KR970003271B1 - 3차원 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

3차원 측정장치

제1도는 본 제1발명의 실시예의 구성도.

제2도는 본 제1발명의 실시예의 설명도.

제3도는 본 발명의 실시예의 제어계 구성도.

제4도는 본 제1발명과 제2발명을 포함한 실시예의 구성도.

제5도는 본 제2발명과 제3발명을 포함한 실시예의 구성도.

제6도는 본 제2, 제3, 제4발명을 포함한 실시예의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반도체 레이저 2 : 렌즈

3 : 편광빔스플릿터 6 : 대물렌즈

본 발명은 비구면렌즈등의 곡면의 3차원 현상을 비접촉으로 초고정밀도로 측전하기 위한 광프로브를 내장하는 3차원 측정장치에 관한 것이다.

3차원 측정기에 광프로브를 내장한 것으로서는 프로브로서 현미경을 붙인 것이 가장 단순하다. 현미경의 상이 가장 샤프하게 보이는 위치에 현미경을 움직이고, 그 위치의 x, y, z좌표를 읽는다. 이 방법은 초점심도의 범위의 오차를 가진 점과 렌즈표면등과 같이 상처가 없는 매끄러운 면에서는 상을 알 수 없기 때문에 측정할 수 없는 점등의 문제가 있다. 광학적인 3각 측정법에 의한 오토포커스기능을 부착한 것도 있으나, 역시 측정면이 견사진 경우 측정할 수 없다는 문제가 있다.

미국특허 제2,897,722호 명세서에 개시되어 있는 초점맞춤 광학계에서는 측정면에 광을 집광하고, 반사한 광을 빔스플릿터에 의해 2개로 나누고, 초점전후에 놓인 핀홀의 투과광량의 차를 오차신호로서 초점맞춤을 하므로써, 임의 방향의 기울기를 가진 측정면의 측정도 가능하게 되었다. 그러나 이 방식도 측정면의 기울기 방향에 의존하는 오차가 발생한다는 문제점이 있다.

또 본 출원인에 의한 일본국 특원소 63-287989호에 개시되어 있는 형상측정 장치에 있어서, 광프로브를 코일스프링에 의해서 지지하고, 리니어 모터에 의해서 z 방향으로 20㎜ 정도의 범위에 걸쳐서 0.01㎛ 정도의 매우 고정 밀도의 포커스제어 방식이 개시되어 있다. 그러나, z 방향 이동량을 더 크게 하기 어렵다는 동의 문제가 있었다.

① 본 제1발명이 해결하고자 하는 과제를 설명한다. 미국특허 제2987722호 명세서에 개시되어 있는 광학측정 장치에 있어서의 초점맞춤 방식에 개시된 내용만으로는 피측정면의 기울기 방향에 따라서 빔스플릿터를 통과하는 광의 방향이 다른 것에 의해, 분리비율이 바뀌기 때문에, 피측정면의 기울기 방향에 따라서 포커스 위치가 바뀌고, 측정오차가 된다는 문제점이 있었다. 이것을 해결하는 것이 본 발명의 과제이다.

② 본 제2발명이 해결하고자 하는 과제를 설명한다. 일본국 특원소 63-287989호의 형상측정 장치에 있어서의 포커스서보를 위하여 광프로브를 구동하는 리니어 모터는 광프로브의 위쪽에 배치되고, 또 그 위에 코일스프링이 있다. 이 구성에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

㉮ 리니어 모터의 구동위치는 z 가동부의 중심부근에 있는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면 구동시에 가동부를 회전시키는 토크가 작용하므로 z 방향의 이동진직도가 나빠진다. z 방향의 이동진직도가 나쁘면 측정정밀도가 나빠지고, 포커스제어 특성도 나빠진다. 지지스프링도 중심지지가 바람직하다. 그러나 이들을 동일 중심지지로 하는 것을 종래의 구성에서는 무리이다.

㉯ 큰 측정범위를 얻기 위하여 광프로브의 z 방향의 가동범위를 확대하는 것이 어렵다. 이유는 리니어 모터의 가동범위 이상의 길이의 자기회로를 위쪽에 부착하는 것이 스페이스적으로 어렵기 때문이다.

③ 본 제3발명이 해결하고자 하는 과제를 설명한다. 일본국 특원소 63-287989호의 형상축정장치에 있어서의 광프로브는 코일스프링에 의해서 지지되고 있다. 코일스프링에서는 광프로브의 이동에 따른 신축에 의해서 장력이 변화한다. 이것은 포커스서보의 오차발생원인이 된다. 또 광프로브의 z 방향의 가동범위를 확대하면 포커스를 추종할 수 없게 된다. 상기 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 수단을 강구한 것이다.

