KR0146261B1 - 3차원측정용프로우브 - Google Patents

3차원측정용프로우브

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KR0146261B1 KR1019940004639A KR19940004639A KR0146261B1 KR 0146261 B1 KR0146261 B1 KR 0146261B1 KR 1019940004639 A KR1019940004639 A KR 1019940004639A KR 19940004639 A KR19940004639 A KR 19940004639A KR 0146261 B1 KR0146261 B1 KR 0146261B1
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Abstract

본 발명은 비구면렌즈등의 자유곡면의 형상측정, 면조도나 단차(段差)의 형상 측정등을 고정밀도로 저측정압(低測定壓)으로 측정할 수 있는 3차원측정용프로우브를 제공하는 것을 목적으로 한것이며, 그 구성에 있어서, 에이베어링으로 구성된 Z좌표방향으로 이동가능한 접동부를 가진 가동부의 Z방향끝부분에 스타일러스와 이 가동부의 Z좌표를 측정하는 수단을 가지므로서, 정밀도 좋게, 측정면의 Z좌표를 측정할 수 있는것을 특징으로 한 것이다.

Description

3차원 측정용프로우브
제 1도는 본 발명의 프로우브를 포함한 측정기의 구성도,
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:반도체레이저 2:콜리메이터렌즈
3:편광빔스폴리터 5:다이크로이크미러
6:대물렌즈 7:프로우브
8:렌즈 9:λ/4파장판(하아프미러)
10:핀홀 11:광검출기
12:오차신호발생부 13:서어보회로
14:리니어모터 15:광프로우브
16:코일스프링 18:에어공급부
19:가이드 20:스프링
21:피측정면 22:슬라이드부
23:미러 G:레이져광
본 발명은 표면형상측정, 비구면렌즈등의 자유곡면의 형상측정, 면조도나 단자(鍛差)의 형상측정등을 초고정밀도로 저측정압(低測定壓)으로 측정하는 2차 원내지, 3차원의 형상측정장치용 프로우브에 관한 것이다.
표면형상측정, 비구면렌즈등의 자유곡면형상측정이나 표면조도측정에 있어서, 서브미크론㎚정도의 측정정밀도가 필요하게 되어 있어, 종래의 3차원측정기로는 측정할 수 없는 상태에 있었다. 그래서 측정정밀도가 충분히 높고, 비구면, 자유곡면도 측정할 수 있는 장치로서 생각된 것이 일본국특원소 57-189761호나 동측원소 60-148715호에 기록되어 있는 피측정면상에 광을 집광하여, 반사광으로부터 면형상을 측정하는 광프로우브를 이용한 측정기이다.
이측정기에서는 측정면으로부터의 반사광으로부터 측정하기 때문에, 무반사코우팅한 면형상은 측정할 수 없다. 또, 직교좌표측정만으로는 측정면의 경사각도가 30°를 초과한 면의 측정을 할 수 없다고하는 문제점이 있다.
종래의 3차원측정기용 접촉프로우브는 프로우브의 가로방향의 강성이 충분히 크지않고, 접촉압이 크기때문에, 예를들면 45°만큼 기울어진 면을 측정할경우, 접촉압이 Z방향과 xy방향과 동일하게 걸리므로 프로우브선단부가 가로어긋나게되어, 1㎛이상의 측정오차로되어, 0.1㎛ 이하의 측정정밀도를 얻을 수 없었다.
종래의 표면조도측정기도 스타일러스(Stylus)선단부의 곡율반경이 작은데도 측정압이 높기 때문에 측정면에 상처가 나는 점과측정면의 기울기가 클때, 마찬가지인 스타일러스의 가로어긋남에 의한 측정오차가 발생하였다.
타일러스의 가로어긋남에 의한 측정오차가 발생하였다.
상기의 측정면의 기울기가 큰경우, 측정압에 의해서 프로우브선단부가 어긋나서 측정오차로 되는 문제, 측정압에 의해서 측정면에 상처가 나는 문제를 해결하고, 55°정도까지 크게 기울어진 면까지, 초고정밀도로 측정할 수 있는 프로우브를 제공하는 일이 본 발명의 과제이다.
제 1로 에어베어링으로 구성된 Z좌표방향으로 이동가능한 접동부를 가진 가동부 A의 Z방향 끝부분에 장착된 스타일러스와 이 가동부의 Z좌표를 측정하는 측정수단을 구비하고 있다.
제 2로 가동부 A의 Z방향의 이동량을 규제하는 스프링을 장착해도 된다.
제 3으로 가동부 A의 Z좌표의 측정수단으로서, 가동부 A의 타단부를 미러면으로 하고, 이 미러면에 광을 조사하여, 반사광으로부터 미러면의 위치를 측정해도 된다.
제 4로 가동부 A와 상기 에어베어링으로 연결된 가동부 B를 배설하고, 가동부 A와 가동부 B와의 상대위치를 측정하는 상대위치측정수단과, 상대위치측정수단으로부터 얻어진 가동부 A와 가동부 B의 상대위치가 거의 일정하게 되도록 상기 가동부 B를 Z방향으로 구동하는 구동수단을 구비해도 된다.
제 1로 에어베어링의 접동부를 가진 가동부 A의 끝부분에 부착된 스타일러스는 Z방향으로는 자유롭게 움직이나, xy방향으로는 극히 강성이 높고 (1000대 1정도)또, 구조가 간단하기 때문에, 가동부 A는 경량으로 할 수 있기 때문에, 기울기가 큰 측정면에 대해서 측정압에 의한 가로어긋남을 극히 작게(10㎚이하)할 수 있고, 측정압도 작게(0.01N 정도)할 수 있기 때문에, 자유곡면을 고정밀도로 상처 나지 않게 측정할 수 있다.
