JPH0587556A - 三次元測定プローブ - Google Patents
三次元測定プローブInfo
- Publication number
- JPH0587556A JPH0587556A JP24883191A JP24883191A JPH0587556A JP H0587556 A JPH0587556 A JP H0587556A JP 24883191 A JP24883191 A JP 24883191A JP 24883191 A JP24883191 A JP 24883191A JP H0587556 A JPH0587556 A JP H0587556A
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- Japan
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- spring
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 傾きの大きな面も誤差なく、超低接触圧でキ
ズをつけずに測定できる三次元測定プローブを提供する
ことを目的とする。 【構成】 光プローブ１５を上下で金属線１８で水平に
張り、プローブ１５の自重分のみバネで支えることによ
り、傾きが大きく、大きなレンズの高精度測定が可能と
なる。
ズをつけずに測定できる三次元測定プローブを提供する
ことを目的とする。 【構成】 光プローブ１５を上下で金属線１８で水平に
張り、プローブ１５の自重分のみバネで支えることによ
り、傾きが大きく、大きなレンズの高精度測定が可能と
なる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高精度な非球面レンズ形
状等の自由曲面の形状測定，半導体の微細なパターン形
状の測定，さらには、曲面の上にグレーティング等の微
細な段差を形成したフレネルレンズの形状測定等、微細
な面形状を広いダイナミックレンジで測定する二次元、
ないし、三次元の形状測定装置に関するもので、特に被
測定面が大きな傾きを持つ非球面レンズ等の形状を超高
精度で測定できる三次元測定プローブに関するものであ
る。
状等の自由曲面の形状測定，半導体の微細なパターン形
状の測定，さらには、曲面の上にグレーティング等の微
細な段差を形成したフレネルレンズの形状測定等、微細
な面形状を広いダイナミックレンジで測定する二次元、
ないし、三次元の形状測定装置に関するもので、特に被
測定面が大きな傾きを持つ非球面レンズ等の形状を超高
精度で測定できる三次元測定プローブに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】非球面レンズなどの自由曲面形状測定に
おいて、サブミクロンから１０ｎｍ程度の測定精度が必
要となってきており、従来の接触式三次元測定機や干渉
計では測定できない状況があった。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６
０−１４８７１５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。
おいて、サブミクロンから１０ｎｍ程度の測定精度が必
要となってきており、従来の接触式三次元測定機や干渉
計では測定できない状況があった。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６
０−１４８７１５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、光を被測定面上に集光し
て測定する為、光のスポット径で横方向の測定分解能が
制限され、１μｍ以下の微細な形状を測定することはで
きない。また、被測定面からの反射光から測定する為、
表面を無反射コートした面形状は測定できない。さら
に、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。これら
の問題点を解決する為に光プローブの下に１０-5〜１０
-8Ｎという超低接触圧のプローブをつける方式を考え、
特願平０２−０５５３３０号に提案した。
て測定する為、光のスポット径で横方向の測定分解能が
制限され、１μｍ以下の微細な形状を測定することはで
きない。また、被測定面からの反射光から測定する為、
表面を無反射コートした面形状は測定できない。さら
に、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。これら
の問題点を解決する為に光プローブの下に１０-5〜１０
-8Ｎという超低接触圧のプローブをつける方式を考え、
特願平０２−０５５３３０号に提案した。
【０００４】一方、接触式の測定機では接触プローブの
付いた三次元測定機や微細形状を測定する為の原子間力
顕微鏡等がある。ところが上記接触プローブは例えば４
５°だけ傾いた面を測定したい場合、接触圧は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、この横ずれは量を検知できない為、測定誤差にな
る。また、上記原子間力顕微鏡のプローブは薄い横向き
に置かれた板バネの下に針を付けたものであるが、板バ
ネが被測定面に当たる為、４５°もの傾斜面を測定でき
ない。
付いた三次元測定機や微細形状を測定する為の原子間力
顕微鏡等がある。ところが上記接触プローブは例えば４
