(57)【要約】【課題】微粒子の接触体を用いて、矩形溝形状を有するマイクロマシン等の三次元形状を高精度で測定する。【解決手段】接触体６は、可撓性の支持部材５と透明な固定部材４によってプローブ本体９に連結される。対物レンズ３にてレーザ光Ｇを集光させ、接触体６の底面に焦点を合わせて光放射圧によって接触体６を被測定物１３の表面に接触させる。レーザ光Ｇを音響光学偏向器２によって偏向させることで、接触体６を任意の方向に振動させることができる。被測定物１３が矩形溝形状を有する三次元構造体であっても、接触体６の振動方向を調整することで高精度な形状測定を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触体と、被測定物に沿って移動可能であるプローブ本体とを備え、前記接触体を被測定物に接触させて倣い走査させるとともに、前記プローブ本体の位置を計測することにより三次元形状を測定する測定装置において、
前記接触体を支持し、前記プローブ本体に前記接触体を連結する可撓性の支持部材と、
前記プローブ本体に支持された対物レンズと、
前記対物レンズを介して前記接触体に光を集光する光学系と、
前記接触体からの後方散乱光を受光し、被測定物に接触した前記接触体の前記プローブ本体に対する位置を検出するための光検出器と、
前記接触体を被測定物に接触させた状態で、前記プローブ本体に対する前記接触体の位置を一定に保持しながら、前記プローブ本体を被測定物に沿って移動させる移動手段と、
前記プローブ本体の位置を計測する位置計測器と、を備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記接触体には、前記接触体に集光された光を反射する膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記支持部材は、光を透過させる部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記光学系には、前記光学系の光の強度及び照射方向を変えるための照射方向変更器が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記光検出器は、前記光学系の光による後方散乱光を受光し、前記接触体の変位を検出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記光学系の光とは別波長の照明光を前記接触体に照射し、前記照明光による後方散乱光を集光する照明系を有し、
前記光検出器は、前記照明光による後方散乱光を検出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定用プローブの先端部に配置された接触体を被測定物の表面に接触させることにより、三次元形状を測定する接触式の測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元構造を有する被測定物の表面の座標や形状を測定する三次元形状計測方法として、プローブを被測定物の表面に所定の接触力で押圧しながら被測定物の表面に倣って移動させ、プローブの移動位置から表面形状を測定する倣い測定法が知られている。
【０００３】
従来の三次元形状計測方法においては、特許文献１に開示されているように、エアー軸受けを用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設けることで、ばねで自重を支えていた。これにより、測定に伴う加重で被測定物を傷つけたり、被測定物の取り付け位置がずれたりしないように、なるべく小さな接触力にて測定を行っていた。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、被測定物にプローブを押し付ける接触力を低減するには限界がある。そこで、特許文献２に開示されたように、剛体であるシャフトを介さずに、レーザ光の光放射圧によりトラップした微粒子を接触体とするプローブを用いて微細加工された被測定物の形状測定を行う方法がある。
【０００５】
集光レンズで集光して微粒子に照射されるレーザ光は、微粒子と外気の境界面で反射・屈折するため光放射圧が発生する。このような光放射圧の鉛直上向き方向の合力（トラップ力）が微粒子に対して自重以上の力を作用させることで、微粒子を保持する。このように光放射圧によって保持した微粒子を接触体として用いることで、１０−５Ｎオーダの接触力を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６５３４０号公報