① 본 제1과제의 해결을 위한 수단은, 측정면으로부터 반사한 레이저광을 분리하기 위한 빔스플릿터를 편과방향에 따라서 분리비율이 바뀌지 않는 무편광빔스 플릿터를 사용한 점이다.

② 본 제2과제의 해결을 위한 수단은, 광프로브의 양쪽에 고착한 코일에 의해서 리니어 모터를 구성한 것에 있다.

③ 본 제3과제의 해결을 위한 수단은, 광프로브를 소용돌이 형상으로 감긴 박판으로 이루어진 정하중 스프리링에 의해서 지지하는 데 있다. 또 대향에서 배치한 2개의 장하중 스프링을 이들 장력의 합이 z 방향에만 발생하도록 배치한 정하중 스프링에 의해서 지지한 점이다. 본 발명은 상기한 바와 같은 구성이므로, ① 본 제1발명의 작용은 무편광빔스플릿터는 통과하는 광의 방향이 달라도 분리비율이 바뀌지 않기 때문에, 피측정면의 기울기 방향이 변화해도 측정 오차의 발생은 매우 작아지는 점이다.

② 본 제2발명의 작용은 리니어 모터의 구동력의 중심을 가동부의 중심부근으로 하므로써, 가동부에 회전시키는 토크가 발생하지 않고, 포커스 정밀도, z 축의 진직도가 좋아진 점, 및 z 축의 스트로크를 크게 할 수 있는 점에 있다.

③ 본 제3발명의 작용은 z 방향의 큰 이동범위에 걸쳐서 일정한 지지력에 의해서 광프로브부를 지지할 수 있고, 포커스제어를 용이하게 고정밀도에서 행할 수 있는 점이다. 또 2개의 정하중 스프링을 대향해둠으로써 z 방향 이외의 방향으로 장력이 발생하지 않으므로, z축의 이동진직도를 보다 정밀하게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 광프로브의 광학계를 표시한다. 반도체 레이저(1)로부터 출사한 레이저광은 렌즈(2)에 의해서 대략 평행광이 되고 편광빔스플릿터(3)의 반사면에 대해서 S편파이므로 전체 반사하고, λ/4 파장판(4)을 통과해서 원편파가 되고 파장분할 거울(5)에 의해서 전체 반사하여 대물렌즈(6)에 의해서 측정면(7)의 위에 접광된다. 측정면(7)으로부터 반사한 레이저광은 λ/4 파장판(4)에 의해서 입사광과는 편광방향이 90˚어긋난 직선 편광이 되므로 편광빔스플릿터(3)를 전체 투과하여 렌즈(8)에 의해서 집광되고, 거울(9)에 의해 반사된 후, 무편광빔스플릿터(10)에 의해서 2개로 분리된다. 무편광 빔스플릿터(10)로부터의 반사광은 집광위치의 바로앞에 높인 핀홀(11)을 투과해서 광검출기(12)에 의해서 수광된다. 무편광빔스플릿터(10)의 투과광은 거울(13)에 의해 반사되어 집광위치의 뒤쪽에 놓인 핀홀(14)을 투과한 후, 광검출기(15)에 의해서 수광된다.

피측정면의 위치가 초점위치로부터 앞뒤로 어긋나면 핀홀 전후의 집광위치도 앞뒤로 어긋나므로, 핀홀을 투과하는 광량에 차가 발생하므로, 이 차가 항상 0이 되도록 광프로브를 상하로 구동한다. 반도체레이저의 광로를 A, z 좌표측정용 헬륨네온 째만 레이저의 광로를 B로 표시한다.

제2도는 광프로브의 광학계를 단순화한 모델이다. 피측정면(7)이 어느 방향으로 경사져 있어도 반사광은 사선으로 표시한 바와 같은 광로를 취하고 포커스 오차 신호가 발생한다. 그러나 빔스플릿터(10)를 편광방향에 따라서 분리도가 다른 보통의 반투명 유리로 하면 피측정면(7)의 기울기 방향에 따라서도 분리도가 다르다. 따라서 피측정면의 기울기에 의해 포커스 오차가 발생한다. 한편 빔스플릿터(10)를 무편광빔스플릿터로 하면 피측정면의 기울기 방향에 따라서 분리도가 바뀌지 않고 따라서 피측정면의 기울기에 의해 포커스 오차가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.

