KR101330468B1 - 삼차원 형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

상면 스타일러스(1a)는 에어 슬라이드(1c)에 의해 XY방향으로는 흔들리지 않고 측정물(7)의 상면(7a)을 주사 측정할 수 있고, 제1미러(1b)와 렌즈(2de)에 의해 Z좌표도 양호한 정밀도로 측정할 수 있고, 측면 스타일러스(2ia)는 XY방향으로만 변위 가능하고 Z방향으로는 흔들리지 않으므로 측정물의 측면(7b)을 주사 측정할 수 있고, 측면 스타일러스(2ia)의 Z좌표 측정은 상기 제1미러(1b)의 Z좌표 측정값을 이용하여, 더욱 고정밀도로 측면 스타일러스의 XY변위를 경사 각도 측정부(2j)에서 측정할 수 있다.

Description

삼차원 형상 측정장치{THREE DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS}

본 발명은 정밀도 10∼100나노미터 오더(nanometer order)의 초고정밀도 삼차원 형상 측정장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 카메라 또는 광디스크 등에 사용되는 비구면 렌즈의 렌즈면과 비구면 렌즈의 외경 측정에 의한 외경에 대한 렌즈면의 중심 변위의 측정, 블랭킹(blanking) 금형의 수금형과 암금형의 클리어런스(clearance), 미세 구멍 또는 기어 등의 형상과 기준면 등의 삼차원 형상을 가지는 측정물을 10∼100나노미터 오더의 초고정밀도로 주사(走査) 측정할 수 있는 삼차원 형상 측정장치에 관한 것이다.

비구면 렌즈는 형상 정밀도 1만분의 1밀리미터, 즉 100나노미터 이하로 만들지 않으면 성능을 발휘하지 못하기 때문에, 1980년경까지는 그러한 형상 정밀도를 측정할 수 없어서, 비구면 렌즈는 만들 수 없었다. 그래서, 비구면 렌즈면의 형상을 10∼100나노미터의 초고정밀도이고 또한, 표면을 손상시키지 않는 0.15∼0.3mN라는 낮은 측정력으로 렌즈면을 주사 측정할 수 있는 삼차원 측정기가 발명되었다. 이 삼차원 측정기의 구성은 예를 들면 특허문헌 1에 기재되어 있고, 프로브는 특허문헌 2, 3에 기재되어 있다.

특허문헌 1에서는, XY 스테이지의 진직도 정밀도 1미크론을 훨씬 능가하는 10나노미터 오더의 높은 평면도의 3매의 기준 미러를 XYZ좌표축의 기준으로 하고 안정화 레이저로 측정점의 축상에서 XYZ좌표를 측정함으로써 아베(Abbe)의 오차를 최소한으로 하여, 10나노미터 오더의 좌표축 정밀도를 달성한 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 2에서는, 측정력 0.15∼0.3mN의 낮은 측정력으로 Z방향으로는 응답성 좋게 움직이지만, XY방향으로는 경사지지 않는 고강성의 마이크로 에어 슬라이드에 스타일러스(stylus)가 부착된 프로브가 기재되어 있다. 이는 비구면 렌즈면을 따라 응답성 좋게 움직여, 렌즈면의 경사 각도가 0도로부터 75도까지 추종해서 측정 가능하다. 스타일러스의 위쪽에 부착된 미러에 상기 안정화 레이저를 직접 쏘아, 반사광으로부터 Z좌표를 측정하므로, 비구면 렌즈면의 10나노미터 오더의 초고정밀도 측정이 가능하게 되었다. 이것은 마이크로 에어 슬라이드가 얇은 판스프링에 의해 매달려진 구조였다.

특허문헌 3에서는, 마이크로 에어 슬라이드를 판스프링으로 지지하지 않고, 자기(磁氣)에 의한 비접촉 부상(浮上)으로 한 것이다. 이들 특허문헌 2, 3은 비구면 렌즈면을 10나노미터 오더의 초고정밀도로 측정할 수 있지만, 비구면 렌즈 외경의 측면을 측정할 수는 없다.

한편, 상면과 측면을 측정할 수 있는 삼차원 측정기는 예를 들면 특허문헌 4, 5에 기재되어 있는데, 정밀도 100나노미터가 필요한 비구면 렌즈를 측정할 수 있는 초고정밀도 측정기는 아니다.

특허문헌 6, 7에 기재되어 있는 것은 측면을 측정할 수 있는 프로브이며, 프로브부에 지점(支點)을 설치하고, 선단에 스타일러스가 부착된 스타일러스 축이 스타일러스로에 대한 옆으로부터의 측정력에 의해 상기 지점을 중심으로 XY축 둘레에 경사 가능하고, 상기 스타일러스 축 위쪽에는 미러가 부착되어, 이 미러의 경사 각도가 레이저에 의해 검출되고 있다. 상기 지점은 Z방향으로는 움직이지 않기 때문에, 스타일러스 축의 경사 각도에서만 프로브부에 대한 스타일러스의 XY방향으로의 변위 위치가 오차 없이 결정되므로, 측면 형상을 150나노미터의 정밀도로 측정할 수 있다.

특허문헌 8에 기재되어 있는 것은 렌즈면 측정용 프로브를 부착하면 비구면 렌즈면의 형상을 10∼100나노미터의 초고정밀도로 측정할 수 있고, 측면 측정용 프로브를 부착하면 렌즈 외경 측면도 150나노미터의 정밀도로 측정할 수 있어, 측정 정밀도는 떨어지지만 상면과 측면의 양쪽을 측정할 수 있는 프로브를 부착할 수도 있는 것이다.

특허문헌 9에 기재되어 있는 것은 비구면 렌즈면의 상하면의 형상을 동시에 10∼100나노미터의 초고정밀도로 측정할 수 있는 측정기이며, 상하에 있는 프로브를 작고 간단히 하기 위한, 반도체 레이저와 광검출기와 회절격자를 일체로 해서 포커스 오차신호를 검출할 수 있는 상대위치 측정부가 개시되어 있다.

특허문헌 10에 기재되어 있는 것은 측면도 측정할 수 있는 프로브에 의한 주사 측정의 방법에 대해서 기재되어 있다.

일본국 특허 제3046635호 공보 일본국 특허 제3000819호 공보 일본국 특허 제4291849호 공보 일본국 특허 제1792338호 공보 일본국 특개2007-218734호 공보 일본국 특개2006-284410호 공보 WO07/135857호 공보 일본국 특개2008-292236호 공보 일본국 특허 제4260180호 공보 일본국 특개2009-293992호 공보

최근에는 디지털 카메라 또는 휴대전화에 탑재된 카메라 등의 많은 광학 제품에서 소형화와 저비용화와, 높은 해상도 또는 고줌비(zoom ratio) 등의 현저한 성능향상이라는 상반되는 요망에 의해 사용되는 비구면 렌즈는 렌즈면의 형상 정밀도달성뿐만 아니라, 외경도 포함한 전체로서의 정밀도 향상이 과제로 되어 있다.

그러나, 상기 종래의 각 문헌의 구성에서는, 예를 들면 비구면 렌즈의 렌즈면과 측면을 필요한 정밀도, 즉, 렌즈면에서는 10∼100나노미터, 측면을 100나노미터의 정밀도로 측정할 수는 없었다.

본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 측정물의 상면과 측면의 양쪽을 10∼100나노미터의 초고정밀도로 주사 측정할 수 있는 삼차원 형상 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 아래와 같이 구성된다.

본 발명의 제1형태에 의하면, Z방향을 따라서 배치되는 에어 슬라이드와, 상기 에어 슬라이드의 일단(一端)에 배치된 상면 스타일러스와 상기 에어 슬라이드의 타단(他端)에 각각 배치된 제1미러와 스프링력 발생부를 가지는 제1가동부와,

이 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드의 가이드부와 상기 스프링력 발생부를 지지함으로써 상기 제1가동부를 매달아 지지하는 스프링력 지지부를 적어도 가지는 제2가동부와,

상기 제2가동부가 상기 Z방향으로 이동 가능한 상태에서 상기 제2가동부를 연결 지지하는 지지부와,

상기 제2가동부를 상기 지지부에 대하여 Z방향으로 구동하는 Z구동부와,

상기 제1가동부와 상기 제2가동부의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정부와,

안정화 레이저 광원으로부터의 안정화 레이저 광을 상기 제1미러를 향해서 조사하여, 상기 제1미러로부터의 반사광으로부터 상기 상면 스타일러스의 Z방향 이동량을 측정하는 Z2좌표 검출부와,

상기 지지부 또는 측정물을 상기 Z방향에 수직하는 X방향 및 Y방향으로 구동하는 XY구동부와,

상기 XY구동부에 의한 상기 지지부 또는 상기 측정물의 XY방향 이동량을 측정해서 X좌표와 Y좌표를 검출하는 XY좌표 검출부와,

상기 상면 스타일러스가 상기 제2가동부에 배치된 위치로부터 상기 X방향 또는 상기 Y방향으로 떨어진 위치에 상기 제2가동부에 배치되어 일단에 측면 스타일러스를 가지고, 상기 측면 스타일러스가 상기 Z방향에 대하여 경사 가능하도록 연결 기구에 의해 상기 제2가동부에 연결된 가동 경사부와,

상기 가동 경사부의 경사 각도를 측정하는 경사 각도 측정부와,

상기 경사 각도 측정부로부터 얻어진 상기 경사 각도로부터 상기 측면 스타일러스의 상기 제2가동부에 대한 X변위와 Y변위를 산출하는 측면 스타일러스 변위 검출부와,

상기 XY좌표 검출부에서 검출된 상기 X좌표 및 Y좌표에 상기 측면 스타일러스 변위 검출부에서 산출된 상기 측면 스타일러스의 X변위와 Y변위를 가산하여, 상기 측면 스타일러스에 의한 상기 측정물의 측정점의 X좌표 및 Y좌표를 산출하는 측정점 위치 연산 수단을 구비하는 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제2형태에 의하면, 상기 측면 스타일러스에 의한 측정 시에, 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는 제1가동부 동작 정지장치와,

상기 제1가동부 동작 정지장치에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지한 상태에서 상기 제1가동부의 상기 제2가동부에 대한 Z방향 위치를 검출하는 상대위치 측정부를 더 구비하는, 제1형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제3형태에 의하면, 상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드에 공급하는 압축 공기를 진공 흡인으로 전환하는 전환 밸브인, 제2형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제4형태에 의하면, 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물의 표면을 상기 XY방향으로 주사할 때, 상기 측정물의 표면의 높이 변화에 따라 상기 제1가동부가 상기 Z방향으로 움직일 때, 상기 상대위치 측정부로부터 얻어진 상기 제1가동부와 상기 제2가동부의 상대위치가 일정해지도록 상기 제2가동부를 상기 Z방향으로 구동하는 신호를 발생하는 포커스 제어부와,

상기 측면 스타일러스를 상기 측정물의 표면의 상기 Z방향으로 주사하기 위해서 상기 제2가동부를 상기 Z방향으로 구동하기 위한 신호를 발생하는 Z축 이동 지시부와,

상기 포커스 제어부로부터의 신호와 상기 Z축 이동 지시부로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여 상기 Z구동부에 전달하는 Z축 신호 전환부를 구비하는, 제1형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제5형태에 의하면, 상기 측면 스타일러스에 의한 측정 시에 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는 제1가동부 동작 정지장치와,

상기 제1가동부 동작 정지장치에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지한 상태에서 상기 제1가동부의 상기 제2가동부에 대한 Z방향 위치를 검출하는 상대위치 측정부를 더 구비하는, 제4형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제6형태에 의하면, 상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드에 공급하는 압축 공기를 진공 흡인으로 전환하는 전환 밸브인, 제5형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제7형태에 의하면, 상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물에 접촉한 상태에서, 상기 포커스 제어부에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 위치가 일정 위치가 되도록 제어된 상태의 타이밍에서 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는, 제5형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제8형태에 의하면, 상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물에 접촉한 상태에서, 상기 포커스 제어부에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 위치가 일정 위치가 되도록 제어된 상태의 타이밍에서 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는, 제6형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제9형태에 의하면, 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물의 표면을 상기 XY방향으로 주사하기 위한 신호를 발생하는 XY축 이동 지시부와,

상기 측면 스타일러스를 상기 측정물의 표면을 따라 상기 XY방향으로 이동시키도록 상기 XY구동부를 구동 제어함과 더불어, 상기 측정물의 표면의 상기 XY방향의 변화에 따라 상기 가동 경사부가 경사질 때, 상기 경사 각도 측정부로부터 얻어진 경사 각도의 절대값이 대략 일정해지도록 상기 XY구동부를 구동 제어하는 XY제어부와,

상기 XY축 이동 지시부로부터의 신호와 상기 XY제어부로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여 상기 XY구동부에 전달하는 XY축 신호 전환부를 구비하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제10형태에 의하면, 상기 경사 각도 측정부는 상기 가동 경사부에 부착된 제2미러와, 광원으로부터의 광을 상기 제2미러를 향해서 조사하여, 상기 제2미러로부터의 반사광의 방향을 검출함으로써 상기 경사 각도를 측정하는 광위치 검출기를 구비하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제11형태에 의하면, 상기 측정물을 설치하는 측정물 설치부와,

이 측정물 설치부와, 측정 중에는 상대위치가 각각 바뀌지 않고 각각의 미러면이 서로 직교하도록 배치된 X기준 미러와 Y기준 미러와 Z기준 미러와,