【特許文献２】特開２００４−１２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示された方法は、接触力の低減には有力な手段であるが、測定を開始する前に、予め配置しておいた微粒子を、接触体として最初に捕捉しなくてはならない。
【０００８】
また、光放射圧により微粒子の自重を越える鉛直上向きの合力を発生させるためには、検出光学系の光軸に対して大きな角度で微粒子に光を集光しなくてはならない。このため、矩形溝形状を測定する場合には、微粒子に照射されるべき光が被測定物により遮蔽され、光放射圧による微粒子の保持が不可能になってしまうことがある。
【０００９】
さらに、微粒子は球形の透明体であることを前提としており、照射光が微粒子から透過し洩れ出ている。このため、被測定物に微粒子が接近した際に被測定物へ透過光が到達して反射され、照射光と反射光が干渉し、光放射圧に変化を与えることによる測定誤差を生じてしまう。
【００１０】
本発明は、光放射圧を利用する接触体を測定の都度捕捉する必要が無く、しかも、被測定物の側面や溝形状部の測定においても高精度で安定した形状測定を行うことが可能である測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の測定装置は、接触体と、被測定物に沿って移動可能であるプローブ本体とを備え、前記接触体を被測定物に接触させて倣い走査させるとともに、前記プローブ本体の位置を計測することにより三次元形状を測定する測定装置において、前記接触体を支持し、前記プローブ本体に前記接触体を連結する可撓性の支持部材と、前記プローブ本体に支持された対物レンズと、前記対物レンズを介して前記接触体に光を集光する光学系と、前記接触体からの後方散乱光を受光し、被測定物に接触した前記接触体の前記プローブ本体に対する位置を検出するための光検出器と、前記接触体を被測定物に接触させた状態で、前記プローブ本体に対する前記接触体の位置を一定に保持しながら、前記プローブ本体を被測定物に沿って移動させる移動手段と、前記プローブ本体の位置を計測する位置計測器と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
接触体が、接触体を支持する可撓性の支持部材によってプローブ本体に連結され、支持部材により鉛直上向きの力を受けるため、光放射圧によって接触体の自重を支える必要が無い。したがって、光放射圧を発生させるための光は光学系の光軸付近の角度で接触体に集光させればよい。例えば、矩形溝形状の側壁に接触体を接触させる場合においても光が遮られることなく、より複雑な三次元形状を測定できる。
【００１３】
接触体が被測定物へ接触すると、可撓性の支持部材が座屈（弛む）することにより、プローブ本体の運動によって被測定物に伝わる力が低減される。このため、接触体が可撓性のないシャフトでプローブ本体と連結されている場合に比べて、接触力を非常に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態による測定装置を示す模式図である。
【図２】第２の実施形態による測定装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態を示す。この測定装置は、光源（ファイバーレーザ）１と、光源１から出射したレーザ光Ｇの光の強度及び照射方向を変える照射方向変更器である音響光学偏向器２とを有する。また、測定装置は、プローブ本体９に支持された、レーザ光Ｇを集光させる対物レンズ３等を含む光学系を有する。
【００１６】
レーザ光Ｇを透過させる固定部材４及び可撓性を有する支持部材５からなる連結部に連結された接触体６は、可撓性の支持部材５を構成する石英の細線の先端部を溶融させ、溶融部の表面張力を利用して球形に成形された球状体である。これにより接触体６は可撓性の支持部材５の先端に支持される。また、可撓性の支持部材５の基端は、固定部材４のレーザ光Ｇが透過する部分に固定されている。したがって、接触体６は、可撓性の支持部材５により固定部材４を介してプローブ本体９に連結されている。なお、接触体のプローブ本体への連結構造は、これに限定するものではなく、接触体が可撓性の支持部材により直接プローブ本体に連結（即ち、支持部材が直接プローブ本体に支持）されてもよい。支持部材５は光学系の光を透過させ、被測定物に接触する球状体の下半球はクロム膜にて反射処理が施してある。ハーフミラー７は、光源１からきたレーザ光Ｇを対物レンズ３へ反射して折り曲げつつ、接触体６からの後方散乱光を光検出器８へ透過させる。