５°だけ傾いた面を測定したい場合、接触圧は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、この横ずれは量を検知できない為、測定誤差にな
る。また、上記原子間力顕微鏡のプローブは薄い横向き
に置かれた板バネの下に針を付けたものであるが、板バ
ネが被測定面に当たる為、４５°もの傾斜面を測定でき
ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の測定面の傾きが
大きい場合接触圧によってプローブ先端がずれて測定誤
差になる問題は上記特願平０２−０５５３３０号におい
ても解決策が記されていない。これを解決することが本
発明の課題である。
大きい場合接触圧によってプローブ先端がずれて測定誤
差になる問題は上記特願平０２−０５５３３０号におい
ても解決策が記されていない。これを解決することが本
発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は棒状の部材の−ｚ方向先端に取付けられた触針
部とｚ方向の少なくとも２座標位置でｘｙ平面内におけ
る少なくとも３方向から外側の支持部材に張られた部材
により支持され、前記触針部が被測定面に接触して接触
圧を受けるか、又は前記触針部が被測定面に近付いて原
子間力，電磁気力等の力を受けることによって生ずる前
記棒状部材のｚ方向への変位を検知する手段を有する三
次元測定プローブである。
本発明は棒状の部材の−ｚ方向先端に取付けられた触針
部とｚ方向の少なくとも２座標位置でｘｙ平面内におけ
る少なくとも３方向から外側の支持部材に張られた部材
により支持され、前記触針部が被測定面に接触して接触
圧を受けるか、又は前記触針部が被測定面に近付いて原
子間力，電磁気力等の力を受けることによって生ずる前
記棒状部材のｚ方向への変位を検知する手段を有する三
次元測定プローブである。
【０００７】さらに、前記棒状部材のｚ方向の変位に応
じて前記外側の支持部材、又は、前記被測定面をｚ方向
に変位させる手段と変位したｚ座標を測定する手段を備
えることができる。
じて前記外側の支持部材、又は、前記被測定面をｚ方向
に変位させる手段と変位したｚ座標を測定する手段を備
えることができる。
【０００８】また、前記ｚ方向が上下方向である場合
は、前記触針部を含む棒状部材の重さを支えるバネを有
する。
は、前記触針部を含む棒状部材の重さを支えるバネを有
する。
【０００９】
【作用】前記棒状のプローブのｚ方向の少なくとも２座
標位置でｘｙ平面内における少なくとも３方向から外側
の支持部材に張られた部材により支持することにより、
ｚ方向には数μｍの範囲では極めて弱い力で動くがｘｙ
方向にはほとんど動かないプローブが得られるので、前
記触針部が被測定面からｚ方向に力を受けると超低接触
圧でプローブが動くが、ｘｙ方向の力に対してはほとん
ど動かないので傾きの大きな面でも測定誤差をほとんど
生じないという作用がある。
標位置でｘｙ平面内における少なくとも３方向から外側
の支持部材に張られた部材により支持することにより、
ｚ方向には数μｍの範囲では極めて弱い力で動くがｘｙ
方向にはほとんど動かないプローブが得られるので、前
記触針部が被測定面からｚ方向に力を受けると超低接触
圧でプローブが動くが、ｘｙ方向の力に対してはほとん
ど動かないので傾きの大きな面でも測定誤差をほとんど
生じないという作用がある。
【００１０】また、前記棒状部材のｚ方向の変位に応じ
て前記外側の支持部材、又は、前記被測定面をｚ方向に
変位させる手段と変位したｚ座標を測定する手段を備え
ることにより、ｚ方向に大きなストロークで測定でき
る。
て前記外側の支持部材、又は、前記被測定面をｚ方向に
変位させる手段と変位したｚ座標を測定する手段を備え
ることにより、ｚ方向に大きなストロークで測定でき
る。
【００１１】また、前記ｚ方向が上下方向である場合
は、前記触針部を含む棒状部材の重さにより前記支持部
材に張られた部材はｚ方向に垂れるのでｘｙ平面内に置
けないが、前記のプローブ部の自重を支えるバネを有す
ることにより、プローブに重さがかかっても前記支持部
材に張られた部材をｘｙ平面内におけるという作用があ
る。
は、前記触針部を含む棒状部材の重さにより前記支持部
材に張られた部材はｚ方向に垂れるのでｘｙ平面内に置
けないが、前記のプローブ部の自重を支えるバネを有す
ることにより、プローブに重さがかかっても前記支持部
材に張られた部材をｘｙ平面内におけるという作用があ
る。
【００１２】
【実施例】本出願人が提案した特願平０２−０５５３３
０号に光ヘテロダイン法を利用した超高精度三次元測定
機に接触プローブ部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機プ
ローブを搭載した例について説明する。
０号に光ヘテロダイン法を利用した超高精度三次元測定
機に接触プローブ部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機プ
ローブを搭載した例について説明する。
【００１３】図１は上記装置の光プローブに本発明の三
次元測定機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によってプローブ７の
上面に集光する。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１４を制御し、光プローブ１
