(57)【要約】【課題】  穴の全体形状だけでなく、穴の壁面に形成された微細な凹凸形状をも精度良く測定する。【解決手段】  管状プローブ８０からレーザ光を測定対象穴の壁面に照射し、レーザ光の焦点位置と壁面における反射位置とのずれ量（焦点ずれ量）に応じたフォーカスエラー信号を生成するフォーカスエラー信号生成回路１１１，１１２を備える。コントローラ１００は、管状プローブ８０を回転させながらＺ方向（管状プローブの中心軸方向）に移動させて、レーザ光を測定対象穴の壁面に螺旋状に照射する。そして、管状プローブ８０のＺ方向位置と、管状プローブ８０の回転角度と、フォーカスエラー信号から得た焦点ずれ量とに基づいて測定対象穴の３次元形状を算出する。【選択図】  図１
2010101731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
測定対象穴に挿入される管状体であって、先端に前記レーザ光出射手段から出射したレーザ光を集光させる対物レンズとレーザ光の進行方向を前記測定対象穴の壁面に向かうように変える反射部材とを備え、前記レーザ光出射手段から出射したレーザ光と前記測定対象穴の壁面で反射した反射光とが通過する通路となる管状プローブと、
前記管状プローブを通過して戻った前記反射光を受光し、受光状態に応じた信号を出力する光検出器と、
前記対物レンズにより集光されるレーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対応して、前記光検出器に受光される反射光の受光状態を変化させる受光光学系と、
前記光検出器が出力する信号に基づいて、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出する焦点ずれ量検出手段と、
前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸方向に変化させる移動手段と、
前記管状プローブを前記管状プローブの中心軸周りに回転させる、あるいは、前記測定対象穴を前記測定対象穴の中心軸回りに回転させる回転手段と、
前記移動手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置が基準相対位置から変化した移動量を検出する移動量検出手段と、
前記回転手段により前記管状プローブあるいは前記測定対象穴が基準回転位置から回転した回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記移動手段と前記回転手段とを作動させながら、前記焦点ずれ量検出手段が検出する前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量と、前記移動量検出手段が検出する移動量と、前記回転角度検出手段が検出する回転角度とを取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段により取得した前記ずれ量と前記移動量と前記回転角度とに基づいて、前記測定対象穴の形状データを算出する穴形状算出手段と
を備えた穴形状測定装置。
【請求項２】
前記受光光学系は、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化が大きい第１受光光学系と、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化が小さい第２受光光学系との少なくとも２種類の受光光学系を備え、
前記光検出器は、前記第１受光光学系を介して反射光を受光する第１光検出器と、前記第２受光光学系を介して反射光を受光する第２光検出器との少なくとも２つの光検出器を備え、
前記焦点ずれ量検出手段は、少なくとも前記第１光検出器が出力する信号と前記第２光検出器が出力する信号とを選択可能な受光信号選択手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の穴形状測定装置。
【請求項３】
前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸と直交する少なくとも２方向に変化させるプローブ位置可変手段と、
前記受光信号選択手段により前記第２光検出器が出力する信号を選択した状態で前記回転手段を作動させ、その回転作動中に前記回転角度検出手段により検出された回転角度と前記焦点ずれ量検出手段により検出された前記ずれ量とから前記レーザ光が壁面に照射された照射軌跡となる前記測定対象穴の１周における円形状プロファイルを算出し、前記算出した円形状プロファイルから前記測定対象穴の照射位置における円の中心位置を検出する中心位置検出手段と、
前記プローブ位置可変手段を作動させて、前記管状プローブを前記中心位置検出手段により検出された中心位置にセットするプローブ位置制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項２記載の穴形状測定装置。
【請求項４】
前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸と直交する少なくとも２方向の軸回りに変化させるプローブ傾斜可変手段と、
前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置が前記管状プローブの中心軸方向に異なる少なくとも２つの照射位置において、前記中心位置検出手段を使って前記測定対象穴の円の中心位置を取得し、前記取得した少なくとも２つの照射位置における前記測定対象穴の円の中心位置に基づいて、前記測定対象穴の中心軸に対する前記管状プローブの中心軸の傾きを算出する傾斜検出手段と、
前記傾斜検出手段により検出された前記傾きに基づいて、前記プローブ傾斜可変手段を作動させて前記測定対象穴の中心軸方向と前記管状プローブの中心軸方向とを一致させるプローブ傾斜制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項３記載の穴形状測定装置。
【請求項５】
前記対物レンズは、２つの異なる焦点位置を有する２焦点レンズであり、
前記２焦点レンズにより一方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光と、他方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光とを分離する光分離手段を備え、
前記光検出器と前記受光光学系とは、それぞれ前記光分離手段により分離された反射光を別々に受光するように２組設けられ、
前記焦点ずれ量検出手段は、前記２組の光検出器が出力する信号に基づいて、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出することを特徴とする請求項１記載の穴形状測定装置。
【請求項６】
前記管状プローブは、前記対物レンズと前記反射部材との間隔を調整する間隔調整手段を備えたこと特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項記載の穴形状測定装置。
【請求項７】
前記間隔調整手段により調整された前記対物レンズと前記反射部材との間隔を測定するための目盛表示部と、
前記対物レンズと前記反射部材との間隔に対応した間隔データを入力し、前記間隔データに基づいて前記管状プローブの中心軸から前記レーザ光の焦点位置までの距離を算出する焦点位置算出手段と
を備えたことを特徴とする請求項６記載の穴形状測定装置。
【請求項８】
前記回転手段は、回転テーブルを備え、前記測定対象穴を形成した測定体を、前記回転テーブルの回転軸と前記測定対象穴の中心軸とが合致するように前記回転テーブルにセットした状態で前記回転テーブルを回転させるものであり、
前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を、前記管状プローブの先端から前記測定対象穴の壁面に向けて出射するレーザ光の出射方向に変化させるプローブ位置可変手段と、
前記プローブ位置可変手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を変化させながら、前記焦点ずれ量検出手段により前記ずれ量が検出できる前記相対位置を検出し、前記検出した相対位置を前記測定対象穴の測定時における前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置として設定する測定位置設定手段と、
前記測定位置設定手段により設定された相対位置における、前記回転テーブルの回転軸と前記管状プローブの中心軸との間の距離である軸間距離を検出する軸間距離検出手段と
を備え、
前記穴形状算出手段は、前記軸間距離検出手段により検出した軸間距離を加味して前記測定対象穴の形状データを算出することを特徴とする請求項１または５記載の穴形状測定装置。
【請求項９】
前記測定位置設定手段は、前記プローブ位置可変手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を変化させながら、前記焦点ずれ量検出手段により前記ずれ量が検出できる前記相対位置の範囲を検出し、前記検出した相対位置の範囲の中心位置に基づいて、前記測定対象穴の測定時における前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置を設定することを特徴とする請求項８記載の穴形状測定装置。
【請求項１０】
先端に対物レンズと反射部材とを設けた管状プローブを測定対象穴に挿入し、前記管状プローブの先端から、レーザ光をその照射位置が測定対象穴の壁面を螺旋状に移動するように出射させる照射ステップと、
前記レーザ光が測定対象穴の壁面で反射した反射光を前記管状プローブに通過させて受光し、前記対物レンズにより集光されるレーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対応した信号を光検出器に出力させる光検出ステップと、
前記光検出ステップにより出力される信号から、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出する焦点ずれ量検出ステップと、
前記照射ステップによりレーザ光が前記測定対象穴の壁面に照射される照射位置と、前記焦点ずれ量検出ステップにより検出される前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量とを取得する情報取得ステップと、
前記情報取得ステップにより取得した照射位置とずれ量とに基づいて、前記測定対象穴の形状を算出する穴形状算出ステップと
を含む穴形状測定方法。
【請求項１１】
前記光検出ステップは、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対して変化が大きい第１信号と、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対して変化が小さい第２信号との少なくとも２種類の信号を出力し、
前記焦点ずれ量検出ステップは、前記第１信号と前記第２信号とを含む複数の信号から１つの信号を選択して、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出することを特徴とする請求項１０記載の穴形状測定方法。
【請求項１２】
前記対物レンズとして、２つの異なる焦点位置を有する２焦点レンズを使用し、
前記光検出ステップは、前記２焦点レンズにより一方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光と、他方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光とを分離し、それぞれ分離した反射光における焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に応じた信号を別々に出力させるものであり、
前記焦点ずれ量検出ステップは、前記光検出ステップにより別々に出力された信号に基づいて、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出することを特徴とする請求項１０記載の穴形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象穴に管状プローブを挿入し、管状プローブの先端から測定対象穴の壁面に向けてレーザ光を出射するとともに、壁面からの反射光を管状プローブを介して光検出器で受光し、光検出器における受光信号に基づいて穴の形状を測定する穴形状測定装置および穴形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ光を用いて穴の内面形状を測定する穴形状測定装置が知られている。例えば、特許文献１に提案された穴形状測定装置は、測定対象となる穴に管状プローブを挿入し、管状プローブ内を通過したレーザ光を管状プローブの先端に設けたプリズムで９０°より小さい角度曲げて穴の壁面に照射し、壁面で反射した反射光をプリズムに戻して管状プローブを通過させ集光レンズに導きＰＳＤ（半導体位置検出素子）上で結像させる。そして、反射光のＰＳＤ上での結像位置から、３角測量の原理にてプリズムから壁面までの距離を演算している。穴形状測定装置は、管状プローブを回転させるモータと、管状プローブを軸方向に移動させるモータとを備え、その２つのモータを駆動しながらレーザ光を壁面に照射して、管状プローブの回転角度と軸方向の移動量ごとの、プリズムから壁面までの距離を算出することで、穴の内面３次元形状を測定する。
【特許文献１】特開平５−９９６３１号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかしながら、上記の穴形状測定装置では、穴の全体的な形状は測定できても、穴の壁面に形成された微細な凹凸形状をも測定しようとした場合には精度が不足してしまう。
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、穴の全体的な形状だけでなく、穴の壁面に形成された微細な凹凸形状をも精度良く測定する穴形状測定装置および穴形状測定方法を提供することを目的とする。