【００１７】
プローブ本体９は、対物レンズ３、レーザ光Ｇを透過させる固定部材４等を支持する。プローブ本体９のＺ方向の変位は、プローブ本体９の位置を計測する位置計測器である干渉計１０により、フレーム１２上に固定された位置基準である参照ミラー１１との距離を測定することによって計測される。被測定物１３の表面に沿って倣い走査するプローブ本体９は、移動手段であるＸＹテーブル１６上にガイド１５によって支持され、ボールネジ１４を駆動要素として組み込んだ直動ユニットにてＺ方向へ移動可能になっている。また、ＸＹテーブル１６がＸＹ方向へ移動することで、プローブ本体９のＸＹ方向への走査が行われる。なお、移動手段の構成は、上記の例に限らず、装置の使用者が適宜決めてよい。
【００１８】
レーザ光Ｇは光源１を出射した後、音響光学偏向器２を通過しハーフミラー７にて折り曲げられ、対物レンズ３により接触体６の底面に集光される。このとき接触体６は、レーザ光Ｇによる重力方向の光放射圧の影響により、レーザ光Ｇの焦点を追従するように移動する。そのため、音響光学偏向器２によってレーザ光Ｇを偏向することにより照射点（焦点）を振動させることで、任意の方向の振動を接触体６に励振することができる。例えば、レーザ光Ｇの強度及び照射方向を変化させることにより、鉛直方向や水平方向の振動を接触体６に与えて、被測定物１３の表面や溝形状部、被測定物１３の側面などをそれぞれ高精度で計測することができる。このように既知の振動を接触体６に与えながら測定すると、空気揺らぎなどの外乱の影響を区別してさらに高精度に計測することができる。なお音響光学偏向器に替えて電気光学素子を用いてもよい。可撓性を有する支持部材５及び照射されたレーザ光による光放射圧によって接触体６を特定の位置に保持するためには、音響光学偏向器２は本願の測定装置には必ずしも必須ではないが、外乱によるノイズの低減に有効であるため適宜利用してよい。
【００１９】
反射処理を施された接触体６で反射されたレーザ光Ｇの後方散乱光は、対物レンズ３を介してハーフミラー７を通過し、光検出器８によって受光される。このとき、後方散乱光の光検出器８への入射強度分布は接触体６の移動に伴って移動するため、接触体６の振動と同じ周波数の光検出器８への入射強度分布の変動を得ることができる。音響光学偏向器２に入力した偏向周波数を基準周波数として、光検出器８での検出信号をロックイン検出してやれば、背景光などの、接触体６の変位に関する以外の情報を除いた光検出ができる。
【００２０】
接触体６が被測定物１３に接触した際、その位置の変化はレーザ光Ｇの後方散乱光の分布に反映されるので、光検出器８の検出情報（出力）の変化として、接触体６の被測定物１３への接触を検知することができる。光検出器８の出力に応じて、接触体６を接触直後の状態を維持するようにプローブ本体９の位置を制御することで、プローブ本体９に対する接触体６の位置を一定に保つことができる。
【００２１】
プローブ本体９に対する接触体６の位置を一定に保持して接触体６を被測定物１３の表面に接触させながら、接触体６が被測定物１３の表面を倣うようにＸＹテーブル１６を走査する。そのときの干渉計１０と参照ミラー１１との距離変動を測定することで、被測定物１３の表面形状（三次元形状）を計測することができる。ここで、「一定に保持」とは、プローブ本体９の位置を特定の制御目標値に近づける制御動作をいう。
【００２２】
従来の光放射圧によって接触体である微粒子を支える構成と比べて、本実施形態では支持部材５によって支えられた接触体６の位置を定めるために光放射圧を用いる点が大きく異なる。本実施形態によれば、接触体６に対して対物レンズ３により光を集光し、光放射圧を接触体６に対して発生させ、プローブ本体９から離れる方向の力を与え接触体６をプローブ本体に対して所望の位置に配することができる。また接触体６とプローブ本体９とが可撓性の支持部材５によって連結されているため、接触体６を紛失するおそれがない。光放射圧により、接触体６がプローブ本体９から離れる方向に力を受けたときに、接触体６は支持部材５による張力との釣り合いにより一定位置に保持される。また接触体６が被測定物１３に接触したときに、可撓性の支持部材５が座屈（弛む）することにより、プローブ本体９の運動によって被測定物１３に伝わる力を低減できる。