상기 XY좌표 검출부를 구성하고 또한, 발진 주파수의 변위가 일정값 이하가 되도록 제어된 상기 안정화 레이저 광원으로부터의 상기 안정화 레이저 광을 상기 X기준 미러와 상기 Y기준 미러에 조사하여, 이러한 상기 X기준 미러와 상기 Y기준 미러로부터의 반사광으로부터 상기 지지부에 대한 상기 측정물의 이동량의 X좌표와 Y좌표를 각각 검출하는 X좌표 검출부와 Y좌표 검출부와,

상기 발진 주파수의 변위가 일정값 이하가 되도록 제어된 상기 안정화 레이저 광원으로부터의 상기 안정화 레이저 광을 상기 Z기준 미러에 조사하여, 상기 Z기준 미러로부터의 반사광으로부터 상기 지지부에 대한 상기 측정물의 이동량의 Z1좌표를 검출하는 Z1좌표 검출부와,

상기 Z2좌표 검출부에 의해 검출된 Z2좌표와 상기 Z1좌표 검출부에 의해 검출된 상기 Z1좌표의 가산에 의해 상기 측정물의 표면상의 측정점의 Z좌표를 산출하는 Z좌표 산출부를 구비하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제12형태에 의하면, 상기 제2가동부가 상기 Z방향으로 이동하는 가이드부가 에어 슬라이드로 구성되고, 상기 제2가동부가 상기 지지부에 대하여 제2가동부 구동장치로 구동되도록 구성되는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제13형태에 의하면, 상기 XY구동부는 X축 리니어 모터와 Y축 리니어 모터에 의해 상기 제2가동부 또는 상기 측정물을 상기 XY방향으로 구동하도록 구성되는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제14형태에 의하면, 상기 Z1좌표 검출부는 상기 상면 스타일러스의 중심으로부터 Z방향으로 연장한 직선상에서 상기 측정물의 이동량의 Z1좌표를 검출하고,

상기 XY좌표 검출부는 상기 상면 스타일러스의 중심의 상기 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 상기 X방향으로 연장한 직선상에서 상기 X좌표를 검출하고, 상기 상면 스타일러스의 중심의 상기 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 상기 Y방향으로 연장한 직선상에서 상기 Y좌표를 검출하는, 제11형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제15형태에 의하면, 상기 지지부에 대한 상기 제2가동부의 이동량을 Z2좌표로서 검출하는 Z2좌표 검출부를 더 구비하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제16형태에 의하면, 상기 측면 스타일러스의 위치가 상기 상면 스타일러스의 위치로부터 X방향으로 떨어져 있을 때, 상기 측면 스타일러스의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 Y축 방향으로 연장한 직선상에서 Y좌표를 측정하는 측면 Y좌표 검출부를 구비하고,

상기 측면 스타일러스의 위치가 상기 상면 스타일러스의 위치로부터 Y방향으로 떨어져 있을 때, 상기 측면 스타일러스의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 X축 방향으로 연장한 직선상에서 X좌표를 측정하는 측면 X좌표 검출부를 구비하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제17형태에 의하면, 상기 측정물로서 구(球)를 둘 때, 상기 상면 스타일러스로 이 구의 표면의 복수 점을 측정한 후, 이 측정점의 점열(点列)로부터 이 구의 제1중심 좌표(xc, yc, zc)를 산출하는 제1연산부와,

상기 측면 스타일러스로 이 구의 표면의 복수 점을 측정하고, 이 구의 측정 데이터로부터 구한 이 구의 제2중심 좌표(xd, yd, zd)를 산출하는 제2연산부와,

이들 제1 및 제2중심 좌표의 차를 구함과 더불어, 어느 한쪽의 측정 데이터에 가산하는 제3연산부를 구비하고,

상기 제3연산부에서 상기 제1 및 제2중심 좌표의 차를 상기 어느 한쪽의 측정 데이터에 가산함으로써, 상기 2개의 스타일러스에 의한 측정 데이터를 피측정면에 대한 동일 좌표계에 있어서의 측정 데이터로 하는, 제1형태 내지 제8형태 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 형상 측정장치를 제공한다.

본 발명의 삼차원 형상 측정장치에 의하면, 상면 스타일러스와 측면 스타일러스를 구비하고 있기 때문에, 측정물의 상면과 측면의 양쪽을 측정 정밀도 10∼100나노미터로 주사 측정할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 측정물의 일례로서 비구면 렌즈의 렌즈면과 비구면 렌즈 외형의 측면을 10∼100나노미터의 정밀도로 측정할 수 있게 된다. 이에 따라, 종래에는 할 수 없었던 비구면 렌즈의 외경에 대한 렌즈면의 광축의 경사 또는 편심을 100나노미터대의 초고정밀도로 측정할 수 있게 된다.

또한, 측정물의 다른 예로서, 카메라 또는 광디스크 등에 사용되는 비구면 렌즈의 외경에 대한 광축의 변위를 올바르게 측정할 수 있으므로, 광축 변위가 없는 렌즈를 만들 수 있고, 더욱 고화질, 대용량, 경량의 비구면 렌즈 사용 제품을 양호한 수율로 만들 수 있게 된다. 또한, 측정물의 또 다른 예로서, 블랭킹 금형의 상면과 측면의 클리어런스, 미세 구멍 또는 기어 등의 형상과 기준면 등도 단시간에 주사 측정할 수 있다.

본 발명의 이와 다른 목적과 특징은 첨부된 도면에 관한 바람직한 실시형태에 관련된 다음의 기술(記述)로부터 명백해진다. 이 도면에서는,
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 삼차원 형상 측정장치에 있어서의 제2가동부의 확대도
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 기계적인 구성의 정면도
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 기계적인 구성의 우측면도
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제어 구성도
도 5는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제어 구성도
도 6A는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작을 설명하기 위한 도면
도 6B는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작의 흐름도
도 7A는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 광로(光路) 구성을 나타내는 평면도
도 7B는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 광로 구성을 나타내는 정면도
도 7C는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 측정점 위치 연산부의 구성을 나타내는 도면
도 8A는 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 광로 구성을 나타내는 평면도
도 8B는 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 광로 구성을 나타내는 정면도
도 9A는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 상면 프로브의 에어 슬라이드에 압축 공기를 공급한 상태를 나타내는 정면도
도 9B는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 상면 프로브의 에어 슬라이드의 배관을 진공 배관으로 전환한 상태를 나타내는 정면도
도 10은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 제1가동부의 Z방향의 움직임을 정지하고, 상면 프로브와 측면 프로브의 상대위치를 산출하는 순서를 나타내는 도면
도 11은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 제1가동부의 Z방향의 움직임을 정지하는 타이밍을 나타내는 도면
도 12는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 상대위치 측정부의 신호를 나타내는 도면
도 13은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 제1가동부의 Z방향의 움직임을 정지하고, 상면 프로브와 측면 프로브의 상대위치를 산출한 후, 상면 스타일러스와 측면 스타일러스에 의해 측정물의 측정 순서를 나타내는 도면
도 14는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 Y좌표 검출부의 내부 구조를 나타내는 블록도
도 15는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 X좌표 검출부의 내부 구조를 나타내는 블록도.

본 발명의 기술을 계속하기 전에, 첨부 도면에 있어서 동일한 부품에 대해서는 동일한 참조부호를 첨부하고 있다.

이하 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

(제1실시형태)

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 삼차원 형상 측정장치에 있어서의 제1가동부(1)와 가동 경사부(2i)를 포함하는 제2가동부(2)를 확대한 정면도이다. 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 형상 측정장치의 정면도, 도 3은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 형상 측정장치의 우측면도이다. 도 4는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 형상 측정장치의 상면 스타일러스(1a)로 측정물(7)의 상면(7a)을 측정할 때의 제어 구성의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 5는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 형상 측정장치의 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 측면(7b)을 측정할 때의 제어 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.

도 1에 있어서, 1의 제1가동부는 상면 스타일러스(1a)와 제1미러(1b)와 Z방향을 따라서 배치되어 XY방향으로는 흔들리지 않을 정도의 강성을 가지는 에어 슬라이드(1c)와 스프링력 발생부의 일례로서 기능하는 가동 요크(1d)로 구성되어 있다. 에어 슬라이드(1c)의 일단(도 1에서는 하단)에 상면 스타일러스(1a)를 가짐과 더불어, 에어 슬라이드(1c)의 타단(도 1에서는 상단)에 가동 요크(1d)를 통해서 제1미러(1b)을 가지고 있다. 에어 슬라이드(1c)가 가이드부의 일례로서 기능하는 에어 베어링(2a)을 따라 Z방향으로 가동한다.

가동 요크(1d)는 핀 형상이고, 제1가동부(1)의 에어 슬라이드(1c)의 타단인 상부에 부착되어 있다. 가동 요크(1d)를 지지하는 스프링력 지지부의 일례로서 기능하고, 또한 제2가동부(2)에 부착된 자석(2b)과 고정 요크(2c)로 형성되는 자기 회로(2h)에 의한 인력으로, 도 1에 있어서, 가동 요크(1d)는 비접촉 상태에서 좌우로 끌어 당겨져, 제1가동부(1)의 회전과 제1가동부(1)의 중력에 의한 낙하를 방지하는, 스프링력 발생부의 일례로서 기능한다. 이 가동 요크(1d)와 자기 회로(2h)에 의해, 제1가동부(1)가 제2가동부(2)에 대하여 균형 위치에서 떠 있다. 가동 요크(1d)는 상면 스타일러스(1a)의 하단에 Z방향으로 측정력이 작용하면, 이 측정력에 비례해서 균형 위치로부터 벗어나게 되어 있다.

또한, 스프링력 발생부의 일례로서는, 상기 자기 회로가 아니고, 판스프링으로 하는 것도 가능하다.

이 제1가동부(1)의 균형 위치로부터의 변위량은 제1가동부(1)의 상단에 첩부된 제1미러(1b)의 변위를 상대위치 측정부(2d)에 의해 검출한다. 동시에, 제1가동부(1)의 Z좌표는 지지부(4)에 고정된 안정화 레이저 광원(5)으로부터의 출력광을 2매의 하프 미러(도시하지 않음)로 분리한 Z2좌표 측정용 안정화 레이저 광(6)이 색선별 거울(dichroic mirror)(2dc)을 전(全)투과하고, 제1미러(1b)에 렌즈(2de)에 의해 집광되고, 이 제1미러(1b)로부터의 반사광으로부터 제1가동부(1)의 Z좌표를 나노미터 오더의 초고정밀도로 측정할 수 있다.

지지부(4)는 석정반(10) 위에 고정된 석문기둥(11)에 고정되어 있다.

제2가동부(2)는 대략 상면 프로브(102)와 측면 프로브(101)를 하단부에 각각 Z방향으로 승강 가능하게 지지하고, 지지부(4)에 대하여 Z방향으로 승강 가능하게 지지되어 있다. 제2가동부(2)는 Z방향을 따라서 배치된 에어 베어링(2a)과 링 형상의 자석(2b)과, 링 형상의 고정 요크(2c)와 상대위치 측정부(2d)와 제2가동부(2)의 본체(2z)의 하단의 일단부에 Z방향을 따라서 고정된 상면 프로브 프레임(2e)과, 제2가동부(2)의 본체(2z)의 하단의 타단부에 상면 프로브 프레임(2e)과 나란히 Z방향을 따라서 고정된 측면 프로브 프레임(2f)과 가로기둥(橫柱)(2g)과 가동 경사부(2i)와 경사 각도 측정부(2j)와 고정측 자석(2k)과 Z구동부(2m)와 대형 에어 슬라이드(2n) 등으로 구성되고, 지지부(4)에 고정된 대형 에어 베어링(4a)을 따라 대형 에어 슬라이드(2n)가 Z방향으로 슬라이드 가능하다.

제2가동부(2)의 Z방향의 가동 범위는 본 삼차원 형상 측정장치의 Z방향의 측정 범위를 커버하고, XY 구동장치(8)의 XY방향의 가동 범위는 본 삼차원 형상 측정장치의 XY방향의 측정 범위를 커버한다.

제2가동부(2)의 중량은 상단이 지지부(4)에 지지된 정하중(定荷重) 스프링(3)에 의해 지지부(4)로부터 매달려 지지되고 있다.

제2가동부(2)는 양 측부가 배치된 합계 2개의 코일로 이루어지는 Z구동부(2m)에 의해 지지부(4)에 대하여 Z방향으로 구동된다.

상대위치 측정부(2d)는 제2가동부(2)에 고정되어, 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 상대위치를 측정해서 출력하는 수단이며, 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)와 회절격자(2db)와 색선별 거울(2dc)과 렌즈(2dd)와 렌즈(2de)로 구성되어 있다. 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)는 반도체 레이저 광을 출사하는 반도체 레이저와 반도체 레이저 광을 수광해서 검출하는 광검출기가 어레이(array) 형상으로 배치된 것이다. 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)로부터의 반도체 레이저 광이 회절격자(2db)와 렌즈(2dd)를 투과하고, 색선별 거울(2dc)에서 반사되어, 렌즈(2de)로 제1가동부(1)에 있는 제1미러(1b)상에 집광된다. 제1미러(1b)로부터의 반사광이 다시 렌즈(2de)를 투과해서 색선별 거울(2dc)에 반사되고, 렌즈(2dd)를 투과하여, 회절격자(2db)에서 분리되고, 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)에 의해 제1미러(1b)의 Z방향의 초점 변위를 검출한다. 또한, 이 상대위치 측정부(2d)는 정전용량 센서로 대용할 수도 있다.