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、測定対象穴に挿入される管状体であって、先端に前記レーザ光出射手段から出射したレーザ光を集光させる対物レンズとレーザ光の進行方向を前記測定対象穴の壁面に向かうように変える反射部材とを備え、前記レーザ光出射手段から出射したレーザ光と前記測定対象穴の壁面で反射した反射光とが通過する通路となる管状プローブと、前記管状プローブを通過して戻った前記反射光を受光し、受光状態に応じた信号を出力する光検出器と、前記対物レンズにより集光されるレーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対応して、前記光検出器に受光される反射光の受光状態を変化させる受光光学系と、前記光検出器が出力する信号に基づいて、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出する焦点ずれ量検出手段と、前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸方向に変化させる移動手段と、前記管状プローブを前記管状プローブの中心軸周りに回転させる、あるいは、前記測定対象穴を前記測定対象穴の中心軸回りに回転させる回転手段と、前記移動手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置が基準相対位置から変化した移動量を検出する移動量検出手段と、前記回転手段により前記管状プローブあるいは前記測定対象穴が基準回転位置から回転した回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記移動手段と前記回転手段とを作動させながら、前記焦点ずれ量検出手段が検出する前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量と、前記移動量検出手段が検出する移動量と、前記回転角度検出手段が検出する回転角度とを取得する情報取得手段と、前記情報取得手段により取得した前記ずれ量と前記移動量と前記回転角度とに基づいて、前記測定対象穴の形状データを算出する穴形状算出手段とを備えたことにある。
【０００５】
本発明においては、測定対象穴に管状プローブが挿入され、管状プローブの先端からレーザ光が測定対象穴の壁面に向けて照射される。測定対象穴としては、例えば、円筒状内壁面で囲まれた穴が適している。レーザ光は、レーザ光出射手段から略平行光として出射され、管状プローブの先端に設けた対物レンズを通過するとともに反射部材で方向を変えて測定対象穴の壁面に向かう。管状プローブの先端から壁面に向かうレーザ光は、対物レンズにより集光され焦点位置で収束する。レーザ光は、測定対象穴の壁面で反射し、管状プローブを戻って受光光学系を介して光検出器に受光される。受光光学系は、対物レンズにより集光されるレーザ光の焦点位置と測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対応して光検出器に受光される反射光の受光状態を変化させる。従って、光検出器の信号から、レーザ光の焦点位置と測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量（以下、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量、あるいは、焦点ずれ量と呼ぶ）に応じて出力が変化するフォーカスエラー信号を生成することができる。焦点ずれ量検出手段は、こうしたフォーカスエラー信号を使って、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を検出する。
【０００６】
管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離は一定であるため、焦点ずれ量検出手段により検出される焦点ずれ量から、管状プローブの中心軸から測定対象穴の壁面までの距離を検出することができる。従って、測定対象穴の壁面全体にわたって、管状プローブの中心軸からの距離を検出することで測定対象穴の形状を精度良く測定することができる。
【０００７】
測定対象穴の形状を測定するにあたっては、移動手段と回転手段とを作動させることによりレーザ光の測定対象穴の壁面への照射位置を変化させ、その照射位置ごとのレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を焦点ずれ量検出手段により検出する。移動手段は、管状プローブと測定対象穴との相対位置関係を管状プローブの中心軸方向（中心軸の向いている方向）に変化させる。これにより、レーザ光の照射位置は、測定対象穴の壁面を管状プローブの中心軸方向に移動する。この場合、移動手段は、管状プローブを移動させてもよいし、測定対象穴を移動（つまり、測定対象穴を形成した測定体を移動）させてもよい。一方、回転手段は、管状プローブを管状プローブの中心軸周りに回転させる、あるいは、測定対象穴を測定対象穴の中心軸回りに回転させる。これにより、レーザ光の照射位置は、測定対象穴の壁面を周方向に移動する。
【０００８】
レーザ光の測定対象穴への照射位置は、移動量検出手段と回転角度検出手段とにより検出することができる。移動量検出手段は、移動手段により管状プローブと測定対象穴との相対位置が基準相対位置から変化した移動量を検出し、回転角度検出手段は、回転手段により管状プローブあるいは測定対象穴が基準回転位置から回転した回転角度を検出する。
【０００９】
そして、情報取得手段が、移動手段と回転手段とを作動させながら、焦点ずれ量検出手段が検出する焦点ずれ量と、移動量検出手段が検出する移動量と、回転角度検出手段が検出する回転角度とを取得する。こうした情報（焦点ずれ量、移動量、回転角度）は、移動手段と回転手段との作動中において所定のタイミングで繰り返し取得され、例えば、メモリに記憶される。
【００１０】
穴形状算出手段は、情報取得手段により取得した焦点ずれ量と移動量と回転角度とに基づいて測定対象穴の形状データを算出する。例えば、管状プローブを測定対象穴の中心軸位置に配置して測定する場合には、管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離（一定値）に焦点ずれ量を加減算することにより測定対象穴の半径が求められ、この半径と移動量と回転角度とから３次元の穴形状データを作成できる。また、管状プローブを測定対象穴の中心軸位置とは異なる位置に測定対象穴の中心軸と平行に配置して、測定対象穴をその中心軸周りに回転させて測定することもできる。この場合には、測定対象穴の中心軸から管状プローブの中心軸までの距離と管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離との合計値に焦点ずれ量を加減算することにより測定対象穴の半径が求められ、この半径と移動量と回転角度とから３次元の穴形状データを作成できる。
【００１１】
このように本発明によれば、レーザ光の焦点位置と測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に応じて変化する信号、つまり、フォーカスエラー信号を使って穴形状を測定するため、穴の全体形状だけでなく、穴の壁面に形成された微細な凹凸形状までも精度良く測定することができる。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、前記受光光学系は、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化が大きい第１受光光学系と、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化が小さい第２受光光学系との少なくとも２種類の受光光学系を備え、前記光検出器は、前記第１受光光学系を介して反射光を受光する第１光検出器と、前記第２受光光学系を介して反射光を受光する第２光検出器との少なくとも２つの光検出器を備え、前記焦点ずれ量検出手段は、少なくとも前記第１光検出器が出力する信号と前記第２光検出器が出力する信号とを選択可能な受光信号選択手段を備えたことにある。
【００１３】
レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化の度合いは、受光光学系の設定により調整することができる。その場合、焦点ずれ量に対する受光状態の変化を大きく設定すると、焦点ずれを精度良く検出できるものの、焦点ずれの検出範囲が狭くなる。逆に、焦点ずれ量に対する受光状態の変化を小さく設定すると、焦点ずれの検出精度は劣るが、焦点ずれの検出範囲を広くすることができる。例えば、非点収差法を用いて焦点ずれを測定する場合には、受光光学系の設定によりフォーカスエラー信号に発生するＳ字状波形信号の形状を調整できる。受光光学系により、焦点ずれ量に対する受光状態の変化を大きく設定すると、Ｓ字状波形のピーク値間距離であるＳ字検出距離が短くなる。この場合には、焦点ずれの検出精度が高いが検出範囲が狭くなる。逆に、受光光学系により、焦点ずれ量に対する受光状態の変化を小さく設定すると、Ｓ字検出距離が長くなる。この場合には、焦点ずれの検出精度が低いが検出範囲が広くなる。
【００１４】
本発明においては、少なくとも２種類の特性を有する受光光学系を備え、その受光光学系を介して受光して得た光検出信号を受光信号選択手段により選択できるようにしたため例えば、焦点ずれの検出範囲の広い受光信号を選択することにより、焦点ずれ量を用いて管状プローブと測定対象穴との位置調整を行うことができる。従って、位置調整後は、焦点ずれの検出精度の高い受光信号を選択しても、測定対象穴全体にわたってレーザ光の反射位置が焦点ずれの検出範囲内に収まる。この結果、測定対象穴全体にわたって精度の高い形状測定を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の他の特徴は、前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸と直交する少なくとも２方向に変化させるプローブ位置可変手段と、前記受光信号選択手段により前記第２光検出器が出力する信号を選択した状態で前記回転手段を作動させ、その回転作動中に前記回転角度検出手段により検出された回転角度と前記焦点ずれ量検出手段により検出された前記ずれ量とから前記レーザ光が壁面に照射された照射軌跡となる前記測定対象穴の１周における円形状プロファイルを算出し、前記算出した円形状プロファイルから前記測定対象穴の照射位置における円の中心位置を検出する中心位置検出手段と、前記プローブ位置可変手段を作動させて、前記管状プローブを前記中心位置検出手段により検出された中心位置にセットするプローブ位置制御手段とを備えたことにある。
【００１６】
本発明においては、第２光検出器が出力する信号、つまり、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量の検出範囲の広い受光信号を使って、管状プローブを測定対象穴の中心位置にセットする。管状プローブを測定対象穴の中心位置にセットするにあたって、中心位置検出手段が、第２光検出器が出力する信号を選択した状態で、回転手段を作動させ、その回転作動中に回転角度検出手段により検出された回転角度と焦点ずれ量検出手段により検出された焦点ずれ量とからレーザ光が壁面に照射された照射軌跡となる測定対象穴の１周における円形状プロファイルを算出し、算出した円形状プロファイルから測定対象穴の照射位置における円の中心位置を検出する。そして、プローブ位置制御手段は、プローブ位置可変手段を作動させて、管状プローブと測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸と直交する方向に変化させて、管状プローブを中心位置検出手段により検出された中心位置にセットする。従って、本発明によれば、焦点ずれ量に基づいて、簡単に管状プローブを測定対象穴の円の中心位置にセットすることができる。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を前記管状プローブの中心軸と直交する少なくとも２方向の軸回りに変化させるプローブ傾斜可変手段と、前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置が前記管状プローブの中心軸方向に異なる少なくとも２つの照射位置において、前記中心位置検出手段を使って前記測定対象穴の円の中心位置を取得し、前記取得した少なくとも２つの照射位置における前記測定対象穴の円の中心位置に基づいて、前記測定対象穴の中心軸に対する前記管状プローブの中心軸の傾きを算出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段により検出された前記傾きに基づいて、前記プローブ傾斜可変手段を作動させて前記測定対象穴の中心軸方向と前記管状プローブの中心軸方向とを一致させるプローブ傾斜制御手段とを備えたことにある。
【００１８】
本発明においては、第２光検出器が出力する信号、つまり、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量の検出範囲の広い受光信号を使って、管状プローブの中心軸の向きと測定対象穴の中心軸の向きとを一致させる。管状プローブの中心軸の向きを測定対象穴の中心軸の向きと一致させるにあたって、傾斜検出手段が、管状プローブと測定対象穴との相対位置が管状プローブの中心軸方向に異なる少なくとも２つの照射位置において、中心位置検出手段を使って測定対象穴の円の中心位置を取得し、取得した少なくとも２つの照射位置における測定対象穴の円の中心位置に基づいて、測定対象穴の中心軸に対する管状プローブの中心軸の傾きを算出する。そして、プローブ傾斜制御手段は、傾斜検出手段により検出された傾きに基づいて、プローブ傾斜可変手段を作動させて、管状プローブと測定対象穴との相対位置関係を管状プローブの中心軸と直交する方向の軸回りに変化させ、測定対象穴の中心軸方向と管状プローブの中心軸方向とを一致させる。従って、本発明によれば、焦点ずれ量に基づいて、管状プローブの中心軸方向と測定対象穴の中心軸方向とを簡単に一致させることができる。この結果、目視では管状プローブの向きを測定対象穴の向きに合わせにくい場合、例えば、測定対象穴が深い場合でも、深い部分で穴形状が測定できなくなる（反射位置が焦点ずれ検出範囲から外れる）といった不具合を低減することができる。
【００１９】
また、本発明の他の特徴は、前記対物レンズは、２つの異なる焦点位置を有する２焦点レンズであり、前記２焦点レンズにより一方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光と、他方の焦点位置で集光したレーザ光の前記測定対象穴の壁面からの反射光とを分離する光分離手段を備え、前記光検出器と前記受光光学系とは、それぞれ前記光分離手段により分離された反射光を別々に受光するように２組設けられ、前記焦点ずれ量検出手段は、前記２組の光検出器が出力する信号に基づいて、前記レーザ光の焦点位置と前記測定対象穴の壁面での反射位置とのずれ量を検出することにある。
【００２０】
本発明においては、対物レンズとして２つの異なる焦点位置を有する２焦点レンズが使用される。光分離手段は、測定対象穴の壁面で反射した反射光を、一方の焦点位置で集光したレーザ光の反射光と、他方の焦点位置で集光したレーザ光の反射光とに分離する。分離されたレーザ光は、それぞれ別々に受光光学系を介して光検出器に受光される。そして、焦点ずれ量検出手段が、２組の光検出器が出力する信号に基づいて、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を検出する。この場合、２つの焦点位置に対する反射位置のずれ量を検出するため、焦点ずれの検出精度を高精度に維持したまま、焦点ずれを検出できる範囲を広くすることができる。従って、管状プローブと測定対象穴との相対位置関係（管状プローブから測定対象穴の壁面までの距離）をあまり精度良く合わせなくても、測定対象穴全体にわたって精度の高い形状測定を行うことができる。
