專利名稱：三維測量用探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低測量壓力下超高精度測量表面形狀、非球面透鏡等的復(fù)雜曲面形狀、表面具有粗糙度和級差的形狀等的二維或三維形狀測量裝置的探頭。
測量表面形狀、非球面透鏡等的復(fù)雜曲面形狀、表面光潔度等需要亞微米(nm)級測量精度，不能用以往的三維測量儀來測量。為此，特愿昭57-189761和特愿昭60-1487115等所記載的、使用把光聚焦于被測面上后根據(jù)反射光測表面形狀的光學探頭的測量儀，被考慮用來作為測量精度很高的并能測非球面、復(fù)雜曲面的裝置。
由于這種測量儀根據(jù)來自被測面的反射光測量，不能測量涂有防反射層的表面形狀。而且還存在只用正交座標測量不能測定傾斜角超過30°的面的問題。
由于以往三維測量儀用接觸探頭，其側(cè)向剛性不夠大，因接觸壓力大，例如測45°傾斜面時，Z方向與XY方向所加的接觸壓力相同，因此探頭前端會側(cè)向偏移，造成1μm以上的測量誤差，不能獲得小于0.1μm的更高的測量精度。
以往表面光潔度測量儀也因為觸針前端的曲率半徑小卻又測量壓力高，會給被測面加上觸傷點，并且在被測面傾斜大時也同樣發(fā)生觸針側(cè)向偏移引起的測量誤差的情況。
本發(fā)明的目的是要解決上述被測面傾斜大情況下，由測量壓力引起探頭前端偏移而形成的測量誤差問題，并要解決因測量壓力加于被測面造成觸傷點的問題，提供一種對于傾斜大到55°的被測面也能進行高精度測量的探頭。
第一，本發(fā)明具有測量裝于活動部A的-Z向端部上的觸針和該活動部的Z座標的測量構(gòu)件，上述活動部A具有由空氣軸承構(gòu)成的能沿Z座標方向移動的滑動部。
第二，還可以加上限定活動部A的Z向移動量的彈簧。
第三，作為其活動部A的Z座標測定構(gòu)件，也可以以活動部A的另一端為反射鏡面，照光于該反射鏡面，根據(jù)反射光測量反射鏡面的位置。
第四，也可以設(shè)置用上述空氣軸承與活動部A連接的活動部B，做成具有測量活動部A與活動B之間相對位置的相對位置測量構(gòu)件以及沿Z方向驅(qū)動上述活動部B，且使由相對位置測量構(gòu)件測得的活動部A和活動部B的相對位置基本保持不變的驅(qū)動構(gòu)件。
第一情況下，裝在具有空氣軸承滑動部的活動部A端部的觸針在Z向移動自由，而在XY方向上剛性極高(約1000∶1)，而且結(jié)構(gòu)簡單，能使活動部A變輕，因此對于傾斜度大的被測面，能使由測量壓力引起的側(cè)向偏移減到極小(10nm以下)、測量壓力也可減到很小(約0.01N)，所以能高精度地測量復(fù)雜曲面，又不損傷它。
第二情況下，因具有限定活動部A的Z向移動量的彈簧，由彈簧支撐活動部A的大部分重量，從而能進一步減小測量壓力(達10-4N)，且能使側(cè)向偏移小于1nm并且即使觸針前端尖到約2μm也能不損傷被測面地進行測量。
第三情況下，以活動部A的另一端為反射鏡面，照光至該反射鏡面后，根據(jù)反射光測量反射鏡面位置的結(jié)構(gòu)，使活動部A的重量大為減小并能以高精度測定被測面的Z座標。
第四情況下，由于設(shè)置以上述空氣軸承同活動部A連接的活動部B，并具有測量活動部A與活動部B之間相對位置的相對位置測量構(gòu)件，以及沿Z方向驅(qū)動上述活動部B的驅(qū)動構(gòu)件，且使根據(jù)相對位置測量構(gòu)件測得的活動部A與活動部B的相對位置基本不變，因此在所定測量壓下使活動部B可在Z方向驅(qū)動范圍比活動部A更寬的范圍內(nèi)進行測量。


圖1是包括本發(fā)明探頭的測量儀的結(jié)構(gòu)圖，其中符號1為半導(dǎo)體激光器、Z為準直鏡、3為偏振光束分離器。
本申請人曾提出的日本特許申請(申請?zhí)枮槠?-055330)中有形狀測量裝置，它是在將泰洛達因(テロダイン)法應(yīng)用于光學的超高精度三維測量儀上，裝載接觸探頭的儀器?，F(xiàn)說明在該裝置上裝載本發(fā)明三維測量探頭的例，作為本發(fā)明的實施例。
