CN1047439C - 三维测量用探头 - Google Patents

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Abstract

三维测量用探头，因具有测量装在活动部的Z向端部的触针和该活动部的坐标的测量构件，该活动部具有由空气轴承构成的能沿Z坐标方向移动的滑动部，能以低测量压力高精度地进行非球面透镜等的复杂曲面的形状测定、表面光洁度、级差方面等形状测定。

Description

三维测量用探头
本发明涉及低测量压力下超高精度测量表面形状、非球面透镜等的复杂曲面形状、表面具有粗糙度和级差的形状等的二维或三维形状测量装置的探头。
测量表面形状、非球面透镜等的复杂曲面形状、表面光洁度等需要亚微米(nm)级测量精度，不能用以往的三维测量仪来测量。为此，特愿昭57-189761和特愿昭60-1487115等所记载的、使用把光聚焦于被测面上后根据反射光测表面形状的光学探头的测量仪，被考虑用来作为测量精度很高的并能测非球面、复杂曲面的装置。
由于这种测量仪根据来自被测面的反射光测量，不能测量涂有防反射层的表面形状。而且还存在只用正交座标测量不能测定倾斜角超过30°的面的问题。
由于以往三维测量仪用接触探头，其侧向刚性不够大，因接触压力大，例如测45°倾斜面时，Z方向与XY方向所加的接触压力相同，因此探头前端会侧向偏移，造成1μm以上的测量误差，不能获得小于0.1μm的更高的测量精度。
以往表面光洁度测量仪也因为触针前端的曲率半径小却又测量压力高，会给被测面加上触伤点，并且在被测面倾斜大时也同样发生触针侧向偏移引起的测量误差的情况。
本发明的目的是要解决上述被测面倾斜大情况下，由测量压力引起探头前端偏移而形成的测量误差问题，并要解决因测量压力加于被测面造成触伤点的问题，提供一种对于倾斜大到55°的被测面也能进行高精度测量的探头。
本发明的光学测量探头，其特征在于，包含：
包含Z向中的触针和与该触针相连的滑动部的第一活动部，所述第一活动部的一端具有所述触针，所述第一活动部的另一端具有反射镜面；
与所述第一活动部耦连两者间可在Z向作相对移动的第二活动部，所述第一和第二活动部通过与所述第一活动部的所述滑动部滑动啮合的空气轴承机构耦连在一起；
通过从光源向所述第一活动部另一端的所述反射镜面投射光根据所述反射镜反射的光测量所述反射镜在Z向中的位置来测量所述第一活动的Z座标的测量手段；
连接和支撑所述第一活动部到所述第二活动部的弹簧，以调节所述第一活动部在Z向中相对于所述第二活动部的移动量；
测量所述第一和第二活动部之间相对位置的相对位置测量手段；
在Z向中驱动所述第二活动部的驱动手段，使得当所述触针扫描通过要测量表面并按照该要测量表面在Z座标中的变化而在Z向中移动时，所述第一和第二活动部之间由所述相对位置测量手段测得的相对位置近似不变。
其中所述第二活动部包含内有空气轴承的导引部；其中所述空气轴承机构包含收容所述第一活动部的所述滑动部的内壁和所述内壁上各个与供气部相连的喷气口；可进一步包含保持所述第一活动部在与Z向正交的X和Y座标方向中相对于所述第二活动部基本不变的保持手段，所述保持手段包含耦连所述第一和第二活动部的所述空气轴承机构；其中所述弹簧为片式弹簧。
装在具有空气轴承滑动部的第一活动部端部的触针在Z向移动自由，而在XY方向上刚性极高(约1000∶1)，而且结构简单，能使第一活动部变轻，因此对于倾斜度大的被测面，能使由测量压力引起的侧向偏移减到极小(10nm以下)、测量压力也可减到很小(约0.01N)，所以能高精度地测量复杂曲面，又不损伤它。
因具有限定第一活动部的Z向移动量的弹簧，由弹簧支撑第一活动部的大部分重量，从而能进一步减小测量压力(达10-4N)，且能使侧向偏移小于1nm并且即使触针前端尖到约2μm也能不损伤被测面地进行测量。
以第一活动部的另一端为反射镜面，照光至该反射镜面后，根据反射光测量反射镜面位置的结构，使第一活动部的重量大为减小并能以高精度测定被测面的Z座标。
由于设置以上述空气轴承同第一活动部连接的第二活动部，并具有测量第一活动部与第二活动部之间相对位置的相对位置测量构件，以及沿Z方向驱动上述第二活动部的驱动构件，且使根据相对位置测量构件测得的第一活动部与第二活动部的相对位置基本不变，因此在所定测量压下使第二活动部可在Z方向驱动范围比第一活动部更宽的范围内进行测量。
图1是包括本发明探头的测量仪的结构图，其中符号1为半导体激光器、2为准直镜、3为偏振光束分离器。
本申请人曾提出的日本特许申请(申请号为平2-055330)中有形状测量装置，它是在将泰洛达因(テロダイン)法应用于光学的超高精度三维测量仪上，装载接触探头的仪器。现说明在该装置上装载本发明三维测量探头的例，作为本发明的实施例。
图1为把本发明三维测量探头装于上述装置的光学探头的部分。在能沿Z方向移动的光学探头15上，由半导体激光器1发生的激光G经准直镜2、偏振光束分离器3、λ/4波长板9透射后，于分色镜5处反射，通过物镜6聚光于探头7上面所装的反射镜23上。返回物镜6的激光G的反射光，经分色镜5和偏振光束分离器3全反射，由透镜8聚光后再被半透半反镜9分离成两束光，通过针孔10后面两个光检出器11接收光线。两个光检出器11的输出通过误差信号发生部12变为聚焦误差信号，再由伺服电路13控制线性马达14使该聚焦误差信号变为零，用卷簧16支撑包括光学探头15的Z向移动部的自重。
探头7具有圆筒形的滑动部22，滑动部22以具有喷气口的导引部19的内壁为气动滑槽沿Z向活动，喷气口的空气由供气部18供给。滑动部22的上部固定反射镜23，用弹簧20支撑由滑动部22、探头7、反射镜23构成的活动部分的重量。
探头7的下端装着具有各种曲率半径的针，以10-100mg的低测量压力在被测量面21上扫描，沿被测量的形状而上下、一旦探头上下，聚焦伺服机构就工作，整个光学探头上下，因此物镜6的焦点总对准在反射镜23上。
Fz是用来以振荡频率稳定化的氦氖塞曼激光器的光照到反射镜23后反射，再靠激光测长仪测Z向座标的装置。
本发明的关键是利用气动滑槽沿Z方向自由移动而XY方向刚性极高，能获得不易偏移的结构的探头，如图所示，即使测量倾斜达55°大的透镜面，探头前端也不会因测量压力而向侧向偏移，能进行0.05μm的超高精度测量。
又因用弹簧20支撑滑动部的重量，能使测量压力减到极小，达10-50mg，若测量针的前端曲率半径为2μm以上，则不会损伤被测面，由于用来检知、测量原子间的斥力，我们称之为原子力探头。
而且即使因误动作引起探头与被测面冲撞，滑动部也会向上方躲避，因此具有不会损坏探头和被测物的优点。
还有，对于不那么要求高精度和低测量压力的用途，图1构成中还可省去弹簧20。还有，可省去反射镜，用线性标度或静电电容传感器读出滑动部的位置变化。而且，即使不加聚焦伺服机构，在滑动部22的可动范围内加线性标度也能进行测量。
本发明因具有上述构成和作用，能以比以往高许多的精度，在非常宽的范围测量更细微的形状和较大倾斜面的形状。而且，还能测量用光学测量不能测定的、以防反射膜覆盖的表面、用STM、电子显微镜不能测量的电绝缘体表面等。从而能进行以往未能达到水平的形状测量，在产业和科技方面效用很大。