가동 경사부(2i)는 측면 스타일러스(2ia)와, 연결 기구(104)의 지점 부재(2ib)와 제2미러(2ic)와 가동측 자석(2id)에 의해 구성되어 있다. 가동 경사부(2i)는 연결 기구(104)의 지점 부재(2ib)의 뾰족한 하단을 중심으로 하여, 측면 프로브 프레임(2f)에 연결 고정된 사각형 단면 형상의 가로기둥(2g)의 상면에서 임의방향으로 경사 가능하고, 가동측 자석(2id)은 고정측 자석(2k)에 대하여 인력이 작용하기 때문에, 제2스타일러스(2ia)의 경사를 방해하는 스프링력을 발생한다.

측면 프로브(101)에서는 X, Y방향으로 측면 스타일러스(2ia)를 경사 가능하게 하는 구성을 가진다. 이러한 측면 프로브(101)는 측면 프로브 프레임(2f)과 측면 스타일러스(2ia)를 하단에 가지는 가동 경사부(2i)와 연결 기구(104)를 구비한다.

측면 프로브 프레임(2f)은 제2가동부(2)에 고정되거나, 또는 착탈 가능하게 부착되는 블록 부재이다. 가동 경사부(2i)가 요동하는 것에 반해, 측면 프로브 프레임(2f)은 고정된 부재이며, 제2가동부(2)에 고정된 광원(2ja)으로부터의 광을 통과 가능하게 하기 위해서, 이 측면 프로브 프레임(2f)을 관통하는 레이저 광용 개구(2fp)를 중앙부에 가진다.

측면 프로브 프레임(2f)은 원통형을 하고 있고, 그 내부에 가동 경사부(2i)가 수납되는 위치 관계를 가진다. 가동 경사부(2i)와 측면 프로브 프레임(2f)은 연결 기구(104)에 의해 연결되어 있다. 연결 기구(104)는 미러(2ic)에 조사되는 광원(2ja)으로부터의 광의 광축에 대하여 교차하는 어느 방향으로나 가동 경사부(2i)를 경사시켜 요동 가능하게 해서 가동 경사부(2i)를 측면 프로브 프레임(2f)에 지지하는 기구이다.

제1실시형태에 있어서, 연결 기구(104)는 측면 프로브 프레임(2f)에 고정된 각기둥의 가로기둥(탑재대)(2g)과 가동 경사부(2i)에 부착된 지점 부재(2ib)에 의해 구성되어 있다. 가로기둥(2g)은 그 상면에 원뿔형의 홈이 형성되어 있고, 지점 부재(2ib)의 첨단(尖端)이 이 원뿔형의 홈에 끼워 넣어진다. 양자의 감입(嵌入) 시에는 가로기둥(2g)의 원뿔 홈 최하점에 지점 부재(2ib)의 첨단 위치가 접촉하도록 구성된다. 이러한 구성으로 함으로써, 가동 경사부(2i)와 측면 프로브 프레임(2f)은 이 지점 부재(2ib)와 가로기둥(2g)의 원뿔 홈의 접촉 부분을 요동 중심으로 하여, 요동 가능하게 연결된다. 또한 가동 경사부(2i)는 지점 부재(2ib)가 가로기둥(2g)의 홈에 끼워 넣어져 연결되었을 경우, 측면 스타일러스(2ia)가 연직 방향을 향하도록 무게 중심이 지점 부재(2ib)의 선단의 연직 방향 아래쪽에 위치하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

가동 경사부(2i)는 측정물(7)의 측면의 피측정면(7b)에 접촉하는 측면 스타일러스(2ia)와 측면 프로브 프레임(2f)을 통과한 광원(2ja)으로부터의 광을 반사하는 미러(2ic)를 가지고, 피측정면(7b)의 형상에 따른 측면 스타일러스(2ia)의 변위에 대응해서 측면 프로브 프레임(2f)에 대하여 요동하는 부재이다. 미러(2ic)는 가동 경사부(2i)의 중심부에 고정되어, 광원(2ja)으로부터의 광을 받는다.

가동 경사부(2i)는 제1실시형태에서는 중앙에 지면(紙面) 관통 방향으로 관통해서 설치된 관통 구멍(2ip)을 구비하는 본체부(2it)를 구비하고, 본체부(2it)의 외측 하벽, 즉, 사각 통 형상의 본체부(2it)의 하면에서, 선단에 측면 스타일러스(2ia)를 설치한 암(2if)이 아래로 늘어져 있다. 또한, 본체부(2it)의 상면에는 상기 미러(2ic)가 부착되어 있다.

또한, 본체부(2it)의 내측 상벽 즉, 관통 구멍(2ip)의 상면에는 바늘 형상의 지점 부재(2ib)가 설치되어 있다. 연결 기구(104)의 가로기둥(2g)은 본체부(2it)의 관통 구멍(2ip)을 관통해서 배치된다. 따라서, 가동 경사부(2i)와 측면 프로브 프레임(2f)이 탈락하는 것이 확실하게 방지된다.

또한, 제1실시형태에서는 측면 스타일러스(2ia)는 예를 들면 약 0.3mm∼약 2mm의 지름을 가지는 구상체이며, 암(2if)은 일례로서 굵기가 약 0.7mm이고 암(2if)이 고정되는 본체부 하면으로부터 측면 스타일러스(2ia)의 중심까지 약 10mm의 길이 L인 봉 형상의 부재이다. 이들의 값은 측정물(7)의 형상에 따라 적당히 변경된다. 또한, 가동 경사부(2i)의 구성도 지점에 의해 가로기둥(2g)에 요동 가능하게 배치되는 구성이면, 상기의 구성에 한정하는 것은 아니다.

측면 스타일러스(2ia)에 XY방향으로부터 측정력이 작용하면, 그 측정력에 비례해서 가동 경사부(2i)가 경사진다. 가동 경사부(2i)에 배치된 경사 각도 측정부(2j)는 가동 경사부(2i)에 고정된 광원(2ja)으로부터의 광을 가동 경사부(2i)에 고정된 렌즈(2jb)로 집광하고, 가동 경사부(2i)의 본체부(2it)의 상면에 첩부된 제2미러(2ic)에 조사한다. 제2미러(2ic)로부터의 반사광을 가동 경사부(2i)에 고정된 광위치 검출기인 2차원 PSD(2jc)에 조사하여, 광위치(제2미러(2ic)로부터의 반사광의 방향)를 측정함으로써, 가동 경사부(2i)의 경사 각도를 검출할 수 있다.

도 2 및 도 3에서 나타내는 바와 같이, 측정물(7)은 석정반(10) 위에 지지된 측정물 설치부(18) 위에 설치되어 있다. 또한, X기준 미러(12)와 Y기준 미러(13)와 Z기준 미러(19)가 마찬가지로 측정물 설치부(18)에 각각 서로 직교하도록 배치되어 고정되고, XY구동부(8)에 의해 Z방향과 직교하는 XY방향으로 이동한다.

XY구동부(8)는 X축 가이드(8a)와 Y축 가이드(8b)를 구비하고, X축 가이드(8a)에 의한 안내에 의해 X축 구동부의 일례로서의 X축 리니어 모터(8c)로 X방향으로 측정물 설치부(18)를 석정반(10)에 대하여 이동시킴과 더불어, Y축 가이드(8b)에 의한 안내에 의해 Y축 구동부의 일례로서의 Y축 리니어 모터(8d)로 Y방향으로 측정물 설치부(18)를 석정반(10)에 대하여 이동시킨다.

안정화 레이저 광원(5)은 세계 길이 표준으로 확인 가능한(traceable) 고정밀도 파장의 안정화 레이저 광을 발하는, 즉, 발진 주파수의 변위가 일정값 이하가 되도록 제어된 안정화 레이저 광을 출사하여, X기준 미러(12)와 Y기준 미러(13)와 Z기준 미러(19)에 조사하는 것이다. 이 레이저 광은 Z2좌표 측정용 안정화 레이저 광(6)과 Z1좌표 측정용 안정화 레이저 광(16)과 X좌표 측정용 안정화 레이저 광(14)과 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(15)의 4개로 복수의 하프 미러(도시하지 않음)에 의해 분리된다.

상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 높이, 즉, Z방향의 위치는 제2가동부(2)의 Z방향의 이동 범위에 비하면, 고저의 차는 별로 없어, 거의 같은 높이이다. 이들 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 Z이동 범위의 중앙부근의 높이로 상기 X좌표 측정용 안정화 레이저 광(14)과 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(15)을 설정한다. 이는 XY구동부(8)가 피칭(pitching)에 의해 경사져도, 측정점의 높이 부근에서 XY좌표를 측정하면 측정 오차가 발생하기 어렵기 때문이다.

Z2좌표 측정용 안정화 레이저 광(6)은 도 1의 제1가동부(1)의 제1미러(1b)에 집광되어 제1미러(1b)에서 반사되고, 제1미러(1b)로부터의 반사광이 좌표 검출부(17)의 Z2좌표 검출부(17d)에 들어가 제1미러(1b)의 Z좌표의 변위인 Z2를 Z2좌표 검출부(17d)에서 검출한다. 제1미러(1b)는 상면 스타일러스(1a)와 일체의 제1가동부(1)의 일부이며, 상면 스타일러스(1a)는 측정물(7)의 피측정면(7a)에 접하므로, 측정물(7)의 측정점의 Z좌표의 변위 Z2를 Z2좌표 검출부(17d)에서 측정하게 된다.

XY구동부(8)는 기계적으로 어떻게 고정밀도로 만들어도 이동 정밀도에는 한계가 있어, X축 및 Y축을 모두 10나노미터의 진직 정밀도로 움직일 수는 없다. 이유는 X축 등의 1축만의 구동으로 하면 10나노미터 오더의 진직 정밀도를 낼 수는 있지만, XY의 2축이 되면 중량 분포가 변화되고, 또한 피측정물(7)의 중량이 바뀌면 이동 진직도가 더욱 바뀌기 때문이다. 그 때문에, 10나노미터의 평면도를 낼 수 있는 미러를 XYZ기준 미러로서 배치하고, 이러한 XYZ기준 미러의 미러면을 XYZ좌표축으로 하는 구성으로 함으로써, XY구동부(8)의 이동 정밀도를 초과하는 측정 정밀도를 달성할 수 있다.

예를 들면, 측정물(7)을 XY뿐만 아니라, Z방향까지 움직이면, 측정물 설치부(18)에 XY기준 미러가 부착되어 있으므로 Z이동 진직도도 보정되게 되지만, 측정물(7)을 포함한 상하 구동으로 하면, 무거워져서 서보 응답성이 나빠지므로, 이 방법은 채용되지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이 Z방향의 1축만이며, 제2가동부(2)의 중량도 거의 일정하므로, Z방향에 대해서는 제2가동부(2)의 이동 진직 정밀도를 높게 할 수 있다.

제2가동부(2)의 이동 진직 정밀도를 좋게 함과 더불어 응답 속도도 좋게 해야 한다. 그러므로, 2개의 코일로 구성되는 Z구동부(2m)를 구비함과 더불어, 지지부(4)에 2개 배치된 자기 회로(4b)에 대하여 Z구동부(2m)를 배치하고, 제2가동부(2)를 무게 중심 구동하도록 하고, 대형 에어 슬라이드(2n)가 대형 에어 베어링(4a)을 따라 움직이는 구성으로 하고 있다.

대형 에어 슬라이드(2n)와 대형 에어 베어링(4a)은 강성이 높고 회전 토크가 걸려도 쉽게 경사지지 않도록 되어 있지만, 미세한 경사도 측정 오차의 요인이 되므로, 무게 중심 구동은 필요하다. 무게 중심 구동의 의미는 Z구동부(2m)를 제2가동부(2)의 무게 중심으로부터 거의 등(等)거리의 좌우의 위치에 각각 부착함으로써, 구동력이 제2가동부(2)의 무게 중심 부근에 걸리도록 하고, 제2가동부(2)에 회전 토크가 걸리지 않도록 함으로써, 제2가동부(2)를 경사지게 하지 않고 승강시킬 수 있다.

한 쌍의 코일로 구성된 Z구동부(2m)와, 지지부(4)에 상기 코일의 Z구동부(2m)에 대응하는 위치에 부착된 한 쌍의 자기 회로(4b)에 의해 좌우로 한 쌍의 리니어 모터를 구성하고 있다. 한 쌍의 리니어 모터는 제2가동부(2)의 무게 중심 부근에 구동력을 발생하므로, 제2가동부(2)에 회전력을 발생시키지 않는다. 이 한 쌍의 리니어 모터는 지지부(4)에 대하여 제2가동부(2)를 Z방향으로 이동시키기 위한 제2가동부 구동장치의 일례로서 기능한다. 여기서, 「대형」라고 붙인 것은, 에어 슬라이드(1c), 에어 베어링(2a)과 구별하기 위해서이며, 앞의 에어 슬라이드(1c) 및 에어 베어링(2a)을 각각 「제1」에어 슬라이드(1c) 및 「제1」에어 베어링(2a)으로 하면, 이들 대형 에어 슬라이드(2n) 및 대형 에어 베어링(4a)을 각각 「제2」에어 슬라이드(2n) 및 「제2」에어 베어링(4a)으로 해도 좋다.

정하중 스프링(3)은 제2가동부(2)의 거의 무게 중심으로부터 제2가동부(2)의 중량에 균형을 이루는 장력으로 지지부(4)에 대하여 제2가동부(2)를 들어올리고 있다.