제 2로 가동부 A의 Z방향의 이동량을 규제하는 스프링을 가지므로서, 가동부 A의 중량의 대부분을 스프링으로 유지하므로서, 측정합을 더욱 작게 (10-4N)할 수 있고, 1㎚이하의 가로 어긋남과 스타일러스선단부를 2㎛정도로 뾰족하게 하더라도 상처나지 않게 측정할 수 있다.
제 3으로 가동부 A의 타단부를 미러면으로하고, 이 미러면에 광을 조사하여, 반사광으로부터 미러면의 위치를 측정하는 구조는 가동부 A의 중량을 극력 작게하고, 정밀도 좋게, 측정면의 Z 좌표를 측정할 수 있다.
제 4도로 가동부 A와 상기 에어베어링으로 연결된 가동부 B를 배설하고, 가동부 A와 가동부 B의 상대위치측정수단과, 상대위치측정수단으로부터 얻어진 가동부 A와 가동부 B의 상대위치를 측정하는 상대위치가 거의 일정하게 되도록 상기 가동부 B를 Z방향으로 구동하는 구동수단을 구비하므로서, 일정한 측저압으로 가동부 A 보다 넓은 가동부 B의 Z방향의 구동범위에 걸쳐서 측정할 수 있다.
본 출원인이 제안한 일본국특원평 02-055330호에 광헤테로다인법을 이용한 초고정밀도의 3차원측정기에 접촉프로우브를 탑재한 형상측정장치가 있다. 본 발명의 실시예로서 이 장치에 본 발명의 3차원측정프로우브를 탑재한 예에 대해서 설명한다.
제 1 도는 상기 장치의 광프로우브에 본 발명의 3차원측정프로우브를 탑재한 부분이다. Z 방향으로 이동가능한 광프로우브(15)에 있어서 반도체레이저(1)로부터 발한 레이저광 G는 콜리메이트렌즈(2), 편광빔스플리터(3), λ/4파장판(9)을 투과한 후, 다이크로이크미러(5)를 반사하여, 대물렌즈(6)에 의해서 프로우브(7)의 상부면에 장착된 미러(23)위에 집광한다. 대물렌즈(6)로 복귀한 레이저광 G의 반사광은 다이크로이미러(5) 및 편광빔스플리터93)를 전체반사하여, 렌즈(8)에서 집광되어서 하아프미러(9)에서 2개로 분리되어, 핀홀(10)을 통과하고, 2개의 광검출기(11)에서 수광된다. 2개의 광검출기(11)의 출력은 오차신호발생부(12)에 의해 포커스 오차신호로 되고, 서어보회로(13)에 의해서 이 포커스오차신호가 0(제로)가 되도록 리니어모터(14)를 제어하고, 광프로우브(15)를 포함한 Z 이동부의 자중분(自重分)은 코일 스프링(16)에 의해 지지된다.
프로우브(7)는 원통형상의 슬라이드부(22)를 가지고, 슬라이드부(22)는 에어공급부(18)로부터 공급되는 에어의 분출구멍을 가진 가이드(19)의 내벽을 에어슬라이드로서 Z방향으로 움직일 수 있다. 슬라이드부 (22)의 상부에는 미러(23)가 고정되고, 슬라이드부(22), 프로우브(7), 미러(23)로 이루어지는 가동부의 중량은 스프링(20)에 의해 지지된다.
프로우브(7)의 하단부에는 각종의 곡율반경을 가진 바늘이 부착되어 있고, 피측정면(21)위를 10∼100㎎라는 약한 측정압으로 주사되어, 피측정면의 형상을 따라서 상하하나, 프로우브가 상하하면 포커스서어보가 작용해서 광프로우브전체가 상하하므로 미러(23)위에 항상 대물렌즈(6)의 초점이 맞아 있다.
FZ는 발진주파수안정화헬륨네온쩨에만 레이저의 광으로 미러(23)에 닿아서 반사하여 레이저측정기에 의해서 Z좌표를 측정하기 위한 것이다.
본 발명의 포인트는 에어슬라이드에 의해서 Z 방향으로는 자유롭게 움직이나 XY방향으로는 극히 강성이 높고, 움직이기 어려운 구조의 프로우브를 얻게되고, 도면에 표시한 바와 같이 55°란 기울기가 큰 렌즈면의 측정에서도 측정압에 의해서 프로우브선단부가 가로방향으로 움직이지 않고, 0.05㎛라는 초고정밀도의 측정을 할 수 있는 점에 있다.
또, 스프링(20)에 의해서 슬라이부의 중량을 지지하므로, 측정압을 10∼50㎎로 극히 작게할 수 있고, 측정바늘의 선단곡율반경이 2㎛이상이면 피측정면에 상처내는 일이 없다. 이것은, 원자간척력(斥力)을 검지해서 측정하고 있는 것으로 되므로, 우리들은 원자간척력프로우브라고 명명했다.
또, 오동작에 의해서 프로우브가 측정면에 충돌해서 슬라이드부는 위쪽으로 도망갈 수 있으므로, 프로우브나 피측정물을 파괴하는 일이 없다고 하는 특장이 있다.
또한, 정밀도나 저측정압을 그다지 요구하지 않는 용도에서는, 제 1도의 구성에서 스프링(20)을 생략하는 일도 가능하다. 또, 미러를 생략해서 슬라이드부의 변위를 리니어스케일이나 정전용량센서로 판독하는 일도 가능하다. 또, 포커스서이보를 걸지 않아도, 슬라이드부(22)의 가동범위내에서 리니어스케일을 부착하면 측정이 가능하다.
본 발명은 상기 구성, 작용을 가지므로, 종래보다 훨씬 고정밀도이고 보다 미세한 형상, 보다 기울기가 큰 면형상을 매우 광범위하게 측정할 수 있다. 또, 광측정으로는 측정할 수 없는 표면을 무반사막으로 씌워진 면이나, STM나 전자현미경으로 측정할 수 없는 전기적인 절연체표면도 측정가능하다. 따라서, 종래할 수 없었던