【００２１】
本発明の他の特徴は、前記対物レンズと前記反射部材との間隔を調整する間隔調整手段を備えたことにある。
【００２２】
本発明においては、間隔調整手段を使って対物レンズと反射部材との間隔を調整することにより、管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離を変更することができる。このため、穴径が異なる種々の測定対象穴に対して形状測定が可能となる。
【００２３】
また、本発明の他の特徴は、前記間隔調整手段により調整された前記対物レンズと前記反射部材との間隔を測定するための目盛表示部と、前記対物レンズと前記反射部材との間隔に対応した間隔データを入力し、前記間隔データに基づいて前記管状プローブの中心軸から前記レーザ光の焦点位置までの距離を算出する焦点位置算出手段とを備えたことにある。
【００２４】
本発明においては、間隔調整手段により調整された対物レンズと反射部材との間隔を作業者が目盛表示部から目視で読み取ることができる。読み取られた間隔は、間隔データとして焦点位置算出手段に入力される。焦点位置算出手段は、入力した間隔データに基づいて、管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離を算出する。このため、穴径が異なる種々の測定対象穴の形状測定がさらに容易となる。
【００２５】
また、本発明の他の特徴は、前記回転手段は、回転テーブルを備え、前記測定対象穴を形成した測定体を、前記回転テーブルの回転軸と前記測定対象穴の中心軸とが合致するように前記回転テーブルにセットした状態で前記回転テーブルを回転させるものであり、前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を、前記管状プローブの先端から前記測定対象穴の壁面に向けて出射するレーザ光の出射方向に変化させるプローブ位置可変手段と、前記プローブ位置可変手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を変化させながら、前記焦点ずれ量検出手段により前記ずれ量が検出できる前記相対位置を検出し、前記検出した相対位置を前記測定対象穴の測定時における前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置として設定する測定位置設定手段と、前記測定位置設定手段により設定された相対位置における、前記回転テーブルの回転軸と前記管状プローブの中心軸との間の距離である軸間距離を検出する軸間距離検出手段とを備え、前記穴形状算出手段は、前記軸間距離検出手段により検出した軸間距離を加味して前記測定対象穴の形状データを算出することにある。
【００２６】
本発明においては、測定対象穴を形成した測定体を回転テーブルにセットし、回転テーブルを回転手段により回転させる。この場合、測定体は、測定対象穴の中心軸が回転テーブルの回転軸と合致するようにセットされる。管状プローブは、回転テーブルにセットされた測定体の測定対象穴に挿入されており、プローブ位置可変手段により、測定対象穴との相対位置関係がレーザ光の出射方向に変化できるようになっている。プローブ位置可変手段は、管状プローブを移動させてもよいし、回転テーブルを移動させてもよい。
【００２７】
プローブ位置可変手段により管状プローブと測定対象穴との相対位置を変化させていくと、レーザ光の焦点位置が測定対象穴の壁面と接近し、焦点ずれ量検出手段によりレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を検出できるようになる。測定位置設定手段は、管状プローブと測定対象穴との相対位置関係を変化させながら、焦点ずれ量検出手段により焦点ずれ量が検出できる相対位置を検出して、その相対位置を測定対象穴の測定時における管状プローブと測定対象穴との相対位置として設定する。このとき、軸間距離検出手段は、測定位置設定手段により設定された相対位置における、回転テーブルの回転軸と管状プローブの中心軸との間の距離である軸間距離を検出する。
【００２８】
測定対象穴の形状測定時には、測定位置設定手段により設定された相対位置にて回転手段が回転テーブルを回転させるとともに、移動手段が管状プローブと測定対象穴との相対位置関係を管状プローブの中心軸方向に変化させる。そして、情報取得手段が、焦点ずれ量検出手段により検出したずれ量と、移動量検出手段により検出した移動量と、回転角度検出手段により検出した回転角度とを取得する。この場合、測定対象穴の半径は、管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離と、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量と、軸間距離検出手段により検出された軸間距離とにより算出することができる。このため、穴形状算出手段は、情報取得手段により取得したずれ量と移動量と回転角度と、軸間距離検出手段により検出した軸間距離とに基づいて測定対象穴の形状データを算出する。
【００２９】
従って、本発明によれば、管状プローブの中心軸を測定対象穴の中心軸に一致させなくてもよいため、測定対象穴の径に左右されず穴形状測定を行うことができる。このため、
穴径が異なる種々の測定対象穴に対して形状測定が可能となる。
【００３０】
また、本発明の他の特徴は、前記測定位置設定手段は、前記プローブ位置可変手段により前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置関係を変化させながら、前記焦点ずれ量検出手段により前記ずれ量が検出できる前記相対位置の範囲を検出し、前記検出した相対位置の範囲の中心位置に基づいて、前記測定対象穴の測定時における前記管状プローブと前記測定対象穴との相対位置を設定することにある。
【００３１】
本発明においては、ずれ量検出手段により焦点ずれ量が検出できる相対位置の範囲を検出して、その相対位置の範囲の中心位置に基づいて、測定対象穴の測定時における管状プローブと測定対象穴との相対位置を設定するため、最適な測定位置を設定することができる。このため、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に基づく穴形状測定を良好に行うことができる。
【００３２】
更に、本発明の実施にあたっては、穴形状測定装置の発明に限定されることなく、穴形状測定方法の発明としても実施し得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図である。この穴形状測定装置は、測定対象穴ｈを形成した測定体ＯＢを載置固定するとともに測定体ＯＢのＸ，Ｙ方向位置（本実施形態においては水平方向位置）と傾きとを調整するステージ駆動装置１０と、測定対象穴ｈの壁面ｗにレーザ光を照射するとともに壁面ｗからの反射光を受光して受光信号を出力するレーザ光照射装置５０と、レーザ光照射装置５０のＺ方向位置（本実施形態においては高さ方向位置）を調整するＺ方向駆動装置９０と、各装置の作動を制御してレーザ光照射装置５０からの受光信号に基づいて穴形状を測定するコントローラ１００とを備えている。測定体ＯＢは、有底あるいは無底の円筒体であって、円筒状の壁面ｗで囲まれた測定対象穴ｈが形成されている。
【００３４】
まず、レーザ光照射装置５０について説明する。レーザ光照射装置５０は、図２に示すように、本体部６０と、本体部６０に接続される管状プローブ８０とを有する。本体部６０は、本体ケース６１内に、レーザ光源６２、コリメートレンズ６３、偏光ビームスプリッタ６４、ビームスプリッタ６５、１／４波長板６６、第１集光レンズ６７、第２集光レンズ６８、第１シリンドリカルレンズ６９、第２シリンドリカルレンズ７０、第１フォトディテクタ７１、第２フォトディテクタ７２、プローブ回転機構７３、プローブ回転モータ７４を備えている。
【００３５】
レーザ光源６２は、レーザ駆動回路１２０から出力された駆動信号により所定強度（距離測定に適した強度）のレーザ光を出射する。レーザ光源６２を出射したレーザ光は、コリメートレンズ６３を通過して平行光になり、偏光ビームスプリッタ６４に入射する。偏光ビームスプリッタ６４は、その透過軸の向きが入射したレーザ光の偏光方向と同じ方向に設定されている。従って、レーザ光は、偏光ビームスプリッタ６４をそのまま透過してビームスプリッタ６５に入射する。ビームスプリッタ６５に入射したレーザ光は、半分が反射し残り半分が透過する。ビームスプリッタ６５を透過したレーザ光は、１／４波長板６６を通過して円偏光となる。１／４波長板６６を通過したレーザ光の進行方向には、管状プローブ８０が設けられている。
【００３６】
管状プローブ８０は、直線状の管体である管本体８３と、管本体８３の先端に設けられる対物レンズ８１と、対物レンズ８１よりも更に先端側の管本体８３に設けられるミラー８２とを備えている。管本体８３は、その中心軸がレーザ光の光軸と同軸となるように向けられて本体ケース６１から露出して設けられる。管本体８３の基端部には、プローブ回転機構７３が設けられている。プローブ回転機構７３は、管本体８３と一体的に回転する歯車７３ｇを備えている。この歯車７３ｇは、プローブ回転モータ７４の出力軸に固着した歯車７４ｇと噛合し、プローブ回転モータ７４の出力軸の回転を管状プローブ８０に伝達する。従って、管状プローブ８０は、プローブ回転モータ７４を駆動することにより、その中心軸周りに回転するようになっている。
【００３７】
１／４波長板６６を通過したレーザ光（平行光）は、管本体８３の内部を通って対物レンズ８１に入射する。レーザ光は、対物レンズ８１を通過して集光しながらミラー８２に入射する。ミラー８２は、レーザ光を管本体８３の中心軸（以下、管状プローブ８０の中心軸と呼ぶ）に直交する方向に反射して測定対象穴ｈの壁面ｗに照射する。このミラー８２は、本発明の反射部材に相当する。レーザ光は、測定対象穴ｈの壁面ｗで反射し、上述した経路を戻る。つまり、レーザ光は、ミラー８２で管状プローブ８０の中心軸方向に反射し、対物レンズ８１を通過して、管本体８３内を通って１／４波長板６６を通過する。１／４波長板６６を通過したレーザ光は、１／４波長板６６を２回通過したことになるため、レーザ光源６２から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。
【００３８】
１／４波長板６６を通過したレーザ光は、その半分がビームスプリッタ６５で反射し、残りの半分がビームスプリッタ６５を透過する。ビームスプリッタ６５を透過した半分のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ６４に入射する。偏光ビームスプリッタ６４に入射したレーザ光は、レーザ光源から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違しているため、偏光ビームスプリッタ６４で反射する。偏光ビームスプリッタ６４の反射方向には、第１集光レンズ６７、第１シリンドリカルレンズ６９、第１フォトディテクタ７１が設けられている。偏光ビームスプリッタ６４で反射したレーザ光は、第１集光レンズ６７と第１シリンドリカルレンズ６９を通過して第１フォトディテクタ７１に集光される。第１フォトディテクタ７１は、分割線で区切られた４つの同一正方形状の受光素子からなる４分割受光素子にて構成され、時計回りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した大きさの検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。また、第１フォトディテクタ７１は、４つの受光素子が配置された中央に反射光が集光するように固定されている。
【００３９】
一方、ビームスプリッタ６５の反射方向には、第２集光レンズ６８、第２シリンドリカルレンズ７０、第２フォトディテクタ７２が設けられている。ビームスプリッタ６５で反射したレーザ光は、第２集光レンズ６８と第２シリンドリカルレンズ７０を通過して第２フォトディテクタ７２に集光される。第２フォトディテクタ７２は、第１フォトディテクタ７１と同様に、分割線で区切られた４つの同一正方形状の受光素子からなる４分割受光素子にて構成され、時計回りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した大きさの検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。また、第２フォトディテクタ７２は、第１フォトディテクタ７１と同様に、４つの受光素子が配置された中央に反射光が集光するように固定されている。
【００４０】
第１，第２フォトディテクタ７１，７２に集光されるレーザ光のスポット形状は、対物レンズ８１により集光されるレーザ光の焦点位置と測定対象穴ｈの壁面ｗで反射する位置（以下、反射位置と呼ぶ）とのずれ量に応じて変化し、例えば、焦点位置と反射位置とが一致しているときには、円形となり、焦点位置と反射位置とがずれていれば、そのずれ量が大きいほど扁平な楕円となる。また、焦点位置に対して反射位置が近い場合と遠い場合とで、楕円の長軸の向きが９０°異なる。これは、集光レンズ６７と非点収差を有するシリンドリカルレンズ６９とを組み合わせた受光光学系、および、集光レンズ６８と非点収差を有するシリンドリカルレンズ７０とを組み合わせた受光光学系により実現される。第１，第２フォトディテクタ７１，７２は、受光したレーザ光のスポットの楕円軸が、受光領域を４分割する分割線と４５°の角度をなすように配置される。これにより、例えば、反射位置が焦点位置より手前のときにはレーザ光のスポットが受光領域Ａ，Ｃに拡がり、反射位置が焦点位置より遠方のときにはレーザ光のスポットが受光領域Ｂ，Ｄに拡がるように構成される。
【００４１】
従って、第１，第２フォトディテクタ７１，７２の受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）から（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））という演算を行えば、その演算結果を反射位置と焦点位置とのずれ量として求めることができる。こうした演算は、一般に、非点収差法を用いたフォーカスサーボ制御を行うときに使われ、この演算結果を表す信号はフォーカスエラー信号と呼ばれている。
【００４２】
図３は、レーザ光の焦点位置に対して照射面の位置を光軸方向に変化させたときの、非点収差法を用いた演算により得られるフォーカスエラー信号の波形を表す。フォーカスエラー信号は、図示するようにＳ字状波形となる。照射面を対物レンズから充分に離れた状態から対物レンズに接近させていくと、フォーカスエラー信号の出力（波高値）は、ゼロレベルから一旦減少したのち増加しゼロレベルでクロスする。このゼロクロス点Ｐ０が、照射面が焦点位置と一致しているポイントといえる。そして、照射面をさらに対物レンズに接近させていくと、フォーカスエラー信号は増大したのち減少しゼロレベルに至る。