Z기준 미러(19)는 XY구동부(8)의 측정물 설치부(18)의 바로 아래에 배치되고, Z1좌표 측정용 안정화 레이저 광(16)에 의해 측정물 설치부(18)의 Z방향으로의 변위량 Z1을 Z1좌표 검출부(17c)에서 측정한다. 이때, Z1좌표 검출부(17c)는 상면 스타일러스(1a)의 중심으로부터 Z방향으로 연장한 직선상에서 측정물(7)의 이동량의 Z1좌표를 검출한다. 또한 각 축의 좌표는 동일한 원리로 측정하고 있다. 일례로서, 그 측정 원리는 공지의 레이저 측장(測長)이며, 예를 들면, Z1좌표에 대해서는 Z1좌표 측정용 안정화 레이저 광(16)을 참조 광과 측정 광으로 분리하고, 참조 광은 고정 미러(도시하지 않음)에 쏘아 반사시키고, 측정 광은 Z기준 미러(19)에 쏘아 반사시키고, 이들 광을 Z1좌표 검출부(17c)에서 2개의 광검출기(도시하지 않음) 상에서 간섭시켜, 광 간섭에 의한 명암의 변화로부터 석정반(10)에 대한 Z기준 미러(19)의 약간의 상하 움직임인 Z1좌표를 측정한다. 다른 축의 좌표도 마찬가지로 측정한다.

정지 좌표계에 있어서의 상면 스타일러스(1a) 위치의 Z좌표는 Z2이지만, 측정물(7)이 Z1만큼 Z방향으로도 어긋나는 것이기 때문에, 측정물(7)을 기준으로 한 좌표계에서의 상면 스타일러스(1a) 위치의 Z좌표의 측정값 Sz는 Z1+Z2가 된다. 따라서, 이 Z좌표의 측정값 Sz를 Z1좌표 검출부(17c)에서 검출된 Z1정보와 Z2좌표 검출부(17d)에서 검출된 Z2정보에 근거하여, 좌표 검출부(17) 내의 Z좌표 산출부(17e)에 의해 산출한다. 구체적으로는, Z1좌표 검출부(17c)에서 검출된 Z1좌표와 Z2좌표 검출부(17d)에서 검출된 Z2좌표의 가산에 의해, 측정물(7)의 표면상의 측정점의 Z좌표를 Z좌표 산출부(17e)에서 산출한다.

마찬가지로, XY구동부(8)의 X방향 및 Y방향의 이동 진직도의 변위도 보정하여, 측정물(7)을 기준으로 한 좌표계에서의 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정점의 XY좌표(Px, Py)를 측정하기 위해서, 측정물 설치부(18)에 X기준 미러(12)와 Y기준 미러(13)를 설치하고, X좌표 측정용 안정화 레이저 광(14)을 X기준 미러(12)에 조사하여, X기준 미러(12)로부터의 반사광을 좌표 검출부(17)의 X좌표 검출부(17a)에 넣어서, X좌표 검출부(17a)에서 X좌표(Px)를 측정한다. 또한, Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(15)을 Y기준 미러(13)에 조사하여, Y기준 미러(13)로부터의 반사광을 좌표 검출부(17)의 Y좌표 검출부(17b)에 넣어서, Y좌표 검출부(17b)에서 Y좌표(Py)를 측정한다.

이와 같이, 좌표 검출부(17)는 X좌표 검출부(17a)와 Y좌표 검출부(17b)와 Z1좌표 검출부(17c)와 Z2좌표 검출부(17d)를 구비해서 구성되어 있다. X좌표 검출부(17a)와 Y좌표 검출부(17b)는 XY구동부(8)에 의한 지지부(4) 또는 측정물(7)의 XY방향 이동량을 측정하여, X좌표와 Y좌표를 검출한다(바꿔 말하면, X기준 미러(12)와 Y기준 미러(13)로부터의 반사광으로부터 지지부(4)에 대한 측정물(7)의 이동량의 X좌표와 Y좌표를 검출한다). X좌표 검출부(17a)는 상면 스타일러스(1a)의 중심의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 X방향으로 연장한 직선상에서 X좌표를 검출한다. Y좌표 검출부(17b)는 상면 스타일러스(1a)의 중심의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 Y방향으로 연장한 직선상에서 Y좌표를 검출한다. X좌표 검출부(17a)와 Y좌표 검출부(17b)는 일례로서 따로따로 구성되어 있지만, 1개의 XY좌표 검출부로 구성하도록 해도 좋다. Z1좌표 검출부(17c)는 Z기준 미러(19)로부터의 반사광으로부터 지지부(4)에 대한 측정물(7)의 이동량의 Z1좌표를 검출한다. Z2좌표 검출부(17d)는 제1미러(1b)로부터의 반사광으로부터 Z좌표의 변위인 Z2좌표를 검출한다.

또한, 측정물(7)과 3매의 XYZ기준 미러(12, 13, 19)를 측정물 설치부(18)에서 XY방향으로 이동시키는 대신에, 측정물(7)과 3매의 XYZ기준 미러(12, 13, 19)를 고정하고, 프로브부(제2가동부(2))를 포함한 지지부(4)를 XY방향으로 이동시켜도 좋다.

상면 스타일러스(1a)로 측정물(7)의 상면의 측정면(7a)을 측정할 때는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 서보 정보 기억부(38)로부터의 상면 측정을 나타내는 신호에 의해, XY축 신호 전환부(27)가 XY축 이동 지시부(35)와, X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 연결하므로, 주사 정보 기억부(39)로부터 XY축 이동 지시부(35)를 통해서 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)에 각각 입력된 XY축의 이동량과 이동 속도를 나타내는 신호에 의해 XY구동부(8)의 X축 리니어 모터(8c)와 Y축 리니어 모터(8d)를 각각 구동 제어하여, XY방향으로 상대적으로 이동하면서, 상면 스타일러스(1a)로 측정물(7)의 상면의 측정면(7a)을 측정한다. 상면 스타일러스(1a)로 측정물(7)의 상면의 측정면(7a)을 측정할 때, 예를 들면, 도시하지 않은 입력장치로부터, 측정물(7)의 상면의 측정면(7a)을 측정하는 취지의 지령이 제어부(28)에 입력됨으로써, 제어부(28)가 측정물(7)의 상면의 측정면(7a)을 측정하는 것을 판별하여, 서보 정보 기억부(38)로부터의 상면 측정을 나타내는 신호를 출력한다. XY축 이동 지시부(35)는 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)의 표면(상면)을 XY방향으로 주사하기 위한 신호를 발생하는 것이다. 또한, XY축 신호 전환부(27)는 XY축 이동 지시부(35)로부터의 신호와 후술하는 XY제어부(34)로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여, 그 신호를 XY구동부(8)에 전달하는 것이다.

또한, 서보 정보 기억부(38)로부터의 상면 측정을 나타내는 신호에 의해 Z축 신호 전환부(32)가 포커스 제어부(29)와 Z축 구동 제어부(42)를 연결하므로, 상대위치 측정부(2d)로부터 출력되는 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치의 정보에 근거하여, 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치가 일정해지도록 Z축 구동 제어부(42)에 의해 Z구동부(2m)를 구동 제어한다.

포커스 제어부(29)는 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)의 표면(상면)을 XY방향으로 주사할 때, 측정물(7)의 표면의 높이 변화에 따라 제1가동부(1)가 Z방향으로 움직일 때, 상대위치 측정부(2d)로부터 얻어진 제1가동부(1)와 제2가동부(2)의 상대위치가 일정해지도록 제2가동부(2)를 Z방향으로 구동하는 신호를 발생하는 것이다. 또한, Z축 신호 전환부(32)는 포커스 제어부(29)로부터의 신호와 Z축 이동 지시부(36)로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여, 그 신호를 Z구동부(2m)에 전달하는 것이다.

또한, 측정점 위치 연산부(30)에서 얻어지는, 측정점과 접하는 상면 스타일러스(1a)의 곡률 중심의 XYZ좌표는 X좌표 검출부(17a)에서 얻어진 X좌표(Px)와 Y좌표 검출부(17b)에서 얻어진 Y좌표(Py)와 Z좌표 산출부(17e)에서 얻어진 Z좌표(Sz)가 된다. 측면 스타일러스 변위 검출부(33)로부터 얻어진 측면 스타일러스(2ia)의 X변위(X방향의 변위)와 Y변위(Y방향의 변위)(Dx, Dy)는 서보 정보 기억부(38)로부터 측정점 위치 연산부(30)에 입력된 상면 측정을 나타내는 신호에 의해, 가산하지 않는다. 이 측정점 위치 연산부(30)는 XY좌표 검출부(17a, 17b)에서 검출된 X좌표 및 Y좌표에 측면 스타일러스 변위 검출부(33)에서 산출된 측면 스타일러스(2ia)의 X변위와 Y변위를 가산하여, 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정점의 X좌표 및 Y좌표를 산출하는 것이다.

한편, 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 측면(7b)을 측정할 때는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 서보 정보 기억부(38)로부터의 측면 측정을 나타내는 신호에 의해 XY축 신호 전환부(27)가 XY제어부(34)와, X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 연결한다. 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 측면(7b)을 측정할 때, 예를 들면, 도시하지 않은 입력장치로부터 측정물(7)의 측면(7b)을 측정하는 취지의 지령이 제어부(28)에 입력됨으로써, 제어부(28)가 측정물(7)의 측면(7b)을 측정하는 것을 판별하여, 서보 정보 기억부(38)로부터의 측면 측정을 나타내는 신호를 출력한다. 따라서, XY제어부(34)로부터의 지시에 근거하여, X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통하여 XY구동부(8)를 구동 제어한다. XY제어부(34)는 측면 스타일러스(2ia)를 측정물(7)의 표면을 따라 XY방향으로 이동시키도록 XY구동부(8)를 구동 제어함과 더불어, 측정물(7)의 표면의 XY방향의 변화에 따라 가동 경사부(2i)가 경사질 때, 경사 각도 측정부(2j)로부터 얻어진 경사 각도의 절대값이 대략 일정하게 되도록 XY구동부(8)를 구동 제어하는 것이다.

또한, 서보 정보 기억부(38)로부터의 측면 측정을 나타내는 신호에 의해 Z축 신호 전환부(32)가 Z축 이동 지시부(36)와 Z축 구동 제어부(42)를 연결한다. Z축 이동 지시부(36)는 측면 스타일러스(2ia)를 측정물(7)의 표면(상면)의 Z방향으로 주사하기 위해서 제2가동부(2)를 Z방향으로 구동하기 위한 신호를 발생하는 것이다. 따라서, Z축 이동 지시부(36)로부터의 지시에 근거하여 Z축 구동 제어부(42)는 Z구동부(2m)를 구동 제어한다.

XY제어부(34)는 측정물(7)의 측면(7b)을 따라 측면 스타일러스 변위의 절대값이 일정값 C가 되도록 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통하여 XY구동부(8)를 구동 제어하여, XY방향으로 상대적으로 이동하면서, 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 측면(7b)을 측정한다.

도 6A는 측정물(7)의 기준의 좌표계로, Z방향에서 본 도면이다. 따라서, 측정물(7)이 움직이지 않고, 프로브부(제2가동부(2))가 XY방향으로 이동하는 도면이 된다. 측면 스타일러스(2ia)의 측정 개시 전의 위치 S0로부터, 측정 중의 위치가 S1, S2, ‥, S , ‥로 기재되어 있다. 또한, 측면 스타일러스(2ia)가 제2가동부(2)에 대하여 변위되고 있지 않을 때의 제2가동부(2)의 위치를 측면 프로브 위치 P로 하고 측정 개시 전의 위치 P0으로부터, 측정 중의 위치가 P1, ‥, P, ‥로 기재되어 있다.

측면 스타일러스(2ia)의 변위는 위치 P로부터 위치 S로 연결되는 벡터 D가 되고, 그 X성분(X방향의 변위)과 Y성분(Y방향의 변위)(Dx, Dy)으로부터, (1)식으로 XY구동부(8)의 이동 속도의 이동 벡터 M의 X성분(Mx)과 Y성분(My)을 각각 XY제어부(34)에서 산출하고, XY제어부(34)에서 산출한 이동 벡터 M의 X성분(Mx)과 Y성분(My)을 기초로 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)로 제어하면서, XY축을 동시에 XY구동부(8)에서 구동한다.

[수학식 1]

여기서, V는 속도를 정하는 계수, a는 서보 게인을 정하는 계수, θ는 측면 스타일러스(2ia)가 측정물(7)의 표면을 주사했을 때의 마찰력에 의한 측면 스타일러스(2ia)의 경사 각도의 변화 각도를 나타낸다. θ는 측면 스타일러스와 측정물(7)의 표면의 운동 마찰계수 μ로부터, 이하의 (2)식으로 표시된다.

즉, μ=「마찰력」÷「면에 직각인 방향으로의 가압력」=│F│÷│N│=tanθ로부터,

[수학식 2]

θ=atnμ … (2)

운동 마찰계수 μ은 XY제어부(34)에 있어서, 운동 마찰계수 기억부(37)로부터 지정된다. 또한 F는 측면 스타일러스(2ia)에 작용하는 마찰력이고, N은 면에 직각인 방향으로의 측면 스타일러스(2ia)의 가압력이다.

도 6B에서 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 동작을 설명한다.