제3도에 포커스서보 신호계의 구성을 표시한다. 광검출기(12)와 (15)의 출력으로부터 차동회로(16)에 의해서 오차신호를 얻을 수 있고 서보회로(17)에 의해서 위사보상이나 피측정면의 반사율변동을 보상하는 게인조정등을 한후, 리니어 모터의 구동회로(18)를 통해서 리니어 모터(19)를 구동한다. 리니어 모터(19)는 제4도에 표시한 바와 같이 광프로브(20)에 고정되고, 에어슬라이드(21)를 따라서 광프로브(20)를 구동한다. 리니어 모터(19)는 광프로브(20)를 양쪽으로부터 구동하므로, 상하로 구동력이 작용해도 광프로브를 경사지게 하는 토크는 거의 발생하지 않는다.

제4도는 광프로브를 3차원 측정기에 장착한 본 실시예의 전체구성을 표시한다. 석정반(22)의 위에 측정물(7), x, y, z 참조. 거울(23), (24), (25), x, y 스테이지(26)와 에어스핀들(27)이 고정되어 있다. z 참조거울(25)은 문형지지부(31)를 개재해서 장착되어 있다. x, y 스테이지(26)의 위에는 석정반(28)이 있고, 이것에 측정광학계, z 스테이지인 에어솔라이드(21), 광프로브(20)가 붙어 있다.

측정광학계에는 파장안정화 헬륨네온 째만 레이저(29)가 배치되고, 이 출사광은 x, y, z로 나누어지고, x, y좌표는 x, y 참조거울(23), (24)까지의 거리로부터 측정된다. z좌표는 이 째만 레이저광을 광프로브(20)에 통과시키고, 파장분할거울(5)을 전체 투과해서 피측정면(7)에서 반사시키거나, 렌즈와 거울로 구성되고 입사광을 입사방향으로 반사시키는 캐트아이(30) (제1도 참조)가 삽입되어 있는 경우는 캐트아이를 반사한다.

제5도는 광프로브(20)의 z 방향의 구동부를 표시한다. 광프로브(20)는 z 스테이지(21)위에 고정되고 소용돌이 형상으로 감긴 박판의 정하중 스프링(32)에 의해서 중량분은 지지되고 있다. 정하중 스프링의 지지점은 광프로브(20)를 포함한 z 이동부의 중심부근에 있다. 정하중 스프링은 신축해도 장력이 거의 변하지 않는 스프링이므로, 가동부의 중량부만을 본 실시예의 z 스트로크의 40㎜에 걸쳐서 정하중 스프링이 지지한다.

광 프로브의 양사이드에 고착된 코일(33)과 자석과 요크로 이루어진 자기회로(34)에 의해 구성된 리니어 모터는 광프로브(20)를 포함한 z 이동부의 중심부근을 구동한다. 리니어 모터는 피측정면에 광프로브를 추종시켜서 움직이는 힘을 발생한다.

제6도는 광프로브(20)의 z 방향의 구동부의 측면도이다. 정하중 스프링은 z 방향으로의 장력의 외에 감기고 있는 방향으로의 힘도 발생한다. 이 힘은 스프링의 신장량에 의해 변화한다. 따라서 정하중 스프링 1개만으로는 z 스테이지의 가로 방향으로의 힘도 발생하므로, z 스테이지의 이동 진직도에 악영향을 미친다.

z 스테이지의 이동진직도는 50nm 이하가 필요하므로 이 영향을 없애기 위하여 또 하나의 정하중 스프링(35)을 대향해 두도록 했다. 이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 의해서 임의 방향으로 경사진 면을 가진 비구면 렌즈등의 형상을 초고 정밀도에서 넓은 측정범위에 걸쳐서 측정할 수 있는 3차원 측정장치가 실현되어 산업상, 과학기술상 효과는 크다.

Claims (5)

