JP3000819B2 - 三次元測定用プローブ及び形状測定方法 - Google Patents
三次元測定用プローブ及び形状測定方法Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01B11/007—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines feeler heads therefor
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は表面形状測定、非球面レ
ンズ等の自由曲面の形状測定、面粗さや段差の形状測定
等を超高精度に低測定圧で測定する２次元ないし、３次
元の形状測定装置用プローブ及び形状測定方法に関する
ものである。
ンズ等の自由曲面の形状測定、面粗さや段差の形状測定
等を超高精度に低測定圧で測定する２次元ないし、３次
元の形状測定装置用プローブ及び形状測定方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】表面形状測定、非球面レンズ等の自由曲
面形状測定や表面粗さ測定において、サブミクロンｎｍ
程度の測定精度が必要となってきており、従来の三次元
測定機では測定できない状態にあった。そこで、測定精
度が十分高く、非球面、自由曲面も測定できる装置とし
て考えられたものが特願昭５７−１８９７６１号や特願
昭６０−１４８７１５号に記されている被測定面上に光
を集光し、反射光から面形状を測定する光プローブを利
用した測定機である。
面形状測定や表面粗さ測定において、サブミクロンｎｍ
程度の測定精度が必要となってきており、従来の三次元
測定機では測定できない状態にあった。そこで、測定精
度が十分高く、非球面、自由曲面も測定できる装置とし
て考えられたものが特願昭５７−１８９７６１号や特願
昭６０−１４８７１５号に記されている被測定面上に光
を集光し、反射光から面形状を測定する光プローブを利
用した測定機である。
【０００３】この測定機では測定面からの反射光から測
定する為、無反射コートした面形状は測定できない。ま
た、直交座標測定だけでは測定面の傾き角度が３０°を
越えた面の測定ができないという問題点がある。
定する為、無反射コートした面形状は測定できない。ま
た、直交座標測定だけでは測定面の傾き角度が３０°を
越えた面の測定ができないという問題点がある。
【０００４】従来の三次元測定機用接触プローブはプロ
ーブの横方向の剛性が十分大きくなく、接触圧が大きい
為、例えば４５°だけ傾いた面を測定する場合、接触圧
がｚ方向とｘｙ方向と同じだけかかるのでプローブ先端
が横ずれし、１μｍ以上の測定誤差になり、０．１μｍ
以下の測定精度が得られなかった。
ーブの横方向の剛性が十分大きくなく、接触圧が大きい
為、例えば４５°だけ傾いた面を測定する場合、接触圧
がｚ方向とｘｙ方向と同じだけかかるのでプローブ先端
が横ずれし、１μｍ以上の測定誤差になり、０．１μｍ
以下の測定精度が得られなかった。
【０００５】従来の表面粗さ測定機もスタイラス先端の
曲率半径が小さいのに測定圧が高いため測定面にキズが
付く点と測定面の傾きが大きい時、同様なスタイラスの
横ずれによる測定誤差が発生した。
曲率半径が小さいのに測定圧が高いため測定面にキズが
付く点と測定面の傾きが大きい時、同様なスタイラスの
横ずれによる測定誤差が発生した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の測定面の傾きが
大きい場合、測定圧によってプローブ先端がずれて測定
誤差になる問題、測定圧によって測定面にキズが付く問
題を解決し、５５°程度まで大きく傾いた面まで、超高
精度に測定できるプローブを提供することが本発明の課
題である。
大きい場合、測定圧によってプローブ先端がずれて測定
誤差になる問題、測定圧によって測定面にキズが付く問
題を解決し、５５°程度まで大きく傾いた面まで、超高
精度に測定できるプローブを提供することが本発明の課
題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第一にエアー軸受けで構
成されたＺ座標方向に移動可能なしゅう動部を有する可
動部Ａの−Ｚ方向端部に付けられたスタイラスとこの可
動部のＺ座標を測定する測定手段を備えている。