５をｚ軸方向に駆動する。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。
次元測定機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によってプローブ７の
上面に集光する。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１４を制御し、光プローブ１
５をｚ軸方向に駆動する。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。
【００１４】プローブ７は上部と下部で線状、又は、薄
板状の部材１８で水平に張られて支持され自重分はバネ
２０で支えられている。部材１８とバネ２０は支持部１
９で光プローブ１５に支持される。プローブ７の上端は
光が反射するように研磨され、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上に極めて弱い接
触圧で接触する。プローブが被測定面に接触して変位す
るとフォーカスサーボが働いて光プローブ全体が変位す
るので、プローブ７の上面に常に対物レンズ６の焦点が
合っている。
板状の部材１８で水平に張られて支持され自重分はバネ
２０で支えられている。部材１８とバネ２０は支持部１
９で光プローブ１５に支持される。プローブ７の上端は
光が反射するように研磨され、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上に極めて弱い接
触圧で接触する。プローブが被測定面に接触して変位す
るとフォーカスサーボが働いて光プローブ全体が変位す
るので、プローブ７の上面に常に対物レンズ６の焦点が
合っている。
【００１５】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プローブ７の上面に当たって反射し
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プローブ７の上面に当たって反射し
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。
【００１６】図２は本発明の三次元測定プローブを横向
けに付けた拡大図である。直径１０μｍのタングステン
製金属線１８で２箇所で３方向に張って支持されてい
る。プローブの自重も上から金属線で支持されるのでバ
ネ２０は不要である。
けに付けた拡大図である。直径１０μｍのタングステン
製金属線１８で２箇所で３方向に張って支持されてい
る。プローブの自重も上から金属線で支持されるのでバ
ネ２０は不要である。
【００１７】図３は本発明の三次元測定プローブを縦向
けに付けた拡大図である。金属線１８は±ｘ方向と±ｙ
方向の４方向から支持され、自重分はバネ２０で支持さ
れる。
けに付けた拡大図である。金属線１８は±ｘ方向と±ｙ
方向の４方向から支持され、自重分はバネ２０で支持さ
れる。
【００１８】図４はプローブを縦向けに付けてバネ２０
が無い時の説明図である。自重を支える為に金属線１８
は水平に張ることは不可能である。水平に張られた金属
線には横向けの力しか発生しないからである。従って金
属線は図のように少し下に垂れる。プローブ先端に横向
きの力Ｆがかかると金属線は破線のようにたわみ、プロ
ーブ先端は横に変位し、測定誤差を発生してしまう。
が無い時の説明図である。自重を支える為に金属線１８
は水平に張ることは不可能である。水平に張られた金属
線には横向けの力しか発生しないからである。従って金
属線は図のように少し下に垂れる。プローブ先端に横向
きの力Ｆがかかると金属線は破線のようにたわみ、プロ
ーブ先端は横に変位し、測定誤差を発生してしまう。
【００１９】図５はプローブを縦向けに付けてバネ２０
がある時の説明図である。自重分はバネ２０が支えてい
るので金属線１８は水平に晴れる。プローブ先端に横向
きの接触圧がかかっても金属線が伸びない限りプローブ
の横変位はない。
がある時の説明図である。自重分はバネ２０が支えてい
るので金属線１８は水平に晴れる。プローブ先端に横向
きの接触圧がかかっても金属線が伸びない限りプローブ
の横変位はない。
【００２０】本発明のポイントはｚ方向には数ミクロン
の微小な範囲で軽く動き、ｘｙ方向には動かない構造の
プローブを得ることにある。数ミクロンの範囲さえ軽く
動けばあとは光プローブが追随するので大きなｚ方向の
ストロークにわたる測定も可能となる。図５で金属線１
８の長さＬを３ｍｍ、プローブのｚ方向の可動距離を±
３μｍとする。この時、プローブが±３μｍ動いても金
属線１８の伸び量は１.５ｎｍにすぎない。
の微小な範囲で軽く動き、ｘｙ方向には動かない構造の
プローブを得ることにある。数ミクロンの範囲さえ軽く
動けばあとは光プローブが追随するので大きなｚ方向の
ストロークにわたる測定も可能となる。図５で金属線１
８の長さＬを３ｍｍ、プローブのｚ方向の可動距離を±
３μｍとする。この時、プローブが±３μｍ動いても金
属線１８の伸び量は１.５ｎｍにすぎない。
【００２１】言い換えると図５で被測定面２１が４５°
傾いているとすると、プローブ７の先端にはｘ方向とｚ
方向に同じ接触圧Ｆがかかることになる。これによりｚ
方向には３μｍプローブは動くがｘ方向には１.５ｎｍ
しか動かないことになる。
傾いているとすると、プローブ７の先端にはｘ方向とｚ