1. 광프로브를 내장한 3차원 측정 장치에 있어서, 상기 광프로브는 : 레이저광원과 ; 이 레이저광원으로부터 정명의 광을 피측 위에 집광시키기 위한 대물렌즈와 ; 피측 정면으로부터 반사된 레이저광을 입사 광로로부터 분리하기 위한 제1빔스플릿터와 ; 상기 제1빔스플릿터에 의해서 분리된 반사광을 편광 방향에 의하지 않고 일정한 분리비율에 의해서 2개의 반사광으로 분리하는 무편광빔스플릿터와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 한쪽 광의 집광점의 앞쪽에 놓인 제1핀홀과 ; 제1핀홀을 투과한 광을 수광하는 제1광 검출기와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 다른쪽 광의 집광점의 뒤쪽에 놓인 제2핀홀과 ; 제2핀홀을 투과한 광을 수광하는 제2광검출기와 ; 오토포커스제어를 위한 오차신호로서의 상기 제1 및 제2광검출기의 출력의 차에 의해 상기 대물렌즈를 구동시키는 구동수단과 ; 상기 광프로브를 z 축 방향으로 안내하는 z 슬라이드를 구비하고, 상기 구동수단은, 상기 광프로브의 양쪽에 장착된 코일을 가지고 전류가 상기 코일에 공급될 때 z 축방향으로 선형구동력을 발생해서 상기 z 슬라이드에 의해 상기 광프로브를 z 축방향으로 선형으로 이동시키는 선형구동수단과, 그리고 상기 오차신호에 대응하는 제어전류를 상기 코일에 공급하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정장치.
2. 광프로브를 내장한 3차원 측정장치에 있어서, 상기 광프로브는 : 레이저광원과 ; 이 레이저광원으로부터의 광을 피측정면위에 집광시키기 위한 대물렌즈와 ; 피측정면으로부터 반사된 레이저광을 입사광로로부터 분리하기 위한 제1빔스플리터와 ; 상기 제1빔스플릿터에 의해서 분리된 반사광을 편광방향에 의하지 않고 일정한 분리 비율에 의해서 2개의 반사광으로 분리하는 무편광빔스플릿터와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 한쪽 광의 집광점의 앞쪽에 놓인 제1핀홀과, 제1핀홀을 투과한 광을 수광하는 제1광검출기와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 다른쪽 광의 집광점의 뒤쪽에 놓인 제2핀홀과, 제2핀홀을 투과한 광을 수광하는 제2광검출기와 ; 오토포커스제어를 위한 제어신호로서의 상기 제1 및 제2광검출기의 출력의 차에 의해 상기 대물렌즈를 구동시키는 구동수단과 ; 상기 광프로브를 z 축방향으로 안내하는 z 슬라이드와 ; 상기 광프로브를 지지하고 또 상기 z 슬라이드에 의해 안내되는 광프로브의 가동전역에 걸쳐서 상기 광프로브의 중량과 거의 동등한 장력을 발생하는 정하중스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 측정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 정하중 스프링에 대향해서 배치되고, 상기 광프로브를 지지하고 또 상기 z 슬라이드에 의해 안내되는 광프로브의 가동전역에 걸쳐서 상기 광프로브의 광량과 거의 동등한 장력을 발생하는 다른 정하중 스프링을 더 구비함으로써 상기 2개의 정하중 스프링의 장력의 합이 z 방향으로만 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 측정장치.
4. 광프로브를 내장한 3차원 측정장치에 있어서, 상기 광프로브는 : 레이저광원과 ; 이 레이저광원으로부터의 광을 피측정면위에 집광시키기 위한 대물렌즈와 ; 피측정면으로부터 반사된 레이저광을 입사광로로부터 분리하기 위한 제1빔스플릿터와 ; 상기 제1빔스플릿터에 의해서 분리된 반사광을 편광방향에 의하지 않고 일정한 분리 비율에 의해서 2개의 반사광으로 분리하는 무편광빔스플릿터와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 한쪽 광의 집광점의 앞쪽에 놓인 제1핀홀과 ; 제1핀홀을 투과한 광을 수광하는 제1광검출기와 ; 상기 무편광빔스플릿터에 의해서 분리된 2개의 반사광 중의 다른쪽 광의 집광점의 뒤쪽에 놓인 제2핀홀과 ; 제2핀홀을 투과한 광을 수광하는 제2광검출기와 ; 오토포커스제어를 위한 오차신호로서의 상기 제1 및 제2광검출기의 출력의 차에 의해 상기 대물렌즈를 구동시키는 구동수단과 ; 이 구동수단은, 상기 광프로브의 양쪽에 장착된 코일을 가지고 전류가 상기 코일에 공급될 때 z 축방향으로 선형구동력을 발생해서 상기 z 슬라이드에 의해 상기 광프로브를 z 축방향으로 선형으로 이동시키는 선형구동수단과, 상기 오차신호에 대응하는 제어전류를 상기 코일에 공급하는 제어수단을 포함하고 ; 상기 광프로브를 지지하고 또 상기 z 슬라이드에 의해 안내되는 상기 광프로브의 가동전역에 걸쳐서 상기 광프로브의 중량과 거의 동등한 장력을 발생하는 정하중 스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 측정장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 저하중 스프링에 대향해서 배치되고, 상기 광프로브를 지지하고 또 상기 z 슬라이드에 의해 안내되는 광프로브의 가동전역에 걸쳐서 상기 광프로브의 중량과 거의 동등한 장력을 발생하는 다른 정하중스프링을 더 구비함으로써 상기 2개의 정하중 스프링의 장력의 합이 z 방향으로만 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 측정장치.