成されたＺ座標方向に移動可能なしゅう動部を有する可
動部Ａの−Ｚ方向端部に付けられたスタイラスとこの可
動部のＺ座標を測定する測定手段を備えている。
【０００８】第二に可動部ＡのＺ方向の移動量を規制す
るばねをつけても良い。第三に可動部ＡのＺ座標の測定
手段として、可動部Ａの他端をミラー面とし、このミラ
ー面に光を照射し、反射光からミラー面の位置を測定し
ても良い。
るばねをつけても良い。第三に可動部ＡのＺ座標の測定
手段として、可動部Ａの他端をミラー面とし、このミラ
ー面に光を照射し、反射光からミラー面の位置を測定し
ても良い。
【０００９】第四に可動部Ａと前記エアー軸受けで連結
された可動部Ｂを設け、可動部Ａと可動部Ｂとの相対位
置を測定する相対位置測定手段と、相対位置測定手段か
ら得られた可動部Ａと可動部Ｂの相対位置がほぼ一定に
なるように前記可動部ＢをＺ方向に駆動する駆動手段を
備えても良い。
された可動部Ｂを設け、可動部Ａと可動部Ｂとの相対位
置を測定する相対位置測定手段と、相対位置測定手段か
ら得られた可動部Ａと可動部Ｂの相対位置がほぼ一定に
なるように前記可動部ＢをＺ方向に駆動する駆動手段を
備えても良い。
【００１０】
【作用】第一にエアー軸受けのしゅう動部を有する可動
部Ａの端部に付けられたスタイラスはＺ方向には自由に
動くが、ｘｙ方向には極めて剛性が高く（千対一程度）
また、構造が簡単な為、可動部Ａは軽量にできる為、傾
きの大きな測定面に対して測定圧による横ずれが極めて
小さく（１０ｎｍ以下）でき、測定圧も小さく（０．０
１Ｎ程度）にできる為、自由曲面を高精度にキズを付け
ずに測定できる。
部Ａの端部に付けられたスタイラスはＺ方向には自由に
動くが、ｘｙ方向には極めて剛性が高く（千対一程度）
また、構造が簡単な為、可動部Ａは軽量にできる為、傾
きの大きな測定面に対して測定圧による横ずれが極めて
小さく（１０ｎｍ以下）でき、測定圧も小さく（０．０
１Ｎ程度）にできる為、自由曲面を高精度にキズを付け
ずに測定できる。
【００１１】第二に可動部ＡのＺ方向の移動量を規制す
るばねを有することにより、可動部Ａの重量の大部分を
ばねで保持することにより、測定圧をさらに小さく（１
０-4Ｎ）でき、１ｎｍ以下の横ずれとスタイラス先端を
２μｍ程度に尖らせてもキズを付けずに測定できる。
るばねを有することにより、可動部Ａの重量の大部分を
ばねで保持することにより、測定圧をさらに小さく（１
０-4Ｎ）でき、１ｎｍ以下の横ずれとスタイラス先端を
２μｍ程度に尖らせてもキズを付けずに測定できる。
【００１２】第三に可動部Ａの他端をミラー面とし、こ
のミラー面に光を照射し、反射光からミラー面の位置を
測定する構造は可動部Ａの重量を極力小さくし、精度良
く、測定面のＺ座標を測定できる。
のミラー面に光を照射し、反射光からミラー面の位置を
測定する構造は可動部Ａの重量を極力小さくし、精度良
く、測定面のＺ座標を測定できる。
【００１３】第四に可動部Ａと前記エアー軸受けで連結
された可動部Ｂを設け、可動部Ａと可動部Ｂとの相対位
置を測定する相対位置測定手段と、相対位置測定手段か
ら得られた可動部Ａと可動部Ｂの相対位置がほぼ一定に
なるように前記可動部ＢをＺ方向に駆動する駆動手段を
備える事により、一定の測定圧で可動部Ａより広い可動
部ＢのＺ方向の駆動範囲に渡って測定できる。
された可動部Ｂを設け、可動部Ａと可動部Ｂとの相対位
置を測定する相対位置測定手段と、相対位置測定手段か
ら得られた可動部Ａと可動部Ｂの相対位置がほぼ一定に
なるように前記可動部ＢをＺ方向に駆動する駆動手段を
備える事により、一定の測定圧で可動部Ａより広い可動
部ＢのＺ方向の駆動範囲に渡って測定できる。
【００１４】本出願人が提案した特願平０２−０５５３
３０号に光ヘテロダイン法を利用した超高精度の三次元
測定機に接触プローブを搭載した形状測定装置がある。
本発明の実施例としてこの装置に本発明の三次元測定プ
ローブを搭載した例について説明する。
３０号に光ヘテロダイン法を利用した超高精度の三次元
測定機に接触プローブを搭載した形状測定装置がある。
本発明の実施例としてこの装置に本発明の三次元測定プ
ローブを搭載した例について説明する。
【００１５】
【実施例】図１は上記装置の光プローブに本発明の三次
元測定プローブを搭載した所である。Ｚ方向に移動可能
な光プローブ１５において半導体レーザ１から発したレ
ーザ光Ｇはコリメートレンズ２、偏光ビームスプリッタ