【００４３】
従って、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量は、フォーカスエラー信号により検出することができる。この場合、ずれ量の検出は、Ｓ字状波形信号の正負のピーク点Ｐ１，Ｐ２の間のエリア（以下、このエリアをＳ字検出エリアと呼び、ピーク点の間の距離をＳ字検出距離と呼ぶ）において可能となる。ずれ量の検出は、Ｓ字検出距離が短いほど検出精度が高くなるが検出できる範囲が狭い。
【００４４】
本実施形態においては、第１集光レンズ６７，第１シリンドリカルレンズ６９，第１フォトディテクタ７１の位置関係と、第２集光レンズ６８，第２シリンドリカルレンズ７０，第２フォトディテクタ７２の位置関係とを相違させることにより、第１フォトディテクタ７１と第２フォトディテクタ７２とに受光されるレーザ光のスポット形状が異なるように設定されている。以下、第１集光レンズ６７，第１シリンドリカルレンズ６９からなる受光光学系を第１受光光学系と呼び、第２集光レンズ６８，第２シリンドリカルレンズ７０からなる受光光学系を第２受光光学系と呼ぶ。第１受光光学系は、第２受光光学系に比べて、焦点位置と反射位置とのずれ量に対する受光状態の変化（フォトディテクタ７１における受光状態の変化）が大きく設定されている。従って、第１フォトディテクタ７１の受光信号から作成したフォーカスエラー信号は、第２フォトディテクタ７２の受光信号から作成したフォーカスエラー信号に比べて、焦点ずれの検出精度は高いがＳ字検出距離が短い。
【００４５】
第１フォトディテクタ７１から出力される受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、第１フォーカスエラー信号生成回路１１１に入力され、第２フォトディテクタ７２から出力される受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、第２フォーカスエラー信号生成回路１１２に入力される。各フォーカスエラー信号生成回路１１１，１１２は、それぞれ入力した受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を増幅した後、（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））という演算によりフォーカスエラー信号を生成する。以下、第１フォーカスエラー信号生成回路１１１により生成された信号を第１フォーカスエラー信号と呼び、第２フォーカスエラー信号生成回路１１２により生成された信号を第２フォーカスエラー信号とよび、それらを区別しないときは、単にフォーカスエラー信号と呼ぶ。
【００４６】
図４は、第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号とを表す。第２フォーカスエラー信号は、第１フォーカスエラー信号に比べてＳ字検出距離が長い。従って、第２フォーカスエラー信号を使えば、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量の検出できる範囲が広くなり、第１フォーカスエラー信号を使えば、ずれ量に対する信号変化量が大きくなるため検出精度が高くなる。尚、本実施形態においては、測定対象穴ｈの反射率は同一としている。もし測定対象穴ｈの反射率が測定体ＯＢにより異なる場合は、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に対するフォーカスエラー信号の強度が異なる。即ち、図４の波形は測定対象穴ｈの反射率が異なると縦軸の目盛が異なることになる。この場合は、フォーカスエラー信号として（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の演算により作成された信号を使用すればよい。これによれば測定対象穴ｈの反射率が異なっても、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に対するフォーカスエラー信号の強度は同一となる。
【００４７】
また、焦点位置と反射位置とのずれ量の検出にあたっては、異なるずれ量に対してフォーカスエラー信号が同じ波高値を出力しないようにするため、図の破線で示した信号を除去する必要がある。この場合、第１，第２フォトディテクタ７１，７２から入力した受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って、それらの合計値（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）を演算したＳＵＭ信号を生成し、このＳＵＭ信号の波高値が基準強度以下となるときのフォーカスエラー信号をマスクすればよい。このマスク処理により、ゼロクロス点Ｐ０を中心とした正負のピーク点までの範囲のフォーカスエラー信号を生成することができる。これにより、レーザ光の焦点位置に対する反射位置のずれ量と、フォーカスエラー信号の波高値との関係が一対一の関係となる。尚、測定対象穴ｈの反射率が測定体ＯＢにより異なる場合は、ＳＵＭ信号の波高値の基準強度が異なるため、最初にレーザ光の焦点位置を変化させてＳＵＭ信号の最大値を取得し、この最大値から基準強度を設定するようにすればよい。
【００４８】
第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号とは、信号選択スイッチ１１３に入力される。信号選択スイッチ１１３は、入力した２つのフォーカスエラー信号のうち、コントローラ１００から指定された片方のフォーカスエラー信号を選択して出力する。選択されたフォーカスエラー信号は、Ａ／Ｄ変換器１１４に入力される。Ａ／Ｄ変換器１１４は、クロック信号発生回路１１５が出力するクロック信号（パルス信号）を入力するたびに、信号選択スイッチ１１３から入力したフォーカスエラー信号をデジタル信号に変換してコントローラ１００に出力する。クロック信号発生回路１１５は、コントローラ１００からの指令を入力すると、所定周期のクロック信号を出力する。
【００４９】
次に、Ｚ方向駆動装置９０について図２を用いて説明する。Ｚ方向駆動装置９０は、図示しない本体フレームに固定される支持アーム９１を備えている。この支持アーム９１には、フィード用電動モータ９２（以下、フィードモータ９２と呼ぶ）が固定される。フィードモータ９２の出力軸には、雄ネジ９３ｇが形成されたネジシャフト９３が連結されている。ネジシャフト９３の先端は、ネジ送りフレーム９４に回転可能に軸支されている。ネジシャフト９３には、その雄ネジ９３ｇと噛合する雌ネジ（図示略）が形成されたナット９５が挿通されている。ナット９５は、ネジ送りフレーム９４に設けた回転止め部材（図示略）より回転規制され、ネジシャフト９３の軸線方向にのみ移動可能となっている。このため、フィードモータ９２の回転によりナット９５が上下移動するネジ送り機構が構成されている。レーザ光照射装置５０は、管状プローブ８０の中心軸とネジシャフト９３の中心軸とが平行となるように、ナット９５と本体ケース６１が連結される。従って、レーザ光照射装置５０は、フィードモータ９２を駆動（正回転駆動、逆回転駆動）することによりＺ方向（管状プローブ８０の中心軸方向）に移動可能に構成されている。
【００５０】
レーザ光照射装置５０は、フィードモータ９２と同時にプローブ回転モータ７４を駆動することにより、管状プローブ８０から水平方向に出射されるレーザ光を、測定対象穴ｈの壁面ｗに対して螺旋状に照射することができる。この場合、レーザ光の焦点位置は、管状プローブ８０の中心軸を中心とした一定半径の螺旋状ルートを移動するため、上述したフォーカスエラー信号をこの螺旋状ルートに沿って検出することにより、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量から、測定対象穴ｈの壁面ｗの凹凸形状を検出することができる。
【００５１】
フィードモータ９２には、同モータ９２の回転を検出して、その回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ９２ａが組み込まれている。この回転検出信号は、フィードモータ９２が所定の微少な回転角度だけ回転するたびに電圧レベルがハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号であって、互いにπ／２だけ移相のずれた２つのＡ相信号とＢ相信号とからなる。回転検出信号は、フィードモータ制御回路１１６と移動量検出回路１１７とに出力される。
【００５２】
フィードモータ制御回路１１６は、コントローラ１００から初期位置移動指令を入力すると、フィードモータ９２を駆動してレーザ光照射装置５０を上方向に移動させる。初期位置移動指令は、移動量検出回路１１７にも入力される。移動量検出回路１１７は、この初期位置移動指令を入力すると、エンコーダ９２ａから出力されるパルス列信号が停止したとき、つまり、レーザ光照射装置５０が上方向の駆動限界位置に到達したときにフィードモータ制御回路１１６に対して駆動停止信号を出力する。フィードモータ制御回路１１６は、移動量検出回路１１７から駆動停止信号を入力するとフィードモータ９２の駆動を停止する。これによりレーザ光照射装置５０は、最上位置で停止する。この最上位置がレーザ光照射装置５０の初期位置となる。
【００５３】
移動量検出回路１１７は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ９２ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。その後は、エンコーダ９２ａから入力したパルス列のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンし、このカウント値からレーザ光照射装置５０の初期位置からの移動量（管状プローブ８０の移動量でもあり、レーザ光の照射スポット位置の移動量でもある）を計算し、計算した移動量をコントローラ１００に出力する。
【００５４】
フィードモータ制御回路１１６は、コントローラ１００から正方向移動指令を入力したときには、フィードモータ９２を駆動してレーザ光照射装置５０を設定速度で下方向に移動させ、コントローラ１００から逆方向移動指令を入力したときには、フィードモータ９２を駆動してレーザ光照射装置５０を設定速度で上方向に移動させる。フィードモータ制御回路１１６は、フィードモータ９２を駆動するにあたっては、エンコーダ９２ａから入力したパルス列信号を用いて、単位時間当たりのパルス数が設定速度に対応したパルス数と等しくなるようにフィードモータ９２の回転速度を制御する。
【００５５】
プローブ回転モータ７４にも、同モータ７４の回転を検出して、その回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ７４ａが組み込まれている。この回転検出信号は、管状プローブ８０の回転位置が一つの基準回転位置に来るごとに発生されるインデックス信号（パルス信号）と、管状プローブ８０が所定の微少な回転角度だけ回転するたびに電圧レベルがハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号であって、互いにπ／２だけ移相のずれた２つのＡ相信号とＢ相信号とからなる。回転検出信号は、プローブ回転モータ制御回路１１８と回転角度検出回路１１９とに出力される。
【００５６】
プローブ回転モータ制御回路１１８は、コントローラ１００から作動指令を入力すると、エンコーダ７４ａの出力するパルス列信号を用いて、パルス列信号の単位時間当たりのパルス数が予め設定されている回転速度に対応したパルス数に等しくなるようにプローブ回転モータ７４を駆動する。また、回転角度検出回路１１９は、コントローラ１００から作動指令を入力すると、エンコーダ７４ａの出力するパルス列信号とインデックス信号とを用いて、管状プローブ８０の基準回転位置からの回転角度θを算出し、算出した回転角度θを表すデジタルデータを所定の周期でコントローラ１００に出力する。
【００５７】
次に、ステージ駆動装置１０について説明する。ステージ駆動装置１０は、測定対象穴ｈを形成した測定体ＯＢを載置固定するステージ１１と、ステージ１１をＸ方向に移動させるＸ方向モータ１２と、ステージ１１をＹ方向に移動させるＹ方向モータ１３と、ステージ１１をＸ軸回りに傾けるＸ角度モータ１４と、ステージ１１をＹ軸回りに傾けるＹ角度モータ１５とを備えている。Ｘ方向とは、管状プローブ８０の中心軸に対して直交する１つの方向であり、図１の例では奥行き方向となる。Ｙ方向とは、管状プローブ８０の中心軸に対して直交し、かつ、Ｘ方向とも直交する方向であり、図１の例では左右方向となる。また、Ｘ軸回りとは、Ｘ方向に向けられた軸を中心として回転する方向であり、図１の例では紙面と平行な面において右あるいは左に回転する方向となる。Ｙ軸回りとは、Ｙ方向に向けられた軸を中心として回転する方向であり、図１の例では紙面と直交する鉛直平面において前方あるいは後方に回転する方向となる。
【００５８】
Ｘ方向モータ１２、Ｙ方向モータ１３、Ｘ角度モータ１４、Ｙ角度モータ１５は、それぞれＸ方向モータ制御回路２２、Ｙ方向モータ制御回路２３、Ｘ角度モータ制御回路２４、Ｙ角度モータ制御回路２５から出力される駆動信号により回転する。Ｘ方向モータ１２、Ｙ方向モータ１３、Ｘ角度モータ１４、Ｙ角度モータ１５には、それぞれモータ回転角度を検出して、その回転角度を表す回転検出信号を出力するエンコーダ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａが組み込まれている。各エンコーダ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａの出力する回転検出信号は、いずれも、フィードモータ９２に組み込まれたエンコーダ９２ａの出力する回転検出信号と同様なパルス列信号である。エンコーダ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａから出力される回転検出信号は、Ｘ方向位置検出回路３２、Ｙ方向位置検出回路３３、Ｘ角度検出回路３４、Ｙ角度検出回路３５に入力される。
【００５９】
Ｘ方向モータ制御回路２２は、コントローラ１００から出力されたＸ方向位置指令を入力すると、Ｘ方向位置検出回路３２が出力するＸ方向検出位置に基づいて、Ｘ方向検出位置がコントローラ１００により指令されたＸ方向位置になるまでＸ方向モータ１２を駆動する。Ｘ方向位置検出回路３２は、エンコーダ１２ａの出力するパルス列信号のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンすることによりステージ１１のＸ方向の移動量を計算し、計算した移動量を原点位置（原点位置を表す移動量）に加減算することによりＸ方向位置を算出してＸ方向モータ制御回路２２に出力する。Ｘ方向の原点位置は、ステージ１１のＸ方向移動可能範囲における中心位置に設定されている。
【００６０】