우선, 단계 S601에서, 측정물(7)로부터 조금 어긋난 위치 S0에 측면 스타일러스(2ia)를 가져 와, 측정물(7)을 향해서 접근시킨다(도 6A의 화살표 (i)참조). 즉, 구체적으로는 측정자가 측면 스타일러스(2ia)를 측정물(7)로부터 조금 어긋난 위치 S0에 가져 옴과 더불어, 측정자가 측정물(7)을 측정물(7)의 도면 또는 측정물(7)의 부착 지그(jig)에 근거해서 측정물 설치부(18)에 둔다. 그 후, 측정자가 XYZ방향의 각각의 이동 거리를 XY축 이동 지시부(35)와 Z축 이동 지시부(36)에 각각 입력해서 이동시키거나, 또는, 측정자가 화살표 키(예를 들면, 좌우 화살표 키의 조작은 X방향의 일정 속도 이동 정보를 의미하고, 상하 화살표 키의 조작은 Y방향의 일정 속도 이동 정보를 의미한다.)를 조작함과 더불어, 다이얼(dial)을 회전 조작해서 Z방향 이동 정보를 입력함으로써, XY축 이동 지시부(35)와 Z축 이동 지시부(36)에 있어서, 대략 위치까지 측정물(7)과 측면 스타일러스(2ia)를 서로 접근시켜, 서로 가까운 위치에서 정지한다.

이어서, 단계 S602에서, 측면 스타일러스(2ia)는 측정물(7)의 표면위치 S1에서 측정물(7)에 접촉하여 정지하지만, 측면 프로브(101)의 측면 스타일러스(2ia)는 상기한 XY제어부(34)에서의 제어에 의해 스타일러스 변위 벡터의 절대값이 일정값 C가 되는 위치 P1에서 정지한다(도 6A의 화살표 (i)참조). 구체적으로는, 측정물(7)을 측면 스타일러스(2ia)에 접근(approach)시키는 것은 제어부(28)로부터의 입력 신호를 트리거(trigger)로 하여, 측정면에 대략 수직하는 방향으로 측정물(7)을 일정 속도로 측면 스타일러스(2ia)를 향해서 움직이고, 측면 스타일러스 변위 검출부(33)에 의해 검출한 스타일러스 변위 벡터의 크기를 모니터하여, 스타일러스 변위 벡터(의 절대값)의 크기가 일정값 C가 되면 정지시키도록 제어부(28)로부터 XY축 이동 지시부(35)에 지시함과 더불어, XY축 신호 전환부(27)에 의해 XY제어부(34)로부터의 신호로 전환하도록 하면 좋다.

이어서, 단계 S603에서, XY제어부(34)에 의해 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통하여 XY구동부(8)를 구동 제어하여, 측면 스타일러스(2ia)를 위치 P1로부터 XY면 내에서 벡터 D1에 직각인 방향(M1 방향)으로 거의 거리 C만큼 최초의 위치 P까지 이동한다(도 6A의 화살표 (ii) 참조).

이어서, XY제어부(34)에 의해 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통하여 XY구동부(8)를 구동 제어하여 (1)식대로 측면 스타일러스(2ia)를 이동시킨다. (1)식의 제1항은 스타일러스 변위 벡터 D를 θ＋90도 회전시킨 방향에서 측정면에 평행한 방향으로 된다. (1)식의 제2항은 스타일러스 변위 벡터의 절대값이 일정값보다 증감하면, 이것을 되돌려, 일정한 측정력으로 측정할 수 있도록 측면 스타일러스(2ia)를 이동 제어하고 있다. 즉, 단계 S604에서, XY제어부(34)에 의해 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통하여 XY구동부(8)를 구동 제어하여, 측면 스타일러스(2ia)를 스타일러스 변위 벡터 D로부터 (2)식만큼 회전한 방향에 90도 더한 방향에, a(│D│-C)N을 더한 M방향으로 이동한다(도 6A의 화살표 (v) 참조).

이 이동 동작을 측면 스타일러스(2ia)가 지정 위치로 이동할 때까지 반복한다. 즉, 단계 S605에서, XY제어부(34)에 의해 측면 스타일러스(2ia)의 P위치가 지정 위치에 오면, 측면 스타일러스(2ia)의 이동 동작을 정지한다.

이어서, 단계 S606에서, 이동 동작을 정지했을 때의 측면 스타일러스(2ia)의 스타일러스 변위 벡터 D의 방향으로 D보다 큰 거리를 XY축 이동 지시부(35)를 통해서 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)에 의해 움직여, 서보 OFF로 한다. 즉, 제어부(28)로부터의 입력 신호를 트리거로 하여, XY축 이동 지시부(35)에서 움직이도록 전환해서, 스타일러스 변위 벡터 D의 방향으로 D보다 큰 거리만큼 측정물(7)을 이동시킨다.

이상으로, 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 동작을 종료한다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 측면 스타일러스 변위 검출부(33)로부터 얻어진 스타일러스 변위 벡터의 XY성분(Dx, Dy)으로부터, XY제어부(34)에 의해 (1)식의 연산을 실행하고, 이동 벡터(Mx, My)에 의해 X축 구동 제어부(40)와 Y축 구동 제어부(41)를 통해서 XY구동부(8)를 움직임으로써, 측정물(7)의 측정면(7b)의 경사 각도에 변화가 있어도, 스타일러스 변위 벡터의 크기에 변화가 생기지 않도록 주사할 수 있어, 더 정확하게 측정면(7b)에 평행한 방향으로 측면 스타일러스(2ia)를 움직일 수 있다.

측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정에서는, Z축 방향은 주사 정보 기억부(39)로부터의 신호에 의해 측정하고 싶은 경로를 Z축 방향으로도 이동시켜 측정할 수 있다. 서보 정보 기억부(38)에 의해 Z축 이동 지시부(36)와 Z축 구동 제어부(42)를 연결하여, 주사 정보 기억부(39)로부터의 Z축의 이동 속도와 거리 등의 주사 정보에 따라서 측정하고 싶은 경로를 Z축 방향으로도 이동시켜 측정할 수 있다. 측정물(7)의 측면, 예를 들면 원주나 각기둥의 측면, 구멍의 측면, 구(球)의 적도에 가까운 위치를 측면 프로브(2ia)로 Z방향으로 주사해서 측정할 수도 있다.

구체적으로는, 우선은 측정물(7)의 측면에 상기한 바와 같이 접근하여 스타일러스 변위 벡터의 절대값이 일정값 C가 되는 위치에서 정지한다.

이어서, 도 5의 구성에서 주사 정보 기억부(39)에 기억된 Z축 방향의 이동 거리와 이동 속도를 Z축 이동 지시부(36)에 지시한다. 이 지시에 따라서 제2가동부(2)를 Z축 방향으로 움직이면, 측면 스타일러스(2ia)는 측정물(7)의 측면을 따라 Z축 방향으로 움직인다. 이때, 측정물(7)의 측면의 형상을 따라 측면 스타일러스(2ia)가 XY방향으로 어긋나므로, 이 변위를 측면 스타일러스 변위 검출부(33)에서 검출함으로써, 측정물(7)의 측면을 Z방향으로 주사했을 때의 측면 형상을 측정할 수 있다.

이때, 측면 스타일러스 변위 벡터의 크기가 일정값 C가 되도록 측정물(7)을 XY방향으로도 움직이도록 서보를 걸어서 측정할 수도 있고, 서보를 걸지 않고 측정할 수도 있다.

또한, 측정점 위치 연산부(30)에서 얻어지는 측정점의 XYZ좌표는 X좌표 검출부(17a)에서 얻어진 X좌표(Px)와 Y좌표 검출부(17b)에서 얻어진 Y좌표(Py)와 Z좌표 산출부(17e)에서 얻어진 Z좌표(Sz)에, 측면 스타일러스 변위 검출부(33)로부터 얻어진 측면 스타일러스(2ia)의 변위(Dx, Dy)를 서보 정보 기억부(38)로부터의 측면 측정을 나타내는 신호에 의해 측정점 위치 연산부(30)에서 가산한다.

따라서, 측정점 위치 연산부(30)에서 얻어지는 측정점에 접하는 측면 스타일러스(2ia)의 곡률 반경의 중심의 XYZ좌표(x, y, z)는 (3)식이 된다.

[수학식 3]

(x, y, z)=(Px+Dx, Py+Dy, Sz) … (3)

이와 같이 상면 스타일러스(1a)의 Z좌표인 Sz를 측면 측정의 Z좌표로 할 수 있으므로, 측면 스타일러스(2ia)의 Z좌표를 측정할 필요가 없기 때문에, 측면 스타일러스(2ia)의 변위(Dx, Dy)를 오차 없이 측정할 수 있어, 측면 측정에 있어서의 xy좌표의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

또한, 측정물 설치부(18) 위에 상기 측정물(7)로서 진직도가 좋은 구를 두거나 또는 도 7A 및 도 7B와 같이, 측정물 설치부(18) 위의 측정물(7)과 떨어진 위치에 기준구(21)를 설치한다.

이어서, 상면 스타일러스(1a)로 이 진직도가 좋은 구 또는 기준구(21)(이하, 간단히 「측정구」라고 부른다.)의 표면의 복수 점을 측정한다.

이어서, 이들 복수의 측정점의 점열로부터 이 측정구의 제1중심 좌표(xc, yc, zc)를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제1연산부(30a))에서 산출한다.

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 이 측정구의 표면의 복수 점을 측정한다.

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 측정한 이들 복수의 측정구의 측정 데이터로부터, 이 측정구의 제2중심 좌표(xd, yd, zd)를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제2연산부(30b))에서 산출한다.

이어서, 이들 2개의 제1 및 제2중심 좌표((xc, yc, zc)와 (xd, yd, zd))의 차를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제3연산부(30c))에서 구함과 더불어, 구해진 2개의 중심 좌표의 차를 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정 데이터 또는 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 데이터 중 어느 한쪽에(일례로서는, 여기서는 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 데이터에) 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제3연산부(30c))에서 가산한다.

이와 같이 하면, 상기 2개의 스타일러스(1a, 2ia)에 의한 측정 데이터를 상기 피측정면(7a)에 대한 동일 좌표계에 있어서의 측정 데이터로 할 수 있다. 즉, 측정점 위치 연산부(30)에서 측정점에 접하는 측면 스타일러스(2ia)의 곡률 반경의 중심의 XYZ좌표의 (3)식을 (4)식과 같이 치환한다.

[수학식 4]

(x+(xc-xd), y+(yc-yd), z+(zc-zd)) … (4)

또한, 도 7A 및 도 7B는 본 발명의 상기 실시형태에 의한 XYZ좌표의 측정에 사용되는 레이저의 광로를 나타낸다. XYZ좌표 모두 상면 스타일러스(1a)의 축상에서 좌표 측정되고 있다. 즉, X좌표 검출부(17a)에 의해 상면 스타일러스(1a)의 중심의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 X방향으로 연장한 직선상에서 X좌표를 검출한다. Y좌표 검출부(17b)에 의해 상면 스타일러스(1a)의 중심의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 Y방향으로 연장한 직선상에서 Y좌표를 검출한다. Z1좌표 검출부(17c)에 의해 상면 스타일러스(1a)의 중심으로부터 Z방향으로 연장한 직선상에서 측정물(7)의 이동량의 Z1좌표를 검출한다.

또한, 지지부(4)에 대한 제2가동부(2)의 이동량을 Z2좌표로 하여, 도 3에 나타내는 Z2좌표 검출부의 일례로서 기능하는 리니어 스케일(20)로 검출할 수도 있다. 리니어 스케일(20)은 Z축 이동 지시부(36)로부터의 지시대로 Z구동부(2m)를 구동시키기 위해서 설치되어 있는 것이며, Z구동부(2m)에 의한 제2가동부(2)의 Z방향의 이동량을 양호한 정밀도로 검출하는 것이다.

상기 제1실시형태에 의하면, Z방향으로 이동할 수 있는 제2가동부(2)에, 제2가동부(2)에 대하여 Z방향으로 가동하는 에어 슬라이드(1c)와 상면 스타일러스(1a)와 반사광으로부터 Z좌표와 제2가동부(2)에 대한 변위를 측정하기 위한 제1미러(1b)를 구비하는 제1가동부(1)를 배치함과 더불어, 또한, 제2가동부(2)에, 제2가동부(2)에 대하여 XY방향으로만 변위 가능한 측면 스타일러스(2ia)를 부착한 가동 경사부(2i)와 경사 각도 측정부(2j)를 제1가동부(1)에 나란히 배치하고 있다. 이렇게 구성하면, 상면 스타일러스(1a)로 측정물(7)의 상면을 주사 측정하고, 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 측면(7b)을 주사 측정함으로써, 상면과 측면 양쪽 모두 10∼100나노미터의 초고정밀도로 주사 측정할 수 있다.

즉, 상면 스타일러스(1a)는 XY방향으로는 흔들리지 않을 정도의 높은 강성의 에어 슬라이드(1c)에 의해 XY방향으로는 흔들리지 않으므로, 진동 및 오차가 없이 측정물(7)의 상면을 주사 측정할 수 있고, 제1미러(1b)와 렌즈(2de)에 의해 Z좌표도 양호한 정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 측면 스타일러스(2ia)는 XY방향으로만 변위 가능하므로 Z방향으로는 흔들리지 않으므로, 진동 및 오차가 없이 측정물(7)의 측면(7b)을 주사 측정할 수 있다. 측면 스타일러스(2ia)에 의한 Z좌표 측정은 상기 제1미러(1b)의 Z좌표 측정값을 이용할 수 있으므로, 오차 요인이 되는 Z좌표 측정은 불필요해져서, 더욱 고정밀도로 측면 스타일러스의 XY변위를 측정할 수 있는 경사 각도 측정부(2j)를 구비할 수 있다.