３、λ／４波長板４を透過した後、ダイクロイックミラ
ー５を反射し、対物レンズ６によってスタイラス７の上
面に取付けられたミラー２３上に集光する。対物レンズ
６に戻ったレーザ光Ｇの反射光はダイクロイックミラー
５及び偏光ビームスプリッタ３を全反射し、レンズ８で
集光されてハーフミラー９で２つに分離され、ピンホー
ル１０を通過し、２つの光検出器１１で受光される。２
つの光検出器１１の出力は誤差信号発生部１２によりフ
ォーカス誤差信号となり、サーボ回路１３によってこの
フォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１
４を制御し、光プローブ１５を含むＺ移動部の自重分は
渦巻きバネ１６により支持される。 スタイラス７は円筒
状のスライド部２２を有し、スライド部２２はエアー供
給部１８から供給されるエアーの吹き出し穴を有するガ
イド１９の内壁をエアースライドとしてＺ方向に可動で
ある。スライド部２２の上部にはミラー２３が固定さ
れ、スライド部２２、スタイラス７、ミラー２３からな
る可動部の重量はバネ２０によって支えられる。
元測定プローブを搭載した所である。Ｚ方向に移動可能
な光プローブ１５において半導体レーザ１から発したレ
ーザ光Ｇはコリメートレンズ２、偏光ビームスプリッタ
３、λ／４波長板４を透過した後、ダイクロイックミラ
ー５を反射し、対物レンズ６によってスタイラス７の上
面に取付けられたミラー２３上に集光する。対物レンズ
６に戻ったレーザ光Ｇの反射光はダイクロイックミラー
５及び偏光ビームスプリッタ３を全反射し、レンズ８で
集光されてハーフミラー９で２つに分離され、ピンホー
ル１０を通過し、２つの光検出器１１で受光される。２
つの光検出器１１の出力は誤差信号発生部１２によりフ
ォーカス誤差信号となり、サーボ回路１３によってこの
フォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１
４を制御し、光プローブ１５を含むＺ移動部の自重分は
渦巻きバネ１６により支持される。 スタイラス７は円筒
状のスライド部２２を有し、スライド部２２はエアー供
給部１８から供給されるエアーの吹き出し穴を有するガ
イド１９の内壁をエアースライドとしてＺ方向に可動で
ある。スライド部２２の上部にはミラー２３が固定さ
れ、スライド部２２、スタイラス７、ミラー２３からな
る可動部の重量はバネ２０によって支えられる。
【００１６】スタイラス７の下端には各種の曲率半径を
持つ針がついており、被測定面２１上を１０〜１００ｍ
ｇという弱い測定圧で走査され、被測定面の形状に沿っ
て上下するが、スタイラス７が上下するとフォーカスサ
ーボが働いて光プローブ全体が上下するのでミラー２３
上に常に対物レンズ６の焦点が合っている。
持つ針がついており、被測定面２１上を１０〜１００ｍ
ｇという弱い測定圧で走査され、被測定面の形状に沿っ
て上下するが、スタイラス７が上下するとフォーカスサ
ーボが働いて光プローブ全体が上下するのでミラー２３
上に常に対物レンズ６の焦点が合っている。
【００１７】Ｆｚは発振周波数安定化ヘリウムネオンゼ
ーマンレーザの光でミラー２３に当たって反射しレーザ
測長器によってＺ座標を測定する為のものである。
ーマンレーザの光でミラー２３に当たって反射しレーザ
測長器によってＺ座標を測定する為のものである。
【００１８】本発明のポイントはエアースライドによっ
てＺ方向には自由に動くがＸＹ方向には極めて剛性が高
く、動きにくい構造のプローブが得られ、図に示すよう
に５５°と傾きの大きなレンズ面の測定でも測定圧によ
ってプローブ先端が横方向に動かず、０．０５μｍとい
う超高精度の測定ができる点にある。
てＺ方向には自由に動くがＸＹ方向には極めて剛性が高
く、動きにくい構造のプローブが得られ、図に示すよう
に５５°と傾きの大きなレンズ面の測定でも測定圧によ
ってプローブ先端が横方向に動かず、０．０５μｍとい
う超高精度の測定ができる点にある。
【００１９】また、バネ２０によってスライド部の重量
を支えるので、測定圧を１０〜５０ｍｇと極めて小さく
でき、測定針の先端曲率半径が２μｍ以上であれば被測
定面にキズつけることがない。これは、原子間斥力を検
知して測定していることになるので、われわれは原子間
力プローブと命名した。
を支えるので、測定圧を１０〜５０ｍｇと極めて小さく
でき、測定針の先端曲率半径が２μｍ以上であれば被測