Ｘ方向モータ制御回路２２は、コントローラ１００から限界位置移動指令を入力すると、Ｘ方向モータ１２を駆動してステージ１１をＸ軸の正方向に移動させる。限界位置移動指令は、Ｘ方向位置検出回路３２にも入力される。Ｘ方向位置検出回路３２は、この限界位置移動指令を入力すると、エンコーダ１２ａから出力されるパルス列信号が停止したとき、つまり、ステージ１１がＸ方向の駆動限界位置に到達したときにＸ方向モータ制御回路２２に対して駆動停止信号を出力する。Ｘ方向モータ制御回路２２は、Ｘ方向位置検出回路３２から駆動停止信号を入力するとＸ方向モータ１２の駆動を停止する。Ｘ方向位置検出回路３２は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ１２ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。従って、Ｘ方向の原点位置は、ステージ１１をＸ方向移動可能範囲の一方端から他方端まで移動させたときにエンコーダ１２ａが出力するパルス列信号のパルス数の１／２の値に設定されている。
【００６１】
Ｙ方向モータ制御回路２３は、コントローラ１００から出力されたＹ方向位置指令を入力すると、Ｙ方向位置検出回路３３が出力するＹ方向検出位置に基づいて、Ｙ方向検出位置がコントローラ１００により指令されたＹ方向位置になるまでＹ方向モータ１３を駆動する。Ｙ方向位置検出回路３３は、エンコーダ１３ａの出力するパルス列信号のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンすることによりステージ１１のＹ方向の移動量を計算し、計算した移動量を原点位置（原点位置を表す移動量）に加減算することによりＹ方向位置を算出してＹ方向モータ制御回路２３に出力する。Ｙ方向の原点位置は、ステージ１１のＹ方向移動可能範囲における中心位置に設定されている。
【００６２】
Ｙ方向モータ制御回路２３は、コントローラ１００から限界位置移動指令を入力すると、Ｙ方向モータ１３を駆動してステージ１１をＹ軸の正方向に移動させる。限界位置移動指令は、Ｙ方向位置検出回路３３にも入力される。Ｙ方向位置検出回路３３は、この限界位置移動指令を入力すると、エンコーダ１３ａから出力されるパルス列信号が停止したとき、つまり、ステージ１１がＹ方向の駆動限界位置に到達したときにＹ方向モータ制御回路２３に対して駆動停止信号を出力する。Ｙ方向モータ制御回路２３は、Ｙ方向位置検出回路３３から駆動停止信号を入力するとＹ方向モータ１３の駆動を停止する。Ｙ方向位置検出回路３３は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ１３ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。従って、Ｙ方向の原点位置は、ステージ１１をＹ方向移動可能範囲の一方端から他方端まで移動させたときにエンコーダ１３ａが出力するパルス列信号のパルス数の１／２の値に設定されている。
【００６３】
Ｘ角度モータ制御回路２４は、コントローラ１００から出力されたＸ軸回り回転角度指令を入力すると、Ｘ角度検出回路３４が出力するＸ軸回り検出角度に基づいて、Ｘ軸回り検出角度がコントローラ１００により指令されたＸ軸回り回転角度になるまでＸ角度モータ１４を駆動する。Ｘ角度検出回路３４は、エンコーダ１４ａの出力するパルス列信号のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンすることによりステージ１１がＸ軸回りに回転した角度を計算し、計算した角度を原点位置の角度に加減算することによりＸ軸回り回転角度を算出してＸ角度モータ制御回路２４に出力する。Ｘ軸回りの原点位置の角度は、ステージ１１のＸ軸回りの回転可能範囲における中心位置に設定されている。
【００６４】
Ｘ角度モータ制御回路２４は、コントローラ１００から限界位置移動指令を入力すると、Ｘ角度モータ１４を駆動してステージ１１をＸ軸回りに傾ける。限界位置移動指令は、Ｘ角度検出回路３４にも入力される。Ｘ角度検出回路３４は、この限界位置移動指令を入力すると、エンコーダ１４ａから出力されるパルス列信号が停止したとき、つまり、ステージ１１がＸ軸回りの傾斜限界位置に到達したときにＸ角度モータ制御回路２４に対して駆動停止信号を出力する。Ｘ角度モータ制御回路２４は、Ｘ角度検出回路３４から駆動停止信号を入力するとＸ角度モータ１４の駆動を停止する。Ｘ角度検出回路３４は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ１４ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。従って、Ｘ軸回り原点位置は、ステージ１１をＸ軸回りに傾斜可能範囲の一方端から他方端まで回転させたときにエンコーダ１４ａが出力するパルス列信号のパルス数の１／２の値に設定されている。
【００６５】
Ｙ角度モータ制御回路２５は、コントローラ１００から出力されたＹ軸回り回転角度指令を入力すると、Ｙ角度検出回路３５が出力するＹ軸回り検出角度に基づいて、Ｙ軸回り検出角度がコントローラ１００により指令されたＹ軸回り回転角度になるまでＹ角度モータ１５を駆動する。Ｙ角度検出回路３５は、エンコーダ１５ａの出力するパルス列信号のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンすることによりステージ１１がＹ軸回りに回転した角度を計算し、計算した角度を原点位置の角度に加減算することによりＹ軸回り回転角度を算出してＹ角度モータ制御回路２５に出力する。Ｙ軸回りの原点位置の角度は、ステージ１１のＹ軸回りの回転可能範囲における中心位置に設定されている。
【００６６】
Ｙ角度モータ制御回路２５は、コントローラ１００から限界位置移動指令を入力すると、Ｙ角度モータ１５を駆動してステージ１１をＹ軸回りに傾ける。限界位置移動指令は、Ｙ角度検出回路３５にも入力される。Ｙ角度検出回路３５は、この限界位置移動指令を入力すると、エンコーダ１５ａから出力されるパルス列信号が停止したとき、つまり、ステージ１１がＹ軸回りの傾斜限界位置に到達したときにＹ角度モータ制御回路２５に対して駆動停止信号を出力する。Ｙ角度モータ制御回路２５は、Ｙ角度検出回路３５から駆動停止信号を入力するとＹ角度モータ１５の駆動を停止する。Ｙ角度検出回路３５は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ１５ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。従って、Ｙ軸回り原点位置は、ステージ１１をＹ軸回りに傾斜可能範囲の一方端から他方端まで回転させたときにエンコーダ１５ａが出力するパルス列信号のパルス数の１／２の値に設定されている。
【００６７】
コントローラ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータを主要部として備えた電子制御装置である。コントローラ１００には、穴形状測定等において取得したデータや各種の設定値等を記憶するためのメモリ１０３が内蔵されている。また、コントローラ１００には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置１０１と、作業者に対して検査結果や作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置１０２とが接続されている。コントローラ１００は、移動量検出回路１１７が出力したＺ方向の移動量のデジタルデータと、Ａ／Ｄ変換器１１４が出力したフォーカスエラー信号のデジタルデータと、回転角度検出回路１１９が出力した管状プローブ８０の回転角度のデジタルデータとを入力し、後述する穴形状測定ルーチンを実行することにより測定対象穴ｈの形状を測定する。
【００６８】
このように構成された穴形状測定装置は、管状プローブ８０から出射されたレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に基づいて測定対象穴ｈの形状を測定するが、その測定にあたってはいくつかの準備が必要となる。以下、その準備について説明する。
【００６９】
作業者は、まず、フォーカスエラー信号の波高値と、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量との関係を測定し、コントローラ１００内のメモリ１０３に記憶させる。この関係の測定にあたっては、図５に示すように、管状プローブ８０から出射するレーザ光が垂直に照射されるように直方体の被照射体ＯＢtestを精密移動ステージＳＴ上に固定する。そして、精密移動ステージＳＴを作動させて被照射体ＯＢtestをレーザ光の出射方向に少量ずつ移動させながら、各移動位置毎に第１フォーカスエラー信号生成回路１１１が出力するフォーカスエラー信号の波高値をＡ／Ｄ変換器１１４を介して取得する。同様に、第２フォーカスエラー信号生成回路１１２が出力するフォーカスエラー信号の波高値をＡ／Ｄ変換器１１４を介して取得する。こうした波高値の取得は、複数回行ってデータを平均化するとよい。精密移動ステージＳＴの移動位置（管状プローブ８０の中心軸から被照射体ＯＢtestの反射面までの距離に相当する）と、フォーカスエラー信号の波高値との関係は、例えば、図４に示すようなＳ字状波形になる。
【００７０】
レーザ光は、フォーカスエラー信号がゼロクロスするときに、その焦点位置が被照射体ＯＢtestの反射面の位置と一致する。従って、反射面のゼロクロス点Ｐ０からの距離とフォーカスエラー信号の波高値との関係を表すテーブルを作成し、このテーブルをコントローラ１００のメモリ１０３に記憶しておく。このテーブルは、第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号との両方において作成する。こうしたテーブルを記憶しておくことで、フォーカスエラー信号からレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を取得することができる。尚、この関係は、レーザ光照射装置５０の光学系を変えない限り大きく変化しないので、一度記憶しておけば、頻繁に記憶し直す必要はない。
【００７１】
次に、作業者は、管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離を測定し、コントローラ１００のメモリ１０３に記憶させる。この距離測定にあたっては、図６に示すように、管状プローブ８０の側面を固定壁Ｗｓの側面に押し当て、この固定壁Ｗｓと被照射体ＯＢtestとの間にゲージブロックＧＢを挿入する。そして、ゲージブロックＧＢを被照射体ＯＢtestと固定壁Ｗｓとの間で挟んだ状態でフォーカスエラー信号を測定し、Ｓ字状波形信号が得られるまで、ゲージブロックＧＢを取り替える。フォーカスエラー信号は、ＳＵＭ信号の波高値が基準値以下となる場合にはマスクされるように生成されるため、Ｓ字検出エリア以外ではゼロレベル信号となる。従って、ゼロより大きな波高値のフォーカスエラー信号が得られるゲージブロックＧＢを探すことになる。こうした作業を行って、Ｓ字検出信号が得られた（ゼロより大きな）フォーカスエラー信号の波高値を取得し、上述したテーブルから、この波高値に対応するレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量ｄｅｖを求める。
【００７２】
ゲージブロックＧＢの厚さ（固定壁Ｗｓと被照射体ＯＢtestとの間の距離）から管状プローブ８０の半径値を減算してずれ量ｄｅｖを加算した値が、管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離となる。作業者は、計算した管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆをコントローラ１００のメモリ１０３に記憶させる。この距離Ｆについても、大きく変化しないので、一度記憶しておけば、頻繁に記憶し直す必要はない。
【００７３】
このようなテーブル、および、管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆがコントローラ１００のメモリ１０３に記憶されると、測定対象穴ｈの形状測定が可能となる。つまり、図７に示すように、回転角度検出回路１１９が出力する回転角度θ、移動量検出回路１１７が出力する移動量ｚ（Ｚ方向位置）、フォーカスエラー信号の波高値からテーブルを参照して得られるレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量ｄを取得し、これに管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆを用いて、測定点の３次元座標が（（Ｆ＋ｄ）・ｃｏｓθ，（Ｆ＋ｄ）・ｓｉｎθ，ｚ）として求められる。
【００７４】
従って、プローブ回転モータ７４とフィードモータ９２とを駆動して、レーザ光の焦点位置を管状プローブ８０の中心軸を中心とした半径Ｆの螺旋状に移動させることにより、その螺旋状ルートに沿った複数ポイントの３次元座標を取得して穴形状を測定することができる。
【００７５】
ただし、第１フォーカスエラー信号は、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれの検出精度が高いがＳ字検出距離が短いため、管状プローブ８０の中心軸と測定対象穴ｈの中心軸とがずれていると、反射位置がＳ字検出エリアから外れてしまい測定不能になる部分が発生する可能性がある。そこで、以下に説明する穴形状測定処理においては、管状プローブ８０の中心軸と測定対象穴ｈの中心軸とを一致させる処理が組み込まれている。
【００７６】
以下、コントローラ１００が実行する穴形状測定処理について説明する。図８Ａ〜図８Ｆは、穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。穴形状測定ルーチンは、コントローラ１００のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されており、ステップＳ１０にて開始される。コントローラ１００は、まず、ステップＳ１２において、Ｘ方向モータ制御回路２２、Ｙ方向モータ制御回路２３、Ｘ方向位置検出回路３２、Ｙ方向位置検出回路３３に対して、ステージ１１のＸ方向，Ｙ方向における駆動限界位置への移動指令を出力する。この移動指令により、Ｘ方向モータ１２とＹ方向モータ１３とが回転して、ステージ１１がＸ方向およびＹ方向の駆動限界位置に向かって移動する。そしてステージ１１が駆動限界位置に到達すると、Ｘ方向位置検出回路３２とＹ方向位置検出回路３３とは、それぞれエンコーダ１２ａ，１３ａの出力するパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。
【００７７】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１４において、Ｘ方向モータ制御回路２２、Ｙ方向モータ制御回路２３に対して、原点位置への移動指令を出力する。この移動指令により、Ｘ方向モータ制御回路２２、Ｙ方向モータ制御回路２３は、それぞれＸ方向モータ１２、Ｙ方向モータ１３を原点方向に駆動し、Ｘ方向位置検出回路３２、Ｙ方向位置検出回路３３により検出されるＸ方向位置、Ｙ方向位置が原点位置になったところで駆動を停止する。