즉, 상면 스타일러스(1a)는 변위 및 변위 측정도 Z축에만 한정함과 더불어, 측면 스타일러스(2ia)는 변위 및 변위 측정도 XY축에만 한정함으로써, 측정물(7)의 상면과 측면 모두 진동 및 오차를 없애, 10∼100나노미터의 초고정밀도로 연속 주사 측정할 수 있고, 양쪽 프로브(102, 101)의 상대위치가 바뀌지 않으므로, 측정 데이터는 하나의 데이터로서 취급할 수 있다.

(제2실시형태)

도 8A 및 도 8B는 본 발명의 제2실시형태의 XYZ좌표의 측정에 사용되는 레이저의 광로를 나타낸다.

도 8A 및 도 8B에서는, 도 7A 및 도 7B와 비교하면 알 수 있는 바와 같이, Y기준 미러(13) 대신에, Y기준 미러(13)보다 길이가 긴, 긴 Y기준 미러(22)를 부착하고, 측면 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(23)을 추가하고 있다. 이것은 도 7A 및 도 7B의 구조에서는 XY구동부(8)가 전혀 경사지지 않고 이동하면 좋지만, 요잉(yawing)으로 의해 경사지면 Y좌표 측정 데이터에 오차가 생기기 때문에, Y좌표를 측면 스타일러스(2ia)의 축상에서 측정하도록 한 것이다. 또한 Y기준 미러(13)에 대하여, 긴 Y기준 미러(22)는 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 거리만큼 길게 할 필요가 있다. 또한, X, Y, Z1, Z2의 4개로 안정화 레이저 광을 복수의 하프 미러로 분리하는 것은 이미 설명하였지만, 상기 어느 하나의 안정화 레이저 광을 하프 미러로 더 분리하면, 측면 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(23)을 추가 형성할 수 있다. 이러한 구성과는 별개로, 측면 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(23)용으로 2번째의 안정화 레이저를 탑재하는 것도 가능하다.

이와 같이 측면 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(23)을 추가하는 것은, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)가 동일한 X축 선상에 나란히 배치되어 있기 때문이다. 이에 반해, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)를 동일한 Y축 선상에 나란히 배치하였을 경우에는 측면 스타일러스(2ia)를 통하는 X축 선상에 X좌표 측정용 안정화 레이저 광을 추가하면 된다. 즉, 도 14에 나타낸 바와 같이, 상기 측면 스타일러스(2ia)의 위치가 상기 상면 스타일러스(1a)의 위치로부터 X방향으로만 떨어져 있을 때에는, 상기 측면 스타일러스(2ia)의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 Y축 방향으로 연장한 직선상에서 Y좌표를 측정하는 상면 Y좌표 검출부(17b-1)와 측면 Y좌표 검출부(17b-2)와, 상면 Y좌표 검출부(17b-1)와 측면 Y좌표 검출부(17b-2)의 전환부(17b-3)를 Y좌표 검출부(17b)에 구비하도록 한다. 그리고 상면 Y좌표 검출부(17b-1)와 측면 Y좌표 검출부(17b-2)를 전환부(17b-3)에서 선택적으로 전환해서 사용한다. 또한, 도 15에 나타낸 바와 같이, 상기 측면 스타일러스(2ia)의 위치가 상기 상면 스타일러스(1a)의 위치로부터 Y방향으로만 떨어져 있을 때에는, 상기 측면 스타일러스(2ia)의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 X축 방향으로 연장한 직선상에서 X좌표를 측정하는 상면 X좌표 검출부(17a-1)와 측면 X좌표 검출부(17a-2)와, 상면 X좌표 검출부(17a-1)와 측면 X좌표 검출부(17a-2)의 전환부(17a-3)를 X좌표 검출부(17a)에 구비하도록 한다. 상면 X좌표 검출부(17a-1)와 측면 X좌표 검출부(17a-2)를 전환부(17a-3)에서 선택적으로 전환해서 사용한다. 단, Y좌표 검출부(17b)와 X좌표 검출부(17a)의 어느 한쪽만 도 14의 Y좌표 검출부(17b) 또는 도 15의 X좌표 검출부(17a)의 구성으로 하면 되고, 도 14의 Y좌표 검출부(17b)의 구성과 도 15의 X좌표 검출부(17a)의 구성을 동시에 채용하지 않아도 좋다.

만약, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)를 XY방향 모두 다른 위치에 늘어세웠을 경우에는, 측면 스타일러스(2ia)를 통하는 X축상에 X좌표 측정용 안정화 레이저 광을 추가함과 더불어, 측면 스타일러스(2ia)를 통하는 Y축상에 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광을 추가하면 좋다. 단, Y좌표를 Y좌표 측정용 안정화 레이저 광(15와 23)의 2개소에서 측정하는 것만으로 측정물 설치부(18)의 요잉에 의한 약간의 경사 γ(감마; Z축 둘레의 회전각)를 측정할 수 있다. 따라서, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)를 XY방향 모두 다른 위치에 늘어세웠을 경우라도, Y좌표만 2개소에서 측정하면, 상면 스타일러스(1a)를 통하는 X좌표 방향에서 X좌표를 X좌표 측정용 안정화 레이저 광(14)으로 측정하고, 측면 스타일러스(2ia)의 상면 스타일러스(1a)와의 Y방향의 거리를 L로 하면, γ×L만큼 X좌표 측정 데이터를 보정할 수 있으므로, 상기의 측면 스타일러스(2ia)를 통하는 X축상에 X좌표 측정용 안정화 레이저 광을 반드시 추가할 필요는 없다.

상기 실시형태에 의한 삼차원 형상 측정장치는 상기한 바와 같이, 측정물(7)의 상면과 측면의 양쪽을 10∼100나노미터의 초고정밀도로 주사 측정할 수 있는 것이다.

(제3실시형태)

제1실시형태에서 설명한 바와 같이, 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 시에, Z2위치로서 상면 스타일러스(1a)의 Z좌표를 이용하고 있지만, 상면 스타일러스(1a) 및 에어 슬라이드(1c)는 Z축 방향으로는 강성이 약해, 제2가동부(2)의 동작 시의 가속도 등에 의해 예를 들면 200나노미터 정도의 진동이 발생하는 경우가 있다(도 9A).

이러한 경우, 이하와 같은 제어부(28)의 제어 하에 에어 슬라이드(1c)의 Z축 방향의 움직임을 정지하는, 제1가동부 동작 정지장치의 일례로서 기능하는 에어 슬라이드 진동 정지장치(82)를 새롭게 설치하여, 에어 슬라이드(1c)의 진동을 방지할 수 있다. 예를 들면, 에어 슬라이드 진동 정지장치(82)로서 도 4, 도 5 및 도 9A에 나타낸 바와 같이, 에어 베어링(2a)에 압축 공기를 공급하는 배관(83)에 전환 밸브(43)를 설치하고, 전환 밸브(43)에 압축 공기 공급장치(80)에 접속된 압축 공기 공급관(44)과 진공 장치(81)에 접속된 진공 배관(45)을 접속한다. 이에 따라, 전환 밸브(43)로, 에어 베어링(2a)에 연통하는 배관(83)을 압축 공기 공급관(44)과 진공 배관(45)의 어느 하나로 전환할 수 있도록 한다.

그러므로, 제어부(28)의 제어 하에 에어 슬라이드(1c)의 Z축 방향의 움직임을 정지할 경우에는, 압축 공기 공급장치(80)의 공급 정지 동작에 의해 압축 공기 공급장치(80)로부터 에어 베어링(2a)에 공급하는 압축 공기를 정지하거나, 또는, 전환 밸브(43)의 전환 동작에 의해 에어 베어링(2a)에 연통하는 배관을 압축 공기 공급관(44)으로부터 진공 배관(45)으로 전환함으로써, 에어 베어링(2a)으로 에어 슬라이드(1c)의 측면의 일부를 흡인함으로써, 도 9B와 같이 에어 슬라이드(1c)의 측면의 일부가 에어 베어링(2a)에 접촉하여, 에어 슬라이드(1c)의 진동을 정지할 수 있다. 이렇게 진동을 정지시킨 상태에서 측면 스타일러스(2ia)에 의해 측정을 실행하면 좋다. 그 후, 상면 스타일러스(1a)를 사용할 때에는, 전환 밸브(43)의 전환 동작에 의해 에어 베어링(2a)에 연통하는 배관을 진공 배관(45)으로부터 압축 공기 공급관(44)으로 전환하여, 에어 베어링(2a)에 압축 공기를 공급하면 좋다. 다른 에어 슬라이드(1c)의 Z축 방향의 움직임을 정지하는 수단으로서는 도시하지 않았지만, 다른 구동 수단을 설치하여, 에어 슬라이드(1c)를 마찰력에 의해 고정하는 것도 고려할 수 있다. 또한 전환 밸브(43)가 아니고, 압축 공기 공급장치(80)를 정지시켜 에어 슬라이드(1c)의 Z축 방향의 움직임을 정지할 경우에는, 압축 공기 공급장치(80)가 제1가동부 동작 정지장치의 일례로서 기능하게 된다.

제어부(28)의 제어 하에 상기 에어 슬라이드(1c)의 움직임을 정지하는 에어 슬라이드 진동 정지장치(82)에 의해 에어 슬라이드(1c)의 진동을 정지시킨 상태에서, 측면 스타일러스(2ia)에 의해 측정을 실행하면, 진동이 없는 상태에서 정확하게 Z좌표를 검출할 수 있다. 측면 스타일러스(2ia)만을 사용하는 측정, 예를 들면, 원기둥 또는 원기둥 구멍의 측정에서는 에어 슬라이드(1c)가 에어 베어링(2a)에 접촉 혹은 고정되는 상대적인 Z높이는 임의의 위치이면 좋다. 따라서, 한번 상대적인 Z높이를 고정해버리면, 그 위치를 원점으로 하여 측정하면 좋다.

한편, 원뿔 형상 또는 렌즈 형상 등 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 양쪽에서 측정할 필요가 있는 측정물(7)에 대해서는 각각 스타일러스(1a, 2ia) 사이의 상대위치를 정확하게 파악할 필요가 있다. 그 때문에, 에어 슬라이드(1c)가 에어 베어링(2a)에 대하여 접촉 혹은 고정되는 상대 높이(Z위치)를 정확하게 검출하여, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 상대위치를 파악할 필요가 있다.

이하에, 그 상대위치를 연산하여, 양 스타일러스(1a, 2ia)의 측정 좌표계를 일치시키는 순서를 설명한다.

도 10 및 도 13에 순서의 개략도를 나타낸다.

우선, 제1실시형태에서 설명한 바와 같이, 측정물 설치부(18) 위에 상기 측정물(7)로서 또는 측정물(7) 대신에 진구도가 좋은 구를 두거나, 또는, 도 7A 및 도 7B와 같이, 측정물 설치부(18) 위의 측정물(7)과 떨어진 위치에 기준구(21)를 설치한다.

도 10에 의해, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 중심위치 차를 구하는 방법에 대해서 설명한다.

우선, 상면 스타일러스(1a)로 이 진구도가 좋은 구 또는 기준구(21)(이하, 간단히, 「측정구」라고 한다.)의 표면의 복수 점을 측정한다(단계 S1001).

이어서, 이들 복수의 측정점의 점열로부터 이 측정구(21)의 제1중심 좌표(xc, yc, zc)를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제1연산부(30a))에서 산출한다(단계 S1002).

이어서, 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정 종료 후, 도 11과 같이, 상면 스타일러스(1a)가 측정구(21)에 접해서 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치가 일정해지도록 제어된 상태에서, 제어부(28)의 제어 하에 에어 슬라이드 진동 정지장치(82)의 전환 밸브(43)의 전환 동작에 의해 에어 베어링(2a)에 연통하는 배관(83)을 압축 공기 공급관(44)으로부터 진공 배관(45)으로 전환하여, 에어 베어링(2a)으로 에어 슬라이드(1c)의 측면의 일부를 흡인한다(단계 S1003). 진공 배관(45)의 흡인력에 의해 에어 슬라이드(1c)의 측면의 일부가 에어 베어링(2a)에 접촉해서 고정된다. 즉, 제어부(28)의 제어 하에 에어 슬라이드 진동 정지장치(82)의 전환 밸브(43)의 전환 동작에 의해 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)에 접촉한 상태에서, 포커스 제어부(29)에 의해 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 위치가 일정 위치가 되도록 제어된 상태의 타이밍에서, 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 Z방향의 움직임을 정지한다.

이어서, 이 상태에서 제2가동부(2)의 Z축 구동 제어부(42)의 제어를 포커스 제어부(29)로부터 Z축 이동 지시부(36)로 전환하고, Z축 이동 지시부(36)에서의 제어 하에 제2가동부(2)를 상승시킨다(단계 S1004).

이어서, 상대위치 측정부(2d)에 의해 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 상대위치를 측정하여, 그 상대위치의 값 Zf를 상대위치 측정부(2d)의 내부 기억부(2ds)에 기억한다(단계 S1005). 이 위치에서 상대위치 Zf를 기억하는 이유를 이하에 설명한다.

단계 S1003에서, 진공 흡인에 의해 에어 슬라이드(1c)를 에어 베어링(2a)에 고정할 때, 반드시 매회 동일한 위치에서 고정되는 것은 아니며, 조금 어긋난 상태에서 고정된다. 이 변위가 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정에 있어서의 좌표계 오차가 되므로, 이 변위를 정확하게 검출할 필요가 있다. 이 때문에, 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정부(2d)를 이용하여 이 변위를 검출한다. 또한, 이 검출을 하는 타이밍으로서, 포커스를 맞춘 상태에서, 고정하고, 상승한 후가 되는 것은 이하의 이유에 의한 것이다.