方向に同じ接触圧Ｆがかかることになる。これによりｚ
方向には３μｍプローブは動くがｘ方向には１.５ｎｍ
しか動かないことになる。
【００２２】製法は本実施例ではプローブ７に細穴を開
け、金属線１８を通し、接着した。より細いプローブの
場合は金属線を張っておき、横からプローブを接着し
た。また、プローブ側面に突起物を構成し、線をひっか
けて張る方法もある。
け、金属線１８を通し、接着した。より細いプローブの
場合は金属線を張っておき、横からプローブを接着し
た。また、プローブ側面に突起物を構成し、線をひっか
けて張る方法もある。
【００２３】なお、図１の構成で光プローブをオートフ
ォーカスで動かさなくても１μｍ以下のｚ方向のストロ
ークの表面粗さ測定は可能である。また、被測定面の方
をｚ方向に動かしてその移動量を測定することも可能で
ある。
ォーカスで動かさなくても１μｍ以下のｚ方向のストロ
ークの表面粗さ測定は可能である。また、被測定面の方
をｚ方向に動かしてその移動量を測定することも可能で
ある。
【００２４】
【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、非接
触の光測定では測定できない表面を無反射コート膜で覆
われた面や、ＳＴＭ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、非接
触の光測定では測定できない表面を無反射コート膜で覆
われた面や、ＳＴＭ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
【図２】本発明の第一実施例の説明図
【図３】本発明の第二実施例の説明図
【図４】本発明のバネがない時の説明図
【図５】本発明のプローブに横向きの接触圧がかかった
時の説明図
時の説明図
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
Claims (3)
- 【請求項１】 棒状の部材の−ｚ方向先端に取付けられ
た触針部とｚ方向の少なくとも２座標位置でｘｙ平面内
における少なくとも３方向から外側の支持部材に張られ
た部材により支持され、前記触針部が被測定面に接触し
て接触圧を受けるか、又は前記触針部が被測定面に近付
いて原子間力，電磁気力等の力を受けることによって生
ずる前記棒状部材のｚ方向への変位を検知する手段を有
する三次元測定プローブ。 - 【請求項２】 棒状部材のｚ方向の変位に応じて前記外
側の支持部材、又は、前記被測定面をｚ方向に変位させ
る手段と変位したｚ座標を測定する手段を備えた請求項
１記載の三次元測定プローブ。 - 【請求項３】 前記ｚ方向が上下方向であって、前記触
針部を含む棒状部材の重さを支えるバネを有する請求項
１記載の三次元測定プローブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24883191A JPH0587556A (ja) | 1991-09-27 | 1991-09-27 | 三次元測定プローブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24883191A JPH0587556A (ja) | 1991-09-27 | 1991-09-27 | 三次元測定プローブ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0587556A true JPH0587556A (ja) | 1993-04-06 |
Family
ID=17184076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24883191A Pending JPH0587556A (ja) | 1991-09-27 | 1991-09-27 | 三次元測定プローブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0587556A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013130253A1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-06 | Quality Vision International, Inc. | Optical probe for vision measurements |
-
1991
- 1991-09-27 JP JP24883191A patent/JPH0587556A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013130253A1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-06 | Quality Vision International, Inc. | Optical probe for vision measurements |
| US9019511B2 (en) | 2012-02-27 | 2015-04-28 | Quality Vision International, Inc. | Optical probe for vision measurements |
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