【００７８】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１６において、Ｘ角度モータ制御回路２４、Ｙ角度モータ制御回路２５、Ｘ角度検出回路３４、Ｙ角度検出回路３５に対して、ステージ１１のＸ軸回り，Ｙ軸回りの傾斜限界位置への移動指令を出力する。この移動指令により、Ｘ角度モータ１４とＹ角度モータ１５とが回転して、ステージ１１がＸ軸回りおよびＹ軸回りの傾斜限界位置に向かって回転する。そしてステージ１１が傾斜限界位置に到達すると、Ｘ角度検出回路３４とＹ角度検出回路３５とは、それぞれエンコーダ１４ａ，１５ａの出力するパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。
【００７９】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１８において、Ｘ角度モータ制御回路２４、Ｙ角度モータ制御回路２５に対して、原点位置への移動指令を出力する。この移動指令により、Ｘ角度モータ制御回路２４、Ｙ角度モータ制御回路２５は、それぞれＸ角度モータ１４、Ｙ角度モータ１５を原点方向に駆動し、Ｘ角度検出回路３４、Ｙ角度検出回路３５により検出されるＸ軸回り角度、Ｙ軸回り角度が原点位置となる角度になったところで駆動を停止する。
【００８０】
このステップＳ１２〜Ｓ１８の処理により、ステージ１１は、Ｘ−Ｙ平面座標上での原点で、かつ、傾斜角が０となる水平状態にセットされる。
【００８１】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ２０において、フィードモータ制御回路１１６と移動量検出回路１１７とに対して初期位置移動指令を出力する。フィードモータ制御回路１１６は、コントローラ１００から初期位置移動指令を入力すると、フィードモータ９２を駆動してレーザ光照射装置５０を上方向に移動させ、上方向の駆動限界位置に達したときに移動量検出回路１１７から出力される駆動停止信号を入力してフィードモータ９２の駆動を停止する。こうして、レーザ光照射装置５０が最上位置にセットされる。
【００８２】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ２２において、表示装置１０２を用いて測定体ＯＢをステージ１１へセットするように作業者に指示する。作業者は、この指示に基づいて、測定体ＯＢをステージ１１上にセットし、マニュアル操作でフィードモータ９２を作動させてレーザ光照射装置５０を下方に移動させる。このとき、作業者は、管状プローブ８０が測定対象穴ｈの中心軸付近に配置されるように測定体ＯＢのセット位置を調整する。
【００８３】
コントローラ１００は、ステップＳ２４において、作業者が入力装置１０１にセット完了を表す入力操作を行うまで待機し、入力操作を検出すると、ステップＳ２６において、表示装置１０２を用いて測定対象穴ｈの深さを入力するように作業者に指示する。コントローラ１００は、ステップＳ２７において、作業者が測定対象穴ｈの深さの入力操作を行うまで待機し、その入力操作を検出すると、ステップＳ２８において、フィードモータ制御回路１１６に対して、正方向移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路１１６は、この指令により、フィードモータ９２を設定速度で正回転駆動する。これにより、レーザ光照射装置５０が下方向へ移動し始める。
【００８４】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ３０において、プローブ回転モータ制御回路１１８に対して、プローブ回転開始指令を出力する。プローブ回転モータ制御回路１１８は、この指令により、プローブ回転モータ７４を設定速度で駆動する。これにより、管状プローブ８０がその中心軸を回転中心として回転し始める。
【００８５】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ３２において、レーザ駆動回路１２０に対して、レーザ照射開始指令を出力する。レーザ駆動回路１２０は、この指令により、レーザ光源６２に駆動信号を出力する。これにより、回転する管状プローブ８０の先端から径方向外側に向けてレーザ光が出射される。
【００８６】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ３３において、信号選択スイッチ１１３に対して第２フォーカスエラー信号の選択指令を出力する。信号選択スイッチ１１３は、この選択指令により、第２フォーカスエラー信号生成回路１１２の出力部とＡ／Ｄ変換器１１４の入力部とを導通状態にする。続いて、コントローラ１００は、ステップＳ３４において、クロック信号発生回路１１５に対して、クロック信号の出力開始指令を出力する。クロック信号発生回路１１５は、この指令により所定周期のクロック信号をＡ／Ｄ変換器１１４に出力する。従って、クロック信号に同期してＡ／Ｄ変換器１１４から第２フォーカスエラー信号がデジタル信号に変換されてコントローラ１００に入力される。
【００８７】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ３６において、第２フォーカスエラー信号の波高値Ｉを入力し、ステップＳ３８において、波高値の絶対値｜Ｉ｜が基準値Ａを上回ったか否かを判断する。レーザ光照射装置５０が下降移動を開始した時点においては、管状プローブ８０の先端は、まだ測定対象穴ｈの中に入っていない。このため、第２フォトディテクタ７２には反射光が受光されず、第２フォーカスエラー信号の波高値Ｉはゼロとなっている。波高値の絶対値｜Ｉ｜が基準値Ａを上回るまで、ステップＳ３６，Ｓ３８の処理が繰り返される。そして、管状プローブ８０の先端が測定対象穴ｈの上端に進入すると、レーザ光が測定対象穴ｈの壁面ｗで反射し第２フォトディテクタ７２に反射光が受光される。これにより、第２フォーカスエラー信号の波高値の絶対値｜Ｉ｜が基準値Ａを上回るようになる。尚、第２フォーカスエラー信号は、Ｓ字検出距離が長いため、管状プローブ８０の先端が測定対象穴ｈに進入したとき、レーザ光の反射位置がＳ字検出エリア内に入る。また、基準値Ａは、このとき波高値の絶対値｜Ｉ｜に対して下回るように設定されている。
【００８８】
コントローラ１００は、第２フォーカスエラー信号の波高値の絶対値｜Ｉ｜が基準値Ａを上回ったことを検出すると、ステップＳ４０において、移動量検出回路１１７から移動量を入力し、移動量ｚ０としてメモリ１０３に記憶する。続いて、ステップＳ４２において、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、ステップＳ４４において、移動量ｚから移動量ｚ０を減算した値（ｚ−ｚ０）が微少量Ｂ以上となったかを判断する。つまり、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端から微少量Ｂだけ下方に移動したか否かを判断する。コントローラ１００は、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端から微少量Ｂだけ下方に移動するまでステップＳ４２，Ｓ４４の処理を繰り返す。そして、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端から微少量Ｂだけ下方に移動すると、ステップＳ４６において、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力する。これにより、フィードモータ９２の駆動が停止され、レーザ光照射装置５０の移動が停止する。
【００８９】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ４８において、変数ｎの値を「０」にセットし、次に、ステップＳ５０において、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し、ステップＳ５２において、回転角度θが予め設定した極少角度Ｃを下回っているか否かを判断する。コントローラ１００は、回転角度θが極少角度Ｃを下回るまで、つまり、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置になるまでステップＳ５０，Ｓ５２の処理を繰り返す。そして、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置に達すると、コントローラ１００は、ステップＳ５４において、その回転角度θを回転角度θ（ｎ）としてメモリ１０３に記憶する。この場合、ｎ＝０であるため、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置がθ（０）として記憶される。
【００９０】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ５６において、第２フォーカスエラー信号の波高値のＩを入力し、ステップＳ５８において、上述したテーブルを参照して、波高値Ｉからレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を算出し、ずれ量ｄ（ｎ）としてメモリ１０３に記憶する。以下、このずれ量ｄ（ｎ）を焦点ずれｄ（ｎ）と呼ぶ。続いて、ステップＳ６０において、変数ｎの値を「１」だけインクリメントし、ステップＳ６２において、変数ｎに単位測定角度Δθを乗算した値（ｎ・Δθ）が３６０°を上回ったか否かを判断する。単位測定角度Δθとは、測定対象穴ｈの円の１周を測定ポイント数で分割した角度である。従って、測定対象穴ｈの円の１周を細かく分割して測定するほど単位測定角度Δθは小さな値となる。
【００９１】
コントローラ１００は、ステップＳ６２において、「Ｎｏ」、つまり、測定対象穴ｈの円の１周分の焦点ずれを検出していないと判断した場合は、その処理をステップＳ６４に進める。コントローラ１００は、ステップＳ６４において、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し、ステップＳ６６において、その回転角度θが、変数ｎに単位測定角度Δθを乗じた値を越えたか否かを判断する。つまり、次の測定ポイントとなる回転角度（ｎ・Δθ）に到達したかを判断する。回転角度θが次の測定ポイントとなる回転角度（ｎ・Δθ）に到達するまでステップＳ６４，Ｓ６６の処理が繰り返される。そして、回転角度θが次の測定ポイントとなる回転角度（ｎ・Δθ）に到達すると、コントローラ１００は、その処理をステップＳ５４に戻し、上述した処理を繰り返す。
【００９２】
こうした処理を繰り返すことにより、コントローラ１００は、測定対象穴ｈの円の１周分の焦点ずれｄ（ｎ）データをメモリ１０３に記憶する。この記憶した焦点ずれｄ（ｎ）データは、測定対象穴ｈの上端付近における壁面ｗの周形状（レーザ光が壁面ｗに照射された照射軌跡となる円形状）を表す２次元データ群の元となるデータ（θ（ｎ），ｄ（ｎ））、つまり、プロファイルとなる。コントローラ１００は、測定対象穴ｈの円の１周分の焦点ずれｄ（ｎ）の検出が完了したことを判断すると（Ｓ６２：Ｙｅｓ）、その処理をステップＳ６８の処理に進める。
【００９３】
コントローラ１００は、ステップＳ６８において、フィードモータ制御回路１１６に対して、正方向移動開始指令を出力する。これにより、フィードモータ制御回路１１６がフィードモータ９２を設定速度で正回転駆動して、レーザ光照射装置５０が下方向へ移動し始める。続いて、ステップＳ７０において、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、ステップＳ７２において、移動量ｚから移動量ｚ０を減算した値（ｚ−ｚ０）が、作業者が入力した穴の深さよりも微少量Ｄだけ短い距離を上回ったかを判断する。つまり、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端から微少量Ｄだけ上方の位置にまで移動したか否かを判断する。コントローラ１００は、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端から微少量Ｄだけ上方の位置に移動するまでステップＳ７０，Ｓ７２の処理を繰り返す。そして、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端から微少量Ｄだけ上方の位置にまで移動すると、ステップＳ７４において、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力する。これにより、フィードモータ９２の駆動が停止され、レーザ光照射装置５０の移動が停止する。
【００９４】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ７５において、変数ｓの値を「０」にセットし、次に、ステップＳ７６において、変数ｍの値を「０」にセットする。続いて、コントローラ１００は、ステップＳ７８からの処理を行う。このステップＳ７８からステップＳ９４までの処理は、測定対象穴ｈの下端付近における壁面ｗの周形状を表す２次元データ群の元となるデータ（θ（ｍ），ｄ（ｍ））、つまり、プロファイルを取得する処理であり、上述したステップＳ５０からステップＳ６６の処理と同様である。従って、ここでは説明を省略する。尚、この場合、変数ｎに変えて変数ｍを用いてプロファイルを取得する。
【００９５】
コントローラ１００は、ステップＳ７８〜Ｓ９４により、測定対象穴ｈの下端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイルを取得すると、続いて、ステップＳ９６において、変数ｓの値が「１」であるか否かを判断する。この場合、変数ｓは「０」にセットされているため、コントローラ１００は、「Ｎｏ」と判断して、その処理をステップＳ９８に進める。
【００９６】
コントローラ１００は、ステップＳ９８において、測定対象穴ｈの上端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイル（θ（ｎ），ｄ（ｎ））と、測定対象穴ｈの下端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイル（θ（ｍ），ｄ（ｍ））とに基づいて、測定対象穴ｈの中心軸のＺ方向に対する傾きを計算し、測定対象穴ｈの中心軸をＺ方向に向けるために必要なＸ軸回りの回転角度ΔθｘとＹ軸回りの回転角度Δθｙとを計算する。このΔθｘ，Δθｙの計算に当たっては、まず、プロファイル（θ（ｎ），ｄ（ｎ））から測定対象穴ｈの上端付近における円の中心座標を、プロファイル（θ（ｍ），ｄ（ｍ））から測定対象穴ｈの下端付近における円の中心座標をそれぞれ計算する。そして、図９に示すように、２つの円の中心座標のＸＹ平面上における差を計算し、この差と測定対象穴ｈの上端付近から下端付近までのＺ方向の距離とから、測定対象穴ｈの中心軸の傾き方向と傾き角度とを計算する。これにより、測定対象穴ｈの中心軸をＺ方向に向けるために必要なＸ軸回りの回転角度ΔθｘとＹ軸回りの回転角度Δθｙとを算出することができる。