상대위치 측정부(2d)는 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)를 이용하고 있는데, 그 검출신호의 예를 도 12에 나타낸다. 도 12에 있어서, 가로축은 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 변위를 나타내고, 세로축은 포커스 검출기의 전압을 나타낸다. 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)에 접해 있지 않을 때는, 도 12 중 포커스 OFF시의 높이 위치에 있고, 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)에 접하고, 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치가 일정해지도록 제어된 상태는 검출신호의 전압이 0V의 상태, 즉 포커스 높이의 위치에 있다. 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)의 전압은 이 높이를 중심으로 하여, 높이의 변화가 커짐에 따라서, 비선형성(非線形性)이 커지고, 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)에 의한 상대 변위 검출 정밀도가 나빠진다. 그 때문에, 포커스 높이의 위치에서, 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)(상면 스타일러스(1a))의 상대위치를 검출하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 단계 S1005와 같이, 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치가 일정해지도록 제어된 상태의 위치, 즉 포커스 높이의 위치의 부근에서, 반도체 레이저 포커스 검출기(2da)의 전압을 측정하고, 상면 스타일러스(1a)의 고정된 위치(상대위치) Zf를 구함으로써, 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)(상면 스타일러스(1a))의 상대위치를 양호한 정밀도로 구할 수 있다.

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 이 측정구(21)의 표면의 복수 점을 측정한다(단계 S1006).

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 측정한 이들 복수의 측정점의 측정 데이터로부터, 이 측정구(21)의 제2중심 좌표(xd, yd, zd)를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제2연산부(30b))에서 산출한다(단계 S1007).

최후에, 이들 2개의 제1 및 제2중심 좌표((xc, yc, zc)와 (xd, yd, zd))의 차, 즉, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 중심위치 차(xr, yr, zr)를 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제3연산부(30c))에서 구한다(단계 S1008).

이어서, 상기 양 스타일러스(1a, 2ia) 사이의 중심위치 차(xr, yr, zr)의 산출 후, 실제 측정물(7)의 측정 시의 순서에 대해서, 도 13에 의해 설명한다.

우선, 상면 스타일러스(1a)에 의해 측정물(7)의 측정을 실행한다(단계 S1301).

이어서, 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정물(7)의 측정으로 이동하기 전에, 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정 종료 후, 상면 스타일러스(1a)가 측정물(7)에 접하고, 제1가동부(1)의 제2가동부(2)에 대한 상대위치가 일정해지도록 제어된 상태(포커스 상태)에서, 에어 베어링(2a)에 연통하는 배관(83)을 압축 공기 공급관(44)으로부터 진공 배관(45)으로 전환한다(단계 S1302).

진공 배관(45)의 흡인력에 의해 에어 슬라이드(1c)의 측면의 일부가 에어 베어링(2a)에 접촉하여 고정된다. 이 상태에서, 제2가동부(2)의 Z축 구동 제어부(42)의 제어를 포커스 제어부(29)로부터, Z축 이동 지시부(36)로 전환하여, 제2가동부(2)를 상승시킨다(단계 S1303).

이어서, 상대위치 측정부(2d)에 의해 제2가동부(2)에 대한 제1가동부(1)의 상대위치를 측정하여, 그 상대위치의 값 Zm을 상대위치 측정부(2d)의 내부 기억부(2ds)에 기억한다(단계 S1304). 이 타이밍에서 상대위치 Zm을 기억하는 이유는 단계 S1005에서 상대위치 Zf를 기억하는 이유를 설명한 것과 마찬가지이다.

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 측정물(7)의 표면을 측정한다(단계 S1305). 상기 측정 결과의 평가 시에는 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 상대위치(xr, yr, zr)[즉, 단계 S1008에서 산출된 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 중심위치 차(xr, yr, zr)]를 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정 데이터 또는 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 데이터 중 어느 한쪽의 측정 데이터(일례로서는, 여기서는 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정 데이터)(x, y, z)에 측정점 위치 연산부(30)(더욱 상세하게는, 도 7C의 측정점 위치 연산부(30)의 제3연산부(30c))에서 가산한다(단계 S1306).

이어서, 측면 스타일러스(2ia)로 측정한 데이터의 Z좌표에 중심위치 차 Zr를 가산한 값에 상면 스타일러스(1a)의 고정 시의 변위값으로서 Zm-Zf를 가산한다(단계 S1307). 단, Z좌표에 Zm-Zf를 가산한 값에 중심위치 차 Zr를 가산해도 좋다.

이와 같이 하면, 상기 2개의 스타일러스(1a, 2ia)에 의한 측정 데이터를 상기 측정물(7)의 피측정면(7a)에 대한 동일 좌표계에 있어서의 측정 데이터로 할 수 있다. 즉, 측정점 위치 연산부(30)에서 측정점에 접하는 측면 스타일러스(2ia)의 곡률 반경의 중심의 XYZ좌표의 (3)식을 (5)식과 같이 치환한다.

[수학식 5]

(x+xr, y+yr, z+zr+(Zm-Zf)) … (5)

또한, 중심위치 차(xr, yr, zr)의 산출은 도 10에 의한 방법 이외에도 다른 방법을 고려할 수 있으며, 예를 들면, 구 이외에 각뿔 또는 원뿔 형상 등, 상면 스타일러스(1a)와 측면 스타일러스(2ia)의 양쪽에서 측정할 수 있는 면이 있으면 가능하다. 또한, 기준 물체를 측정하지 않고, 다른 측정 지그 등을 이용해도 중심위치 차의 측정은 가능하다.

또한, 도 13에 있어서, 상대위치 측정부(2d)의 검출의 선형성이 충분할 경우에는, 단계 S1302는 상면 포커스 상태가 아니라, 상면 프로브(102)(제2가동부(2))의 상승 상태에서 실행해도 좋고, 그 경우에는, 상면 스타일러스(1a)에 의한 측정물 측정(단계 S1301)은 측면 스타일러스(2ia)에 의한 측정(단계 S1305) 후에 실행해도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 측면 스타일러스(2ia)의 측정 데이터를 상면 스타일러스(1a)의 좌표로 변환했지만, (5)식의 부호를 변경하여, 상면 스타일러스(1a)의 측정 데이터를 측면 스타일러스(2ia)의 좌표로 변환해도 좋다.

상기 제3실시형태에 의하면, 도 10 및 도 13에 나타내는 순서로, 2개의 프로브(102, 101) 사이의 상대위치의 산출 및 측정을 실행함으로써, 측면 측정 시의 상면 스타일러스(1a)의 진동 발생 시에도, Z2좌표 측정을 고정밀도로 실행할 수 있고, 상면 스타일러스(1a) 및 측면 스타일러스(2ia)에서의 측정 좌표계를 고정밀도로 일치시킬 수 있다.

이에 반해, 상기 배경기술로 기재된 문헌에는 구체적으로는 이하와 같은 과제가 있었다.

특허문헌 1∼3에 기재된 측정기는 측면을 측정할 수 없다. 즉, 렌즈면은 측정할 수 있어도, 측면을 포함한 렌즈 전체의 형상을 측정할 수 없다는 과제가 있었다.

특허문헌 4∼5에 기재된 측정기는 측정 정밀도가 미크론 오더이며, 측정력도 커서, 일반 기계부품의 형상측정에는 충분하지만, 예를 들면 비구면 렌즈를 10∼100나노미터의 초고정밀도로 측정하는 것은 곤란하다. 이유를 이하에 설명한다.

특허문헌 4에서는 XYZ의 3개의 이동대에 의해 측정면을 따라 XYZ으로 구동할 수 있는 프로브부에 대하여, 측정면에 접하는 스타일러스가 XYZ의 3개의 에어 슬라이드를 통해서 더 부착되어, 스타일러스가 받는 측정면으로부터의 측정력에 의해 이 3개의 에어 슬라이드를 움직이고, 상기 3개의 이동대에 각각 부착된 측정 눈금에 의해 검출된 XYZ좌표에 상기 3개의 에어 슬라이드에 각각 부착된 측정 눈금에 의해 검출된 XYZ좌표를 가산하여, 측정면의 XYZ좌표를 산출하는 것이다.

이것은 측정력에 의해 3개의 에어 슬라이드를 움직여야 해서, 필연적으로 측정력이 커져, 측정면을 변형시키므로, 나노미터 오더의 초고정밀도 측정은 어렵다. X방향 변위에 대해서는 X와 Z의 에어 슬라이드의 질량을, Y방향의 변위에 대해서는 XYZ 전체 에어 슬라이드의 질량을 움직여야 하므로, 측정력에 방향성을 가져버려, 오차의 원인이 된다.

특허문헌 5에서는 측정력을 경감하기 위해서, 상기 3개의 에어 슬라이드를 없애고, 프로브부에 대해서 스타일러스가 Z방향으로의 평행 이동과 함께, XY방향으로의 경사도 가능하도록, 1매의 노치 부착 판스프링으로 장착한 것이다. 스타일러스 위쪽에 미러를 형성하고, 광으로 스타일러스의 Z방향으로의 변위와 XY방향으로의 경사를 검지하는 것이다. 그런데, Z방향으로의 이동과 경사가 생기는 스프링은 그 경사 중심의 위치가 움직이지 않게는 설계할 수 없다. 즉, 경사 중심도 약간 XY방향으로 움직여버리는데, 이를 검출할 수 없기 때문에, 측정 오차가 발생한다.

특허문헌 6, 7에 기재되어 있는 프로브는 측면만 측정할 수 있다. 프로브부에 설치된 지점을 중심으로 스타일러스가 XY방향으로 경사지는 구조로 되어 있다. 스타일러스 상면에 부착된 미러에 렌즈에 의해 He-Ne 안정화 레이저 광을 집광해서 조사한다. 이 반사광으로부터 레이저 측장(測長)에 의해 Z좌표를 측정한다. 동시에 반도체 레이저 광도 동일한 렌즈에 의해 상기 미러에 조사하여, 반사광의 광속(光束) 지름의 변화로부터 스타일러스의 Z변위를 검출하고, 상기 미러 경사에 의한 반사광의 방향 변위로부터 스타일러스의 XY방향으로의 경사를 검출하고 있다.

즉, 특허문헌 6, 7에 있어서는 상기 렌즈는 He-Ne 안정화 레이저 광을 집광해서 상기 미러로부터의 반사광으로부터 Z좌표를 측정하기 때문에, 없어서는 안 되는 것이다. 이 렌즈가 없으면 미러가 극히 조금 경사진 것만으로도 Z좌표를 측정할 수 없게 되기 때문이다.

그러나 이 렌즈가 넣어져 있기 때문에, 반사광의 방향이 어긋나도 반사광의 위치 변위는 이 렌즈의 초점거리만큼밖에 어긋나지 않아서 경사 검출감도가 향상되지 않으므로, 스타일러스의 경사를 양호한 감도로 검출할 수 없다는 과제가 있었다.

또한, 이 렌즈의 초점거리를 길게 하면 경사의 검출감도는 향상되지만, Z좌표 측정용 He-Ne 안정화 레이저 광의 반사광의 위치 변위도 커져서, Z좌표 측정이 어렵게 된다는 딜레마가 있었다.

특허문헌 8에 기재되어 있는 상면과 측면의 양쪽을 측정할 수 있는 프로브는 특허문헌 5와 같이, 스프링으로 스타일러스가 XYZ방향으로 움직일 수 있는 구조로 되어 있고, 스타일러스 축이 경사질 때의 지점이 고정되지 않기 때문에, 경사 각도를 검출하는 것만으로는 스타일러스 위치를 완전하게는 산출할 수 없기 때문에, 측정 오차가 발생한다.

또한, 특허문헌 8에서는 스타일러스 상면에 부착된 미러에 렌즈에 의해 광을 집광해서 조사하여, 반사광의 광속 지름의 변화로부터 스타일러스의 Z변위를 검출하고, 미러 경사에 의한 반사광의 방향 변위로부터 스타일러스의 XY방향으로의 경사를 검출하고 있지만, 이 렌즈가 넣어져 있기 때문에, 반사광의 방향이 어긋나도 반사광의 위치 변위는 이 렌즈의 초점거리만큼밖에 어긋나지 않아서 경사 검출 감도가 향상되지 않으므로, 스타일러스의 경사를 양호한 정밀도로 검출할 수 없다. 또한, 이 렌즈를 넣지 않으면 반도체 레이저에 의한 Z변위 검출을 할 수 없고, He-Ne 안정화 레이저 광에 의한 Z좌표 측정도 할 수 없다. 이 렌즈의 초점거리를 길게 하면 Z변위의 검출 감도가 떨어지고, He-Ne 안정화 레이저 광에 의한 Z좌표 측정도 어렵게 된다는 딜레마가 있었다.

또한 특허문헌 8에, 특허문헌 2에 기재된 프로브로 렌즈면을 측정하고나서, 특허문헌 7에 기재된 프로브로 교환해서 측면을 측정할 수 있다고 기재되어 있지만, 프로브 교환에는 시간이 걸리고, 또한, 교환에 의한 위치 변위가 발생한다는 과제도 있었다.

렌즈면과 측면을 1개의 프로브로 측정 정밀도 10∼100나노미터로 측정할 수 있는 것이 이상적이지만, 상기와 같이 스타일러스 위치를 오차 없이 검출하는 것이 어렵다는 과제 이외에, 측정면을 주사 측정할 때, 진동이 일어나기 쉽다는 과제가 있다.