定面にキズつけることがない。これは、原子間斥力を検
知して測定していることになるので、われわれは原子間
力プローブと命名した。
【００２０】また誤動作によってプローブが測定面に衝
突してもスライド部は上方に逃げられるので、プローブ
や被測定物を壊すことがないという特長がある。
突してもスライド部は上方に逃げられるので、プローブ
や被測定物を壊すことがないという特長がある。
【００２１】なお、精度や低測定圧をさほど要求しない
用途では、図１の構成でバネ２０を省く事も可能であ
る。また、ミラーを省いてスライド部の変位をリニアス
ケールや静電容量センサで読むことも可能である。ま
た、フォーカスサーボを掛けなくても、スライド部２２
の可動範囲内でリニアスケールを付ければ測定が可能で
ある。
用途では、図１の構成でバネ２０を省く事も可能であ
る。また、ミラーを省いてスライド部の変位をリニアス
ケールや静電容量センサで読むことも可能である。ま
た、フォーカスサーボを掛けなくても、スライド部２２
の可動範囲内でリニアスケールを付ければ測定が可能で
ある。
【００２２】
【発明の効果】本発明は上記構成、作用を有するので、
従来よりはるかに高精度でより微細な形状、より傾きの
大きな面形状を非常に広範囲に測定できる。また、光測
定では測定できない表面を無反射膜で覆われた面や、Ｓ
ＴＭや電子顕微鏡では測定できない電気的な絶縁体表面
も測定可能である。従って、従来できなかったレベルの
形状測定が可能となり、産業上、科学技術上の効果は大
きい。
従来よりはるかに高精度でより微細な形状、より傾きの
大きな面形状を非常に広範囲に測定できる。また、光測
定では測定できない表面を無反射膜で覆われた面や、Ｓ
ＴＭや電子顕微鏡では測定できない電気的な絶縁体表面
も測定可能である。従って、従来できなかったレベルの
形状測定が可能となり、産業上、科学技術上の効果は大
きい。
【図１】本発明のプローブを含む測定機の構成図
１ 半導体レーザ ２ コリメートレンズ ３ 偏光ビームスプリッタ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 5/00 - 5/30
Claims (3)
- 【請求項１】 一端にスタイラス、他端にミラー面を設
けた可動部Ａと、エアー軸受けにより前記可動部Ａと移
動可能な状態で連結された可動部Ｂと、光源からの光を
前記ミラー面に向けて照射し、前記ミラー面の移動方向
の位置を、前記ミラー面による反射光から測定する前記
可動部Ａの位置測定手段と、前記可動部Ａと前記可動部
Ｂとの相対位置を測定する相対位置測定手段と、前記ス
タイラスが被測定面を走査し、被測定面の前記移動方向
の変化に伴って移動方向に動く時、前記相対位置測定手
段から得られた前記可動部Ａと前記可動部Ｂの相対位置
が一定になるように前記可動部Ｂを前記移動方向に駆動
する駆動手段を備えた三次元測定用プローブ。 - 【請求項２】 前記可動部Ａと前記可動部Ｂを連結する
ばねを設けたことを特徴とする請求項１記載の三次元測
定用プローブ。 - 【請求項３】 一端にスタイラス、他端にミラー面を設
けた可動部Ａの位置を、光源からの光を前記ミラー面に
向けて照射し、前記ミラー面による反射光から測定する
工程と、エアー軸受けにより前記可動部Ａと移動可能な
状態で連結された可動部Ｂと前記可動部Ａとの相対位置
を測定する工程とを有し、前記スタイラスが被測定面を
走査し、被測定面の前記移動方向の変化に伴って移動方
向に動く時、前記可動部Ａと前記可動部Ｂの相対位置が
一定になるように前記可動部Ｂを前記移動方向に駆動
し、前記可動部Ａの位置を測定することにより被測定面
の形状を測定する形状測定方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5053382A JP3000819B2 (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 三次元測定用プローブ及び形状測定方法 |
| KR1019940004639A KR0146261B1 (ko) | 1993-03-15 | 1994-03-10 | 3차원측정용프로우브 |
| CN94102715A CN1047439C (zh) | 1993-03-15 | 1994-03-12 | 三维测量用探头 |