【００９７】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１００において、Ｘ角度モータ制御回路２４に対して回転角度Δθｘの回転指令を、Ｙ角度モータ制御回路２５に対して回転角度Δθｙの回転指令を出力する。これにより、Ｘ角度モータ１４およびＹ角度モータ１５が駆動して、測定対象穴ｈの中心軸がＺ軸と平行、つまり、管状プローブ８０の中心軸と平行となる。
【００９８】
このように測定対象穴ｈの上端付近と下端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイルから測定対象穴ｈの中心軸の傾き方向と傾き角度とを計算するステップＳ５４〜ステップＳ９８の処理が本発明の傾斜検出手段に相当する。また、検出された傾斜に基づいて測定対象穴ｈの中心軸方向を管状プローブ８０の中心軸方向と一致させるステップＳ１００の処理が本発明のプローブ傾斜制御手段に相当する。
【００９９】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１０２において、変数ｓの値を「１」だけインクリメントして、その処理を上述したステップＳ７６に進める。従って、ステップＳ７６〜Ｓ９４の処理により、再度、測定対象穴ｈの下端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイル（θ（ｍ），ｄ（ｍ））が取得される。コントローラ１００は、ステップＳ９０において、１周分のプロファイル（θ（ｍ），ｄ（ｍ））の取得完了を確認すると、ステップＳ９６において、変数ｓの値が「１」であるか否かについて判断する。この場合、変数ｓは「１」にセットされているため、コントローラ１００は、「Ｙｅｓ」と判定して、その処理をステップＳ１０４に進める。
【０１００】
コントローラ１００は、ステップＳ１０４において、測定対象穴ｈの下端付近における壁面ｗの周形状を表すプロファイル（θ（ｍ），ｄ（ｍ））から、測定対象穴ｈのＸＹ平面上における円の中心座標を計算し、図１０に示すように、管状プローブ８０の中心軸からのずれ量ΔＸ，ΔＹを計算する。続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１０６において、Ｘ方向モータ制御回路２２に対して、ずれ量ΔＸをＸ方向移動量とした移動指令を出力し、Ｙ方向モータ制御回路２３に対して、ずれ量ＹをＹ方向移動量とした移動指令を出力する。これにより、Ｘ方向モータ１２、Ｙ方向モータ１３が駆動してステージ１１が移動し、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とが一致する。
【０１０１】
このように測定対象穴ｈの１周におけるプロファイルから測定対象穴ｈのＸＹ平面上における中心座標を計算するステップＳ８２〜ステップＳ１０４の処理が本発明の中心位置検出手段に相当する。また、その検出した測定対象穴ｈの中心位置に管状プローブ８０の中心位置をセットするステップＳ１０６の処理が本発明のプローブ位置制御手段に相当する。
【０１０２】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１０８において、信号選択スイッチ１１３に対して第１フォーカスエラー信号の選択指令を出力する。信号選択スイッチ１１３は、この選択指令により、第１フォーカスエラー信号生成回路１１１の出力部とＡ／Ｄ変換器１１４の入力部とを導通状態にする。測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とが一致していない状況においては、Ｓ字検出距離の短いフォーカスエラー信号を使って焦点ずれを測定すると、レーザ光の反射位置がＳ字検出エリアから外れて測定不能になってしまう可能性がある。そのため、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とを一致させるまでの期間においては、上述したようにＳ字検出距離の長い第２フォーカスエラー信号を使用し、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とを一致させた後は、焦点ずれの測定精度の高い第１フォーカスエラー信号を使用する。
【０１０３】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１１０において、変数ｎの値を「０」にセットする。次に、ステップＳ１１２において、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し、ステップＳ１１４において、回転角度θが予め設定した極少角度Ｃを下回っているか否かを判断する。コントローラ１００は、回転角度θが極少角度Ｃを下回るまで、つまり、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置になるまでステップＳ１１２，Ｓ１１４の処理を繰り返す。そして、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置に達すると、コントローラ１００は、ステップＳ１１６において、フィードモータ制御回路１１６に対して、逆方向移動開始指令を出力する。これにより、フィードモータ制御回路１１６がフィードモータ９２を設定速度で逆回転駆動して、レーザ光照射装置５０が上方向へ移動し始める。
【０１０４】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１１８において、回転角度θを回転角度θ（ｎ）としてメモリ１０３に記憶する。この場合、ｎ＝０であるため、管状プローブ８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置がθ（０）として記憶される。次に、コントローラ１００は、ステップＳ１２０において、第１フォーカスエラー信号の波高値Ｉを入力し、ステップＳ１２２において、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、入力した移動量ｚを移動量ｚ（ｎ）としてメモリ１０３に記憶する。続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１２４において、上述したテーブルを参照して、波高値Ｉから焦点ずれを算出し、焦点ずれｄ（ｎ）としてメモリ１０３に記憶する。
【０１０５】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１２６において、移動量ｚ（ｎ）が移動量ｚ０未満になった否かを判断する。つまり、レーザ光照射装置５０の上方向の移動により、管状プローブ８０の先端から出射されるレーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端に達したか否かを判断する。レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端に達していなければ、ステップＳ１２８において、変数ｎの値を「１」だけインクリメントする。続いて、ステップＳ１３０において、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し、ステップＳ１３２において、回転角度θと回転角度θ（ｎ）との差、つまり、回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えたか否かを判断する。回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えていない場合には、ステップＳ１３４において、回転角度θが極少角度Ｃを下回っているか否かを判断する。コントローラ１００は、回転角度θが極少角度Ｃを下回っていなければ、その処理をステップＳ１３０に戻し、回転角度θが極少角度Ｃを下回っていれば、その処理をステップＳ１１８に戻す。従って、回転角度θがほぼ０°になるたびに、および、回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えるたびに、回転角度θ（ｎ）、移動量ｚ（ｎ）、焦点ずれｄ（ｎ）がメモリ１０３に逐次記憶される。
【０１０６】
つまり、管状プローブ８０を測定対象穴ｈ内で回転させながら上昇移動させ、それに伴って螺旋状に移動するレーザ光の焦点位置とレーザ光の測定対象穴ｈにおける反射位置とのずれ量である焦点ずれｄ（ｎ）を、管状プローブ８０が回転角０°から単位測定角度Δθだけ回転するたびに計算してメモリ１０３に記憶する。同時に、その焦点ずれｄ（ｎ）を検出した位置データとして、回転角度θ（ｎ）と移動量ｚ（ｎ）とをメモリ１０３に記憶する。これにより、測定対象穴ｈの３次元データ群の元となるデータ（θ（ｎ），ｄ（ｎ），ｚ（ｎ））、つまり、プロファイルが取得される。このステップＳ１１８〜ステップＳ１３４の処理によりデータ（θ（ｎ），ｄ（ｎ），ｚ（ｎ））を取得する処置が本発明の情報取得手段に相当する。
【０１０７】
こうした処理が繰り返され、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの上端に達すると（Ｓ１２６：Ｙｅｓ）、コントローラ１００は、ステップＳ１３６において、プローブ回転モータ制御回路１１８に対してプローブ回転停止指令を出力して管状プローブ８０の回転を停止させる。次に、ステップＳ１３８において、レーザ駆動回路１２０に対してレーザ照射停止指令を出力して管状プローブ８０からのレーザ光の出射を停止させ、ステップＳ１４０において、クロック信号発生回路１１５に対してクロック信号の出力停止指令を出力してクロック信号発生回路１１５の作動を停止させる。
【０１０８】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１４２において、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、ステップＳ１４４において、移動量ｚが微少量Ｄを下回ったか否か、つまり、レーザ光照射装置５０が初期位置（上限位置）近傍に達したか否かを判断する。コントローラ１００は、レーザ光照射装置５０が初期位置近傍に達するまで待ったのち、ステップＳ１４６において、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力する。これにより、フィードモータ９２の駆動が停止され、レーザ光照射装置５０の移動が停止する。
【０１０９】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１４８において、メモリ１０３に記憶したデータ（θ（ｎ），ｄ（ｎ），ｚ（ｎ））と、管状プローブ８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆとに基づいて、３次元形状データ群を計算する。
例えば、３次元座標は、
（（Ｆ＋ｄ（ｎ））・ｃｏｓθ（ｎ），（Ｆ＋ｄ（ｎ））・ｓｉｎθ（ｎ），ｚ（ｎ））として算出することができる。このステップＳ１４８の処理が、本発明の穴形状算出手段に相当する。
【０１１０】
続いて、コントローラ１００は、ステップＳ１５０において、３次元形状データ群から３次元画像データを作成し、そのデータから３次元画像を表示装置１０２に表示する。そして、ステップＳ１５２において、穴形状測定制御ルーチンを終了する。
【０１１１】
尚、上述した穴形状測定ルーチンにおいて、測定対象穴ｈの円のプロファイルを用いて測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とを一致させたが、そうした処理を行うためには、予め、測定対象穴ｈの円のプロファイルにおけるＸＹ軸方向と、実際のステージ駆動装置１０のＸＹ軸方向とを一致させておく、あるいは、両者の関係を測定して記憶しておく必要がある。つまり、測定対象穴ｈの円のプロファイルは、エンコーダ７４ａからインデックス信号が出力されるときの管状プローブ８０の回転角度を基準回転角度０°としているために、この基準回転角度０°の方向がステージ駆動装置のＸ軸の方向と一致していない場合には、その相違する角度を予め記憶しておいて、プロファイルから測定対象穴ｈのＸＹ座標における中心位置を計算するときに角度補正する必要がある。
【０１１２】
そこで、本実施形態においては、上述した穴形状測定ルーチンを行う前に、測定対象穴ｈの円のプロファイルにおけるＸ軸の方向（基準回転角度０°の方向）と、ステージ駆動装置１０のＸ軸の方向とのなす角度を測定し、その角度を補正角度としてコントローラ１００のメモリ１０３に記憶させておく。例えば、図１１に示すように、測定体ＯＢと同様形状の円筒体であって、その壁面ｗに１本の細い溝ｐｉｔ１を軸方向に形成した試料ＯＢ１を用意してステージ１１にセットする。このとき、試料ＯＢ１の中心軸から溝ｐｉｔ１に向かう方向をステージ駆動装置１０のＸ軸の方向に合わせておく。そして、上述した穴形状測定ルーチンのステップＳ１２〜Ｓ６６、ステップＳ１１６，ステップＳ１３６〜Ｓ１４８を行って、試料ＯＢ１の穴ｈ１の１周におけるプロファイルを取得する。この取得されたプロファイルから得られる穴ｈ１の周形状は、例えば、図１２のようになる。従って、穴ｈの中心位置Ｏ１から溝位置Ｐを結ぶラインＬ１とステージ駆動装置１０のＸ軸とのなす角度を計算し、この角度を補正角度θｃとしてコントローラ１００のメモリ１０３に記憶させておく。これにより、上述した穴形状測定ルーチンの実行時において、回転角度検出回路１１９により検出した回転角度θから補正角度θｃだけ減算した角度を管状プローブ８０の回転角度とすることで、測定対象穴ｈのプロファイルにおけるＸ，Ｙ軸と、ステージ駆動装置１０のＸ，Ｙ軸とを一致させることができる。
【０１１３】
以上説明した第１実施形態の穴形状測定装置によれば、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に基づいて、測定対象穴ｈの壁面ｗの表面形状を測定するため、測定対象穴ｈの全体形状だけでなく、壁面ｗの微細な凹凸形状までも精度良く検出することができる。また、Ｓ字検出距離の短い第１受光光学系から生成される第１フォーカスエラー信号と、Ｓ字検出距離の長い第２受光光学系から生成される第２フォーカスエラー信号とを使い分けることができる。このため、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とが一致していない状態であっても、第２フォーカスエラー信号を用いて焦点ずれ量を検出することにより、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とのずれを測定することができる。また、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０との中心軸とを一致させた後は、第１フォーカスエラー信号を用いても、測定対象穴ｈ全体にわたってレーザ光の反射位置がＳ字検出エリア内に収まるようになり、精度の高い穴形状測定を行うことができる。