【００２３】
可撓性の支持部材５としては、接触体６とプローブ本体９との距離に上限をもたらすもので、かつ、接触体６が被測定物１３に接触し、支持部材５が圧縮方向の力を受けた際に、直ちに座屈する可撓性部材であればよい。可撓性の支持部材５は、光を透過させる部材からなるとさらによい。
【００２４】
また、プローブ本体９及び接触体６との間に、座屈係数の高い連結部を有していてもよい。例えば、連結部を構成する支持部材５の片方の端が事実上の回転端を構成し、支持部材５自体が所望の接触力において十分座屈を起こす形状を有するか、支持部材５の少なくとも片方の端が回転を許す機構を有する構成であることが好ましい。
【００２５】
接触体６に光を反射する膜（クロム膜）を設けることにより、接触体６を透過する光を遮断することができる。これにより、接触体６の透過光が被測定物表面に照射されることによって生じる不要な迷光を減少させることができ、また照射される光と迷光との干渉による光放射圧の変化に伴う測定誤差の発生を防ぐことができる。
【００２６】
対物レンズ３の上にダイクロイックミラーやハーフミラーを付加して、レーザ光Ｇとは別波長で検出上有利な落射照明を用いることもできる。この照明系を追加することで、接触体６に対して平行光線にて照明し、接触体６からの照明光の後方散乱光の結像をＣＣＤや光位置検出素子などの光検出器によって二次元的に検出してもよい。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態を示すもので、これは、第１の実施形態のレーザ光Ｇとは別波長の光である照明光Ｈを用いて、被測定物１３への接触に伴う接触体６の変位を捉える。
【００２８】
本実施形態では、図１の構成に対して、集光レンズ１７、ハーフミラー１８、光源１９、光検出器２０等を含む照明系を付加する。光源１９から発生させた照明光Ｈは、プローブ本体９においてハーフミラー１８を透過し、集光レンズ１７により集光され、一旦焦点を結んだ後にダイクロイックミラー２１にて反射され、対物レンズ３にて平行光線となって出射する。ダイクロイックミラー２１はレーザ光Ｇを透過し、照明光Ｈは反射する特性を持つ。照明光Ｈにより接触体６を照明し、その後方散乱光を再び対物レンズ３にて集光し、ダイクロイックミラー２１により反射させる。その後、照明光Ｈの後方散乱光は集光レンズ１７を経てハーフミラー１８で反射され、光検出器（光位置検出素子）２０にて検出される。
【００２９】
照明光Ｈによる後方散乱光の場合でも、光検出器２０への入射強度分布は接触体６の移動に伴って移動するため、前述のように、接触体６の振動と同じ周波数の光検出器２０への入射強度分布の変動を得ることができる。このとき、音響光学偏向器２に入力した偏向周波数を基準周波数として、光検出器２０での検出信号をロックイン検出してやれば、背景光などの、接触体６の変位に関する以外の情報を除いた光検出ができる。
【００３０】
本実施形態は、接触体６を光放射圧によって振動させるためのレーザ光Ｇ（例えば、１０００ｎｍ以上の赤外線領域の長波長）とは別波長の照明光Ｈによって接触体６を照明し、その後方散乱光を検出する。このような構成では振動させるためのレーザ光Ｇとは異なる波長（例えば７００ｎｍ以下の短波長）を選んで用いることができるため音響光学素子などの照射方向変更器を通過する際に生じるノイズの影響を抑制することができる。したがって接触体６を励振させるための光と検出光とが共通する第１の実施形態で示したような構成の測定装置よりも高い感度で接触体６の変位、振動を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本願発明は、例えばマイクロマシン等の矩形溝形状部を有する三次元形状を高精度に測定することなどに好適に適用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１、１９    光源
３    対物レンズ
５    支持部材
６    接触体
７、１８    ハーフミラー
８、２０    光検出器
９    プローブ本体
１３  被測定物
１６    ＸＹテーブル
Ｇ    レーザ光
Ｈ    照明光
【図１】
2011080978.tif 000003
【図２】
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