圖1為把本發(fā)明三維測量探頭裝于上述裝置的光學探頭的部分。在能沿Z方向移動的光學探頭15上，由半導(dǎo)體激光器1發(fā)生的激光G經(jīng)準直鏡2、偏振光束分離器3、λ/4波長板9透射后，于分色鏡5處反射，通過物鏡6聚光于探頭7上面所裝的反射鏡23上。返回物鏡6的激光G的反射光，經(jīng)分色鏡5和偏振光束分離器8全反射，由透鏡8聚光后再被半透半反鏡9分離成兩束光，通過針孔10后面兩個光檢出器11接收光線。兩個光檢出器11的輸出通過誤差信號發(fā)生部12變?yōu)榫劢拐`差信號，再由伺服電路13控制線性馬達14使該聚焦誤差信號變?yōu)榱?，用盤簧16支撐包括光學探頭15的Z向移動部的自重。
探頭7具有圓筒形的滑動部22，滑動部22以具有噴氣口的導(dǎo)引部19的內(nèi)壁為氣動滑槽沿Z向活動，噴氣口的空氣由供氣部18供給?；瑒硬?2的上部固定反射鏡23，用彈簧20支撐由滑動部22、探頭7、反射鏡23構(gòu)成的活動部分的重量。
探極7的下端裝著具有各種曲率半徑的針，以10-100mg的低測量壓力在被測量面21上掃描，沿被測量的形狀而上下、一旦探頭上下，聚焦伺服機構(gòu)就工作，整個光學探頭上下，因此物鏡6的焦點總對準在反射鏡23上。
Fz是用來以振蕩頻率穩(wěn)定化的氦氖塞曼激光器的光照到反射鏡23后反射，再靠激光測長儀測Z向座標的裝置。
本發(fā)明的關(guān)鍵是利用氣動滑槽沿Z方向自由移動而XY方向剛性極高，能獲得不易偏移的結(jié)構(gòu)的探頭，如圖所示，即使測量傾斜達55°大的透鏡面，探頭前端也不會因測量壓力而向側(cè)向偏移，能進行0.05μm的超高精度測量。
又因用彈簧20支撐滑動部的重量，能使測量壓力減到極小，達10-50mg，若測量針的前端曲率半徑為2μm以上，則不會損傷被測面，由于用來檢知、測量原子間的斥力，我們稱之為原子力探頭。
而且即使因誤動作引起探頭與被測面沖撞，滑動部也會向上方躲避，因此具有不會損壞探頭和被測物的優(yōu)點。
還有，對于不那么要求高精度和低測量壓力的用途，圖1構(gòu)成中還可省去彈簧20。還有，可省去反射鏡，用線性標度或靜電電容傳感器讀出滑動部的位置變化。而且，即使不加聚焦伺服機構(gòu)，在滑動部22的可動范圍內(nèi)加線性標度也能進行測量。
本發(fā)明因具有上述構(gòu)成和作用，能以比以往高許多的精度，在非常寬的范圍測量更細微的形狀和較大傾斜面的形狀。而且，還能測量用光學測量不能測定的、以防反射膜覆蓋的表面、用STM、電子顯微鏡不能測量的電絕緣體表面等。從而能進行以往未能達到水平的形狀測量，在產(chǎn)業(yè)和科技方面效用很大。
權(quán)利要求
1.一種三維測量用探頭，其特征是具有測量裝于活動部(A)的Z向端部上的觸針和該活動部的Z座標的測量構(gòu)件，上述活動部(A)具有由空氣軸承構(gòu)成的能沿Z座標方向移動的滑動部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測量用探頭，其特征是具有限定上述活動部(A)的Z向移動量的彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測量用探頭，其特征是上述活動部(A)的Z座標測量構(gòu)件，以活動部(A)另一端為反射鏡面，照光于該反射鏡面，根據(jù)反射光測量反射鏡面的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測量用探頭，其特征是具有測量上述活動部與用上述空氣軸承連接的活動部(B)之間相對位置的相對位置測量構(gòu)件以及沿Z方向驅(qū)動上述活動部B的驅(qū)動構(gòu)件，使上述觸針在被測面上掃描并伴隨被測面的Z座標變化而沿Z向移動時，由該相對位置測量構(gòu)件得知的活動部(A)的活動部(B)的相對位置基本不變。
全文摘要
三維測量用探頭，因具有測量裝在活動部的Z向端部的觸針和該活動部的坐標的測量構(gòu)件，該活動部具有由空氣軸承構(gòu)成的能沿Z坐標方向移動的滑動部，能以低測量壓力高精度地進行非球面透鏡等的復(fù)雜曲面的形狀測定、表面光潔度、級差方面等形狀測定。
文檔編號G01B5/20GK1099129SQ9410271
公開日1995年2月22日 申請日期1994年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月15日
發(fā)明者吉住惠一, 久保圭司 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社