Claims (5)

1．一种光学测量探头，其特征在于，包含：
包含Z向中的触针和与该触针相连的滑动部的第一活动部，所述第一活动部的一端具有所述触针，所述第一活动部的另一端具有反射镜面；
与所述第一活动部耦连两者间可在Z向作相对移动的第二活动部，所述第一和第二活动部通过与所述第一活动部的所述滑动部滑动啮合的空气轴承机构耦连在一起；
通过从光源向所述第一活动部另一端的所述反射镜面投射光根据所述反射镜反射的光测量所述反射镜在Z向中的位置来测量所述第一活动的Z座标的测量手段；
连接和支撑所述第一活动部到所述第二活动部的弹簧，以调节所述第一活动部在Z向中相对于所述第二活动部的移动量；
测量所述第一和第二活动部之间相对位置的相对位置测量手段；
在Z向中驱动所述第二活动部的驱动手段，使得当所述触针扫描通过要测量表面并按照该要测量表面在Z座标中的变化而在Z向中移动时，所述第一和第二活动部之间由所述相对位置测量手段测得的相对位置近似不变。
2．如权利要求1所述的光学测量探头，其特征在于，其中所述第二活动部包含内有空气轴承的导引部。
3．如权利要求2所述的光学测量探头，其特征在于，其中所述空气轴承机构包含收容所述第一活动部的所述滑动部的内壁和所述内壁上各个与供气部相连的喷气口。
4．如权利要求1所述的光学测量探头，其特征在于，可进一步包含保持所述第一活动部在与Z向正交的X和Y座标方向中相对于所述第二活动部基本不变的保持手段，所述保持手段包含耦连所述第一和第二活动部的所述空气轴承机构。
5．如权利要求1所述的光学测量探头，其特征在于，其中所述弹簧为片式弹簧。
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