨后，當(dāng)在如圖3A的流程圖所示測(cè)量形狀中分力Fxy超過(guò)閾值Thxy時(shí)，探頭支撐單元17沿掃描軌跡方向(例如，用于光柵掃描的當(dāng)前行進(jìn)方向)的驅(qū)動(dòng)終止以停止探頭的 掃描。當(dāng)探頭移動(dòng)超過(guò)豎向截面時(shí)，通過(guò)利用探頭支撐單元17使得掃描在掃描軌跡方向上重新開(kāi)始，即使被測(cè)對(duì)象具有豎直表面也能利用探頭沿著被測(cè)對(duì)象4的表面進(jìn)行掃描。當(dāng)被測(cè)對(duì)象4不具有像豎直平面一樣的大傾斜表面時(shí),如果分力Fxy超過(guò)閾值Thxy，允許省略用于使掃描操作停止和重新開(kāi)始的程序，像圖3B的流程圖所示形狀測(cè)量方法一樣。除了省略使利用探頭支撐單元17進(jìn)行的掃描停止和重新開(kāi)始的步驟(圖3A中的步驟S5和S9中所示)之外，圖3B的流程圖所示形狀測(cè)量方法與圖3A的流程圖所示方法相同。這避免了形狀測(cè)量因錯(cuò)誤判斷的緣故而中途停止，從而確保了穩(wěn)定操作。這里，允許使用在Fxy達(dá)到Thxy前后改變Thxy值的延遲觸發(fā)器。在這種情況下，可以阻止Fxy變化超過(guò)Thxy時(shí)發(fā)生的探頭振動(dòng)作用以進(jìn)行更穩(wěn)定的掃描。允許通過(guò)計(jì)算獲得與掃描軌跡平行的任何分量以代替Fxy以及利用上述公式(8)中表示的關(guān)系進(jìn)行探頭掃描。在這種情況下，探頭能夠通過(guò)受迫位移和接觸力控制傾斜退入包含Z和XY中任意一個(gè)的向上空間中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定的掃描。然而，如果掃描軌跡在X-Y平面(探頭在其上行進(jìn))上的投影與最初提供的掃描軌跡不同，并且如果希望嚴(yán)格地沿著最初提供的掃描軌跡測(cè)量形狀的話，則不能使用這種方法。另外，通過(guò)比較接觸力F的大小與分力Fxy的大小，可以估算與探頭接觸的被測(cè)對(duì)象表面的傾斜度。特別地，如果接觸力F和分力Fxy大體上彼此相等，可以估算被測(cè)對(duì)象表面是與χ-y平面垂直的平面。在這種情況下，通過(guò)使沿探頭的χ-y方向的掃描速度減速或者使探頭停止并且隨后使探頭支撐單元17沿Z軸的正方向繼續(xù)移動(dòng)，可以避免探頭抵靠豎直平面移動(dòng)的現(xiàn)象。因此，即使被測(cè)對(duì)象具有大傾斜表面，例如，與X-Y面垂直的墻壁表面，通過(guò)只提供X-Y面上的掃描軌跡而不提供沿Z軸方向的任何掃描軌跡可以穩(wěn)定地測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀。下面將參考圖2描述本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例。下面只描述在第一示例性實(shí)施例中未使用的微動(dòng)平臺(tái)16和補(bǔ)償控制單元32。微動(dòng)平臺(tái)16設(shè)置在Z軸滑動(dòng)件14上，使得它能沿X、Y、Z方向移動(dòng)。探頭支撐單元17固定在微動(dòng)平臺(tái)16上。下面將描述微動(dòng)平臺(tái)16的控制。能夠沿三維方向緩慢移動(dòng)的微動(dòng)平臺(tái)16只與接觸力控制相關(guān)，而與探頭的位置控制無(wú)關(guān)。接觸力F通過(guò)沿X、Y、Z方向控制微動(dòng)平臺(tái)16而保持恒定，并且微動(dòng)平臺(tái)16沿Z方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)控制Z軸滑動(dòng)件14進(jìn)行補(bǔ)償。具體地，微動(dòng)平臺(tái)16的輸出被輸入到補(bǔ)償控制單元32中并控制Z軸馬達(dá)15，使得沿Z方向的運(yùn)動(dòng)量在使Z軸滑動(dòng)件14移動(dòng)時(shí)變成零。因此，產(chǎn)生針對(duì)微動(dòng)平臺(tái)16的行程的補(bǔ)償效果。該微動(dòng)平臺(tái)16通過(guò)使用具有能夠快速響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置(例如，壓電致動(dòng)器)的平臺(tái)可以具有改進(jìn)包含Z軸滑動(dòng)件14在內(nèi)的Z軸的控制區(qū)域的作用。如果Z軸控制區(qū)域能夠這樣改進(jìn)的話，當(dāng)位置控制施加的作用力和接觸力控制施加的作用力相互抵消使得不能進(jìn)行探頭掃描時(shí)，探頭能夠更快速地移動(dòng)。因此，如果位置控制和接觸力控制在進(jìn)行快速掃描時(shí)相互抵消的話，可以防止接觸力控制飽和，從而實(shí)現(xiàn)誤差極小并且微小地背離恒定接觸力的形狀測(cè)量。另外，根據(jù)本示例性實(shí)施例，僅通過(guò)微動(dòng)平臺(tái)16進(jìn)行接觸力控制，從而接觸力控制不會(huì)對(duì)X和Y滑動(dòng)件造成影響。因此，探頭能夠在被測(cè)對(duì)象4上嚴(yán)格地按照最初提供的掃描軌跡進(jìn)行掃描。盡管上文已經(jīng)通過(guò)采用激光測(cè)量機(jī)作為被構(gòu)造成測(cè)量探頭的位置和定向的單元(如Xpl)對(duì)第一示例性實(shí)施例和第二示例性實(shí)施例進(jìn)行了描述，但即使采用其它測(cè)量單元，例如靜電電容位移計(jì)、渦流電流位移計(jì)也能夠確保相同的效果。盡管已經(jīng)參考示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公 開(kāi)的示例性實(shí)施例。下列權(quán)利要求的范圍具有最廣義的解釋，從而涵蓋所有改進(jìn)、等效結(jié)構(gòu)及功能。