| US08/209,630 US5455677A (en) | 1993-03-15 | 1994-03-14 | Optical probe |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5053382A JP3000819B2 (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 三次元測定用プローブ及び形状測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06265340A JPH06265340A (ja) | 1994-09-20 |
| JP3000819B2 true JP3000819B2 (ja) | 2000-01-17 |
Family
ID=12941277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5053382A Expired - Lifetime JP3000819B2 (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 三次元測定用プローブ及び形状測定方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5455677A (ja) |
| JP (1) | JP3000819B2 (ja) |
| KR (1) | KR0146261B1 (ja) |
| CN (1) | CN1047439C (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7520067B2 (en) | 2006-12-20 | 2009-04-21 | Panasonic Corporation | Three-dimensional measurement probe |
| US11473904B2 (en) | 2019-10-28 | 2022-10-18 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Measurement probe |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3075981B2 (ja) * | 1996-04-05 | 2000-08-14 | 松下電器産業株式会社 | 形状測定装置 |
| NO303595B1 (no) * | 1996-07-22 | 1998-08-03 | Metronor Asa | System og fremgangsmÕte for bestemmelse av romlige koordinater |
| WO2001029504A1 (de) * | 1999-10-18 | 2001-04-26 | Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg | Sensor zum berührenden vermessen von materialien |
| JP4794753B2 (ja) * | 2001-06-04 | 2011-10-19 | パナソニック株式会社 | 形状測定方法 |
| US6952256B2 (en) * | 2002-08-30 | 2005-10-04 | Kla-Tencor Technologies Corporation | Optical compensation in high numerical aperture photomask inspection systems for inspecting photomasks through thick pellicles |
| JP4436665B2 (ja) | 2003-12-24 | 2010-03-24 | パナソニック株式会社 | 測定用プローブ及び形状測定方法 |
| EP1817557A4 (en) * | 2004-11-03 | 2010-06-16 | Omniprobe Inc | DEVICE AND METHOD FOR DETECTING CONTACT BETWEEN A PROBE TIP AND A SURFACE |
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