측정면을 따라 스타일러스를 일정한 측정력으로 누른 채, 측정면과 평행하게 프로브부를 움직이면, 스타일러스와 측정면의 사이에서 발생하는 운동 마찰력이 스타일러스의 프로브부에 대한 중앙위치로의 복원력과 균형을 이뤄서, 매끄럽게 미끄러져 주면 좋지만, 처음에는 정지 마찰에 의해 프로브부가 움직여도 스타일러스가 있는 측정점에서 움직이지 않고, 스타일러스의 복원력이 정지 마찰력을 상회하는 위치에서 스타일러스가 측정면상을 미끄러져 너무 쉽게 되돌아가고, 또한 스타일러스가 다음 측정점에서 정지하는, 스틱슬립(stick-slip)이라 불리는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이 현상은 측정면의 조도가 크고, 스타일러스가 뾰족할 때, 면의 오목부에 스타일러스가 들어가므로 일어나기 쉽다.

또한, 터치 측정은 측정면에 1점씩 스타일러스를 대었다가 떼어내어, 순차 측정해가는 방법이나, 이것은 상기 스틱슬립은 없지만, 주사 측정에 비해 측정 시간이 많이 걸리고, 측정 점수도 조금밖에 되지 않는다는 과제가 있다.

특허문헌 9에 기재되어 있는 측정기는 비구면 렌즈의 상하면을 동시에 측정할 수 있고, 상하 렌즈면의 상대적인 경사, 편심을 측정할 수 있다. 그러나 렌즈의 외경에 대한 경사, 편심은 측정할 수 없다는 과제가 있다.

특허문헌 10에 기재되어 있는 것은 측면을 주사 측정하기 위한 제어방법에 관한 것이지만, 렌즈면과 측면을 측정 정밀도 10∼100나노미터로 측정하고자 하는 과제를 해결할 수 있는 것이 아니다.

이에 반해, 상기 실시형태에 관한 삼차원 형상 측정장치는 상기 종래의 과제를 대부분 해결하는 것이며, 측정물의 상면과 측면의 양쪽을 10∼100나노미터의 초고정밀도로 주사 측정할 수 있는 것이다.

또한 상기 여러가지 실시형태 중 임의의 실시형태를 적당히 조합함으로써, 각각이 가지는 효과를 나타내도록 할 수 있다.

본 발명의 삼차원 형상 측정장치는 상면 스타일러스와 측면 스타일러스를 새로운 방법으로 조합함으로써, 상면과 측면을 10∼100나노미터라는 종래에는 할 수 없었던 초고정밀도로 주사 측정할 수 있으므로, 비구면 렌즈의 형상측정에 더하여, 렌즈면의 외형에 대한 경사 또는 편심, 블랭킹 금형의 측면의 클리어런스와 상면에 대한 직각도, 미세 구멍 또는 기어 등의 기준면을 기준으로 한 형상 등을 단시간에 세세하고 대량의 측정 데이터를 취득할 수 있으므로, 카메라 또는 정밀부품의 보다 소형 고성능화 또는 제조 수율의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태에 관련하여 충분히 기재되어 있지만, 이 기술의 숙련자들에게 있어서는 여러가지 변형이나 수정은 명백하다. 그러한 변형이나 수정은 첨부한 청구의 범위에 의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한에서, 그 중에 포함된다고 이해되어야 한다.

Claims (17)

1. Z방향을 따라서 배치되는 에어 슬라이드와, 상기 에어 슬라이드의 일단(一端)에 배치된 상면 스타일러스와, 상기 에어 슬라이드의 타단(他端)에 각각 배치된 제1미러와 스프링력 발생부를 구비하는 제1가동부와,
   상기 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드의 가이드부와, 상기 스프링력 발생부를 지지함으로써 상기 제1가동부를 매달아 지지하는 스프링력 지지부를 적어도 구비하는 제2가동부와,
   상기 제2가동부가 상기 Z방향으로 이동 가능한 상태에서 상기 제2가동부를 연결 지지하는 지지부와,
   상기 제2가동부를 상기 지지부에 대하여 상기 Z방향으로 구동하는 Z구동부와,
   상기 제1가동부와 상기 제2가동부의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정부와,
   안정화 레이저 광원으로부터의 안정화 레이저 광을 상기 제1미러를 향해서 조사하여, 상기 제1미러로부터의 반사광으로부터 상기 상면 스타일러스의 Z방향 이동량을 측정하는 Z2좌표 검출부와,
   상기 지지부 또는 측정물을 상기 Z방향에 수직하는 X방향 및 Y방향으로 구동하는 XY구동부와,
   상기 XY구동부에 의한 상기 지지부 또는 상기 측정물의 XY방향 이동량을 측정해서 X좌표와 Y좌표를 검출하는 XY좌표 검출부와,
   상기 상면 스타일러스가 상기 제2가동부에 배치된 위치로부터 상기 X방향 또는 상기 Y방향으로 떨어진 위치에 상기 제2가동부에 배치되어 일단에 측면 스타일러스를 가지고, 상기 측면 스타일러스가 상기 Z방향에 대하여 경사 가능하도록 연결 기구에 의해 상기 제2가동부에 연결된 가동 경사부와,
   상기 가동 경사부의 경사 각도를 측정하는 경사 각도 측정부와,
   상기 경사 각도 측정부로부터 얻어진 상기 경사 각도로부터 상기 측면 스타일러스의 상기 제2가동부에 대한 X변위와 Y변위를 산출하는 측면 스타일러스 변위 검출부와,
   상기 XY좌표 검출부에서 검출된 상기 X좌표 및 Y좌표에, 상기 측면 스타일러스 변위 검출부에서 산출된 상기 측면 스타일러스의 X변위와 Y변위를 가산하여, 상기 측면 스타일러스에 의한 상기 측정물의 측정점의 X좌표 및 Y좌표를 산출하는 측정점 위치 연산 수단을 구비하는 삼차원 형상 측정장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 측면 스타일러스에 의한 측정 시에, 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는 제1가동부 동작 정지장치와,
   상기 제1가동부 동작 정지장치에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지한 상태에서 상기 제1가동부의 상기 제2가동부에 대한 Z방향 위치를 검출하는 상대위치 측정부를 더 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드에 공급하는 압축 공기를 진공 흡인으로 전환하는 전환 밸브인, 삼차원 형상 측정장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상면 스타일러스가 상기 측정물의 표면을 상기 XY방향으로 주사할 때, 상기 측정물의 표면의 높이 변화에 따라 상기 제1가동부가 상기 Z방향으로 움직일 때, 상기 상대위치 측정부에서 얻어진 상기 제1가동부와 상기 제2가동부의 상대위치가 일정해지도록 상기 제2가동부를 상기 Z방향으로 구동하는 신호를 발생하는 포커스 제어부와,
   상기 측면 스타일러스를 상기 측정물의 표면의 상기 Z방향으로 주사하기 위해서 상기 제2가동부를 상기 Z방향으로 구동하기 위한 신호를 발생하는 Z축 이동 지시부와,
   상기 포커스 제어부로부터의 신호와 상기 Z축 이동 지시부로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여 상기 Z구동부에 전달하는 Z축 신호 전환부를 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 측면 스타일러스에 의한 측정 시에, 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는 제1가동부 동작 정지장치와,
   상기 제1가동부 동작 정지장치에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지한 상태에서 상기 제1가동부의 상기 제2가동부에 대한 Z방향 위치를 검출하는 상대위치 측정부를 더 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1가동부 동작 정지장치는, 상기 제1가동부를 상기 Z방향으로 이동시키는 상기 에어 슬라이드에 공급하는 압축 공기를 진공 흡인으로 전환하는 전환 밸브인, 삼차원 형상 측정장치.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1가동부 동작 정지장치는, 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물에 접촉한 상태에서, 상기 포커스 제어부에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 위치가 일정 위치가 되도록 제어된 상태의 타이밍에서, 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는, 삼차원 형상 측정장치.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1가동부 동작 정지장치는 상기 상면 스타일러스가 상기 측정물에 접촉한 상태에서, 상기 포커스 제어부에 의해 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 위치가 일정 위치가 되도록 제어된 상태의 타이밍에서, 상기 제2가동부에 대한 상기 제1가동부의 상기 Z방향의 움직임을 정지하는, 삼차원 형상 측정장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 상면 스타일러스가 상기 측정물의 표면을 상기 XY방향으로 주사하기 위한 신호를 발생하는 XY축 이동 지시부와,
   상기 측면 스타일러스를 상기 측정물의 표면을 따라 상기 XY방향으로 이동시키도록 상기 XY구동부를 구동 제어함과 더불어, 상기 측정물의 표면의 상기 XY방향의 변화에 따라 상기 가동 경사부가 경사질 때, 상기 경사 각도 측정부에서 얻어진 경사 각도의 절대값이 일정해지도록 상기 XY구동부를 구동 제어하는 XY제어부와,
   상기 XY축 이동 지시부로부터의 신호와 상기 XY제어부로부터의 신호 중 어느 하나로 전환하여 상기 XY구동부에 전달하는 XY축 신호 전환부를 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사 각도 측정부는, 상기 가동 경사부에 부착된 제2미러와, 광원으로부터의 광을 상기 제2미러를 향해서 조사하여, 상기 제2미러로부터의 반사광의 방향을 검출함으로써 상기 경사 각도를 측정하는 광위치 검출기를 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정물을 설치하는 측정물 설치부와,
    상기 측정물 설치부와, 측정 중에는 상대위치가 각각 바뀌지 않고 각각의 미러면이 서로 직교하도록 배치된 X기준 미러와 Y기준 미러와 Z기준 미러와,
    상기 XY좌표 검출부를 구성하고 또한, 발진 주파수의 변위가 일정값 이하가 되도록 제어된 상기 안정화 레이저 광원으로부터의 상기 안정화 레이저 광을 상기 X기준 미러와 상기 Y기준 미러에 조사하여, 상기 X기준 미러와 상기 Y기준 미러로부터의 반사광으로부터 상기 지지부에 대한 상기 측정물의 이동량의 X좌표와 Y좌표를 각각 검출하는 X좌표 검출부와 Y좌표 검출부와,
    상기 발진 주파수의 변위가 일정값 이하가 되도록 제어된 상기 안정화 레이저 광원으로부터의 상기 안정화 레이저 광을 상기 Z기준 미러에 조사하여, 상기 Z기준 미러로부터의 반사광으로부터 상기 지지부에 대한 상기 측정물의 이동량의 Z1좌표를 검출하는 Z1좌표 검출부와,
    상기 Z2좌표 검출부에 의해 검출된 Z2좌표와 상기 Z1좌표 검출부에 의해 검출된 상기 Z1좌표의 가산에 의해 상기 측정물의 표면상의 측정점의 Z좌표를 산출하는 Z좌표 산출부를 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2가동부를 상기 Z방향으로 이동하게 하는 가이드부가 에어 슬라이드로 구성되고, 상기 제2가동부가 상기 지지부에 대하여 제2가동부 구동장치로 구동되도록 구성되는, 삼차원 형상 측정장치.
13. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 XY구동부는 X축 리니어 모터와 Y축 리니어 모터에 의해 상기 제2가동부 또는 상기 측정물을 상기 XY방향으로 구동하도록 구성되는, 삼차원 형상 측정장치.
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 Z1좌표 검출부는 상기 상면 스타일러스의 중심으로부터 Z방향으로 연장한 직선상에서 상기 측정물의 이동량의 Z1좌표를 검출하고,
    상기 XY좌표 검출부는 상기 상면 스타일러스의 중심의 상기 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 상기 X방향으로 연장한 직선상에서 상기 X좌표를 검출하고, 상기 상면 스타일러스의 중심의 상기 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 상기 Y방향으로 연장한 직선상에서 상기 Y좌표를 검출하는, 삼차원 형상 측정장치.
15. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Z2좌표 검출부가 상기 지지부에 대한 상기 제2가동부의 이동량을 Z2좌표로서 검출하는, 삼차원 형상 측정장치.
16. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면 스타일러스의 위치가 상기 상면 스타일러스의 위치로부터 X방향으로 떨어져 있을 때, 상기 측면 스타일러스의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 Y축 방향으로 연장한 직선상에서 Y좌표를 측정하는 측면 Y좌표 검출부를 구비하고,
    상기 측면 스타일러스의 위치가 상기 상면 스타일러스의 위치로부터 Y방향으로 떨어져 있을 때, 상기 측면 스타일러스의 Z방향의 가동 범위의 중심 부근으로부터 X축 방향으로 연장한 직선상에서 X좌표를 측정하는 측면 X좌표 검출부를 구비하는, 삼차원 형상 측정장치.
17. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정물로서 구(球)를 둘 때, 상기 상면 스타일러스로 상기 구의 표면의 복수 점을 측정한 후, 상기 측정점의 점열(点列)로부터 상기 구의 제1중심 좌표(xc, yc, zc)를 산출하는 제1연산부와,
    상기 측면 스타일러스로 상기 구의 표면의 복수 점을 측정하고, 상기 구의 측정 데이터로부터 구한 상기 구의 제2중심 좌표(xd, yd, zd)를 산출하는 제2연산부와,
    이들 제1 및 제2중심 좌표의 차를 구함과 더불어, 어느 한쪽의 측정 데이터에 가산하는 제3연산부를 구비하고,
    상기 제3연산부에서 상기 제1 및 제2중심 좌표의 차를 상기 어느 한쪽의 측정 데이터에 가산함으로써, 상기 2개의 스타일러스에 의한 측정 데이터를 피측정면에 대한 동일 좌표계에 있어서의 측정 데이터로 하는, 삼차원 형상 측정장치.

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