Claims (4)

  1. Z방향을 향하는 스타일러스와 상기 스타일러스에 연결된 슬라이드부를 가진 제 1 가동부와, 상기 제 1 가동부의 한쪽 끝은 상기 스타일러스를 가지고 상기 제 1 가동부의 다른쪽 끝은 미러면을 가지며; 상기 제 1가동부에 결합되어 상기 제 1가동부와의 사이에서 Z방향으로 상대 이동하는 제 2가동부와, 상기 제 1 가동부와의 상기 제 2가동부가 상기 제 1 가동부의 상기 슬라이드부와 슬라이드 가능하게 접촉하는 에어베어링 기구에 의해서 함께 결합되며; 상기 미러에 의해서 반사된 광으로부터 상기 미러면의 Z방향의 위치를 측정하기 위하여, 광원으로부터 상기 제 1가동부의 다른쪽 끝이 상기 미러면에 광을 투사함으로써 상기 제 1가동부의 Z좌표를 측정하는 측정수단과; 상기 제 2에 대하여 상기 제 1 가동부의 Z 방향의 이동량을 규제하기 위하여 상기 제 2 가동부에 상기 제 1 가동부를 연결하고 상기 제 2가동부에서 상기 제 1가동부를 지지하는 스프링과; 상기 제 1 가동부와 제 2 가동부 사이의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정수단과; 상기 스타일러스가 측정면을 따라서 주사하고 측정면의 Z좌표의 변화에 따라 Z방향으로 이동할 때, 상기 상대위치측정수단에 의해서 측정된 상기 제 1 가동부와 상기 제 2가동부 사이의 상대위치를 거의 일정하게 하기 위해 상기 제 2가동부를 Z방향으로 구동하는 구동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 측정용 프로우브.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 가동부가 상기 에어베어링기구를 가지는 가이드를 포함한 것을 특징으로 하는 3차원 측정용 프로우브.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 에어베어링기구는 상기 제 1 가동부의 상기 슬라이드부를 수용하는 내벽과, 에어공급부에 연결된 상기 내벽의 복수의 에어분출구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 측정용 프로우브
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 가동부를 Z방향에 직교하는 X와 Y좌표 방향으로 상기 제 2 가동부에 대하여 움직이기 어렵게 유지하는 수단을 더 구비하고, 상기 수단은 상기 제 1 가동부와 상기 제 2 가동부를 결합하는 상기 에어베어링 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정용 프로우브.
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