權(quán)利要求
1.ー種形狀測(cè)量設(shè)備，該形狀測(cè)量設(shè)備用于通過(guò)沿著被測(cè)對(duì)象的表面掃描接觸型探頭，同時(shí)使該接觸型探頭與被測(cè)對(duì)象保持接觸并測(cè)量該接觸型探頭的位置來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀，所述形狀測(cè)量設(shè)備包括 探頭支撐単元，其構(gòu)造為能夠沿三維方向移動(dòng)； 接觸型探頭，其構(gòu)造為相對(duì)于所述探頭支撐單元被弾性支撐； 測(cè)量單元，其構(gòu)造為測(cè)量所述接觸型探頭的位置和定向；和 計(jì)算單元，其構(gòu)造為根據(jù)接觸型探頭的被測(cè)量到的位置和定向計(jì)算被測(cè)對(duì)象施加給接觸型探頭的接觸力， 其中，所述探頭支撐單元如此構(gòu)造，當(dāng)所述接觸力的包含沿探頭支撐単元的移動(dòng)方向的分量的分力超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，所述探頭支撐單元沿與探頭支撐単元的移動(dòng)方向垂直的方向被驅(qū)動(dòng)以使接觸型探頭移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的形狀測(cè)量設(shè)備，其中，所述探頭支撐單元構(gòu)造為通過(guò)給探頭支撐單元提供與沿探頭支撐単元的移動(dòng)方向的所述分量和所述閾值之差成比例的速度或加速度而被驅(qū)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求I所述的形狀測(cè)量設(shè)備，其中，所述探頭支撐單元還包括 能夠沿三維方向移動(dòng)的滑動(dòng)件；和 由所述滑動(dòng)件支撐的平臺(tái)，該平臺(tái)能夠相對(duì)于所述滑動(dòng)件沿三維方向移動(dòng)， 其中，接觸力的大小構(gòu)造為通過(guò)使所述平臺(tái)移動(dòng)以使所述接觸型探頭的位置移動(dòng)而接近目標(biāo)值。
4.ー種形狀測(cè)量方法，該形狀測(cè)量方法用于通過(guò)沿著被測(cè)對(duì)象的表面掃描由能夠沿三維方向移動(dòng)的探頭支撐單元彈性支撐的接觸型探頭，同時(shí)使該接觸型探頭與被測(cè)對(duì)象保持接觸并測(cè)量所述接觸型探頭的位置來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的形狀，所述形狀測(cè)量方法包括 測(cè)量接觸型探頭的位置和定向并且根據(jù)接觸型探頭的被測(cè)量得到的位置和定向計(jì)算接觸力； 通過(guò)使探頭支撐単元移動(dòng)同時(shí)利用作用力控制單元控制接觸力使之接近目標(biāo)值來(lái)利用接觸型探頭掃描被測(cè)對(duì)象的表面；和 當(dāng)接觸力的包含沿探頭支撐単元的移動(dòng)方向的分量的分力超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向驅(qū)動(dòng)探頭支撐單元以使接觸型探頭移動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的形狀測(cè)量方法，其中，所述探頭支撐單元構(gòu)造為通過(guò)給探頭支撐單元提供與沿探頭支撐単元的移動(dòng)方向的所述分量和閾值之差成比例的速度或加速度而被驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
接觸型探頭通過(guò)穩(wěn)定地控制接觸力可以高精度測(cè)量即使是大致豎直的大傾斜表面的形狀。在通過(guò)使接觸型探頭沿著被測(cè)對(duì)象表面移動(dòng)來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象表面形狀的形狀測(cè)量方法中，根據(jù)施加給探頭的接觸力的分力的大小估算被測(cè)對(duì)象表面的斜率，并且當(dāng)確定斜率接近豎直時(shí)，探頭支撐單元沿與探頭支撐單元的移動(dòng)方向垂直的方向移動(dòng)。
文檔編號(hào)G01B21/20GK102636144SQ201210032500
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者中島隆介 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社