【０１１４】
また、測定対象穴ｈ内で管状プローブ８０を１回転させて得た測定対象穴ｈのプロファイルから測定対象穴ｈの中心位置を算出するため、測定対象穴ｈの中心位置と管状プローブ８０の中心位置との平面上のずれ量を良好に検出できる。また、測定対象穴ｈのプロファイルを測定対象穴ｈの上端付近と下端付近との２箇所で取得して測定対象穴ｈの中心軸方向を算出するため、管状プローブ８０の中心軸に対する測定対象穴ｈの中心軸の傾き方向と傾き角度とを良好に検出できる。従って、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ８０の中心軸とを確実に一致させることができる。このため、作業者の目視による調整が不要であり、しかも、位置調整を高精度に行うことができる。
【０１１５】
尚、本実施形態において、レーザ光を平行光にして管状プローブ８０に出射する構成（レーザ駆動回路１２０，レーザ光源６２，コリメートレンズ６３）が本発明のレーザ光出射手段に相当し、第１集光レンズ６７，第１シリンドリカルレンズ６９からなる第１受光光学系と第２集光レンズ６８，第２シリンドリカルレンズ７０からなる第２受光光学系が本発明の受光光学系に相当する。また、第１フォトディテクタ７１、第２フォトディテクタ７２が本発明の光検出器に相当する。また、第１フォーカスエラー信号生成回路１１１、第２フォーカスエラー信号生成回路１１２、および、それらの出力するフォーカスエラー信号に基づいて焦点ずれ量を検出するコントローラ１００の機能部が本発明の焦点ずれ量検出手段に相当する。また、第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号とを選択する信号選択スイッチ１１３が本発明の受光信号選択手段に相当する。
【０１１６】
また、Ｚ方向駆動装置９０におけるフィードモータ９２およびフィードモータ制御回路１１６が本発明の移動手段に相当し、エンコーダ９２ａおよび移動量検出回路１１７が本発明の移動量検出手段に相当する。また、プローブ回転モータ７４およびプローブ回転モータ制御回路１１８が本発明の回転手段に相当し、エンコーダ７４ａおよび回転角度検出回路１１９が本発明の回転角度検出手段に相当する。
【０１１７】
また、ステージ駆動装置１０におけるＸ方向モータ１２、Ｙ方向モータ１３、Ｘ方向モータ制御回路２２、Ｙ方向モータ制御回路２３が本発明のプローブ位置可変手段に相当し、Ｘ角度モータ１４、Ｙ角度モータ１５、Ｘ角度モータ制御回路２４、Ｙ角度モータ制御回路２５が本発明のプローブ傾斜可変手段に相当する。
【０１１８】
次に、第１実施形態の変形例について説明する。上述した穴形状測定装置においては、管状プローブ８０の中心軸から焦点位置までの距離Ｆが一定であるため、限られた穴径のものしか測定することができない。そこで、測定可能な穴径の範囲を広くした穴形状測定装置について説明する。図１３は、変形例としての穴形状測定装置におけるレーザ光照射装置１５０を表す。この変形例は、レーザ光照射装置１５０の管状プローブ１８０の構成に特徴があり、管状プローブ１８０以外は第１実施形態のものと同一である。
【０１１９】
この変形例の管状プローブ１８０は、直線状の管体である管本体１８３と、第１実施形態と同様の対物レンズ８１，ミラー８２とを備えている。管本体１８３は、プローブ回転機構７３に連結される内管１８３inと、内管１８３inの外径よりも大きな内径を有する外管１８３outとから構成されている。内管１８３inの外周面には雄ネジ１８３ａが形成されている。外管１８３outの基端部には、この雄ネジ１８３ａと螺合する雌ネジ１８３ｂを内周面に形成したネジ部１８４が設けられる。従って、外管１８３outをその中心軸周りに回転させることにより外管１８３outが内管１８３inに対して中心軸方向に進退移動可能となっている。内管１８３inの先端には、対物レンズ８１が設けられる。外管１８３outは、その先端が内管１８３inの先端よりも突出して設けられ、先端部にミラー８２が設けられる。
【０１２０】
このように構成された管状プローブ１８０は、外管１８３outを回転させることにより、対物レンズ８１に対してミラーの位置が変化し、対物レンズ８１とミラー８２との光軸方向の間隔を変更することができる。従って、管状プローブ１８０は、本発明の間隔調整手段を備えたものである。対物レンズ８１とミラー８２との光軸方向の間隔が変われば、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、管状プローブ１８０の中心軸Ｌ０からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆも変わる。従って、外管１８３outの内管１８３inに対する進退位置を調整することで、管状プローブ１８０の中心軸Ｌ０からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆを調整することができ、測定対象穴ｈの穴径のバリエーションに対応させることができる。
【０１２１】
管状プローブ１８０の内管１８３inの外周面には、外管１８３outの進退位置を表す目盛（図示略）が刻印されている。外管１８３outのネジ部１８４の上端面が位置する目盛を読むことにより、内管１８３inに対する外管１８３outの進退位置を測定できる。また、外管１８３outのネジ部１８４の外周面には、内管１８３inに対する外管１８３outの相対回転角度を表す目盛（図示略）が刻印されている。この回転角度から内管１８３inに対する外管１８３outの微少進退位置を測定できる。この目盛は、例えば、マイクロメータで用いられているような目盛を使用することができる。従って、内管１８３inの目盛と外管１８３outの目盛とを組み合わせた値（以下、目盛値と呼ぶ）から、内管１８３inに対する外管１８３outの進退位置を正確に読み取ることができるようになっている。この管状プローブ１８０に刻印された目盛が、本発明の目盛表示部に相当する。
【０１２２】
目盛表示により読み取られる目盛値と、管状プローブ１８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆとは、一対一の関係となる。コントローラ１００は、メモリ１０３に図６に示す方法で測定した距離Ｆ（管状プローブ１８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離）と目盛値とを関係づけた関係データをテーブルや計算式等の形で記憶しており、作業者が入力装置１０１を使って入力した目盛値と関係データとから距離Ｆを算出する。
【０１２３】
この場合、例えば、上述した穴形状測定ルーチン（図８Ａ）のステップＳ２７とＳ２８との間に、図２３に示すようなステップＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１７の処理を組み込むと良い。ステップＳ１３においては、表示装置１０２を使って作業者に対して目盛値の入力操作を行うように指示し、ステップＳ１５においては、目盛値が入力装置１０１から入力されたことを確認する。そして、目盛値の入力が確認されると、ステップＳ１７において、メモリ１０３に記憶されている関係データを参照して、入力された目盛値から距離Ｆを算出する。この距離Ｆは、ステップＳ１４８における３次元形状データ群の計算に用いられる。尚、目盛値を入力して距離Ｆを計算するステップＳ１７の処理が本発明の焦点位置算出手段に相当する。また、上記ステップＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１７の処理は、３次元形状データ群の計算処理（Ｓ１４８）を行う前であれば、任意の位置に組み込むことができる。
【０１２４】
この変形例の穴形状測定装置によれば、穴径が異なる種々の測定対象穴ｈに対して形状測定が可能となる。また、作業者が入力した目盛値を使ってコントローラ１００により管状プローブ１８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆを算出するため、作業者による計算処理が不要となり形状測定が容易である。
【０１２５】
次に、第２実施形態の穴形状測定装置について説明する。図１５は、第２実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図であり、図１６は、穴形状測定装置に設けられたレーザ光照射装置２５０の概略構成図である。尚、第１実施形態と同一の構成のものについては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
【０１２６】
第２実施形態の穴形状測定装置は、測定体ＯＢを載置固定するとともに測定体ＯＢのＸ，Ｙ方向位置と傾きとを調整するステージ駆動装置１０と、測定対象穴ｈの壁面ｗにレーザ光を照射するとともに壁面ｗからの反射光を受光して受光信号を出力するレーザ光照射装置２５０と、レーザ光照射装置２５０のＺ方向位置（本実施形態においては高さ方向位置）を調整するＺ方向駆動装置９０と、各装置の作動を制御してレーザ光照射装置２５０からの受光信号から穴形状を測定するコントローラ２００とを備えている。ステージ駆動装置１０とＺ方向駆動装置９０に関しては、第１実施形態のものと同一構成である。
【０１２７】
レーザ光照射装置２５０は、図１６に示すように、本体部２６０と、本体部２６０に接続される管状プローブ２８０とを有する。本体部２６０は、本体ケース２６１内に、第１レーザ光源２６２、第１コリメートレンズ２６３、第１偏光ビームスプリッタ２６４、第１・１／４波長板２６５、第２・１／４波長板２６６、ダイクロイックミラー２６７、第２偏光ビームスプリッタ２６８、第１集光レンズ２６９、第２集光レンズ２７０、第１シリンドリカルレンズ２７１、第２シリンドリカルレンズ２７２、第１フォトディテクタ２９１、第２フォトディテクタ２９２、第２レーザ光源２８３、第２コリメートレンズ２８４、プローブ回転機構７３、プローブ回転モータ７４を備えている。
【０１２８】
第１レーザ光源２６２は、第１レーザ駆動回路２２１から出力された駆動信号により所定強度のレーザ光を出射する。第１レーザ光源２６２を出射したレーザ光（以下、第１レーザ光と呼ぶ）は、コリメートレンズ２６３を通過して平行光になり、第１偏光ビームスプリッタ２６４に入射する。第１偏光ビームスプリッタ２６４は、その透過軸の向きが入射した第１レーザ光と同じ方向に設定されている。従って、第１レーザ光は、第１偏光ビームスプリッタ２６４をそのまま透過する。第１偏光ビームスプリッタ２６４を透過した第１レーザ光は、第１・１／４波長板２６５を通過して円偏光となり、ダイクロイックミラー２６７に入射する。
【０１２９】
ダイクロイックミラー２６７は、第１レーザ光の波長と同じレーザ光を透過する特性を有する。従って、第１レーザ光は、そのままダイクロイックミラー２６７を透過する。ダイクロイックミラー２６７を透過した第１レーザ光は、管状プローブ２８０の管本体８３の内部を通って対物レンズ２８１を通過し、ミラー８２で反射して測定対象穴ｈの壁面ｗに照射される。第１レーザ光は、壁面ｗで反射して管本体８３内に戻りダイクロイックミラー２６７に入射し、そのままダイクロイックミラー２６７を透過する。ダイクロイックミラー２６７を透過した第１レーザ光は、第１・１／４波長板２６５を通過し第１偏光ビームスプリッタ２６４に入射する。このとき、第１レーザ光は、第１・１／４波長板２６５を２回通過したことになるため、第１レーザ光源から出射されたときとは偏光方向が９０°相違したものとなる。従って、第１レーザ光は、第１偏光ビームスプリッタ２６４で反射して第１集光レンズ２６９と第１シリンドリカルレンズ２７１とを通過して第１フォトディテクタ２９１に集光される。第１集光レンズ２６９、第１シリンドリカルレンズ２７１は、第１レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に応じて、第１フォトディテクタ２９１に受光される第１レーザ光のスポット形状を変化させる。以下、第１集光レンズ２６９、第１シリンドリカルレンズ２７１からなる受光光学系を第１受光光学系と呼ぶ。
【０１３０】
第２レーザ光源２８３は、第２レーザ駆動回路２２２から出力された駆動信号により所定強度のレーザ光を出射する。第２レーザ光源２８３から出射されるレーザ光（以下、第２レーザ光と呼ぶ）は、その波長が第１レーザ光の波長と相違している。第２レーザ光源２８３を出射した第２レーザ光は、第２コリメートレンズ２８４を通過して平行光となり、第２偏光ビームスプリッタ２６８に入射する。第２偏光ビームスプリッタ２６８は、その透過軸の向きが入射した第２レーザ光と９０°相違するように設定されている。従って、第２レーザ光は、第２偏光ビームスプリッタ２６８で反射し、第２・１／４波長板２６６を通過して円偏光となり、ダイクロイックミラー２６７に入射する。第２レーザ光は、その波長がダイクロイックミラー２６７を透過できる波長と異なるため、ダイクロイックミラー２６７で反射する。従って、第１レーザ光と第２レーザ光とが合成されてダイクロイックミラー２６７から出射されることになる。
【０１３１】
ダイクロイックミラー２６７で反射した第２レーザ光は、管状プローブ２８０の管本体８３の内部を通って対物レンズ２８１を通過し、ミラー８２で反射して測定対象穴ｈの壁面ｗに照射される。第２レーザ光は、壁面ｗで反射して管本体８３内に戻りダイクロイックミラー２６７に入射する。第２レーザ光は、ダイクロイックミラー２６７で反射して第１レーザ光から分離し、第２・１／４波長板２６６を通過して第２偏光ビームスプリッタ２６８に入射する。このとき、第２レーザ光は、第２・１／４波長板２６６を２回通過したことになるため、その偏光方向が第２偏光ビームスプリッタ２６８の透過軸の向きと同じになる。従って、第２レーザ光は、第２偏光ビームスプリッタ２６８をそのまま透過して第２集光レンズ２７０と第２シリンドリカルレンズ２７２を通過して第２フォトディテクタ２９２に集光される。第２集光レンズ２７０、第２シリンドリカルレンズ２７２は、第２レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に応じて、第２フォトディテクタ２９２に受光される第２レーザ光のスポット形状を変化させる。以下、第２集光レンズ２７０、第２シリンドリカルレンズ２７２からなる受光光学系を第２受光光学系と呼ぶ。
【０１３２】
第１フォトディテクタ２９１、第２フォトディテクタ２９２は、第１実施形態と同様に、分割線で区切られた４つの同一正方形状の受光素子からなる４分割受光素子にて構成され、時計回りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した大きさの検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。また、４つの受光素子が配置された中央に反射光が集光するように固定されている。
【０１３３】
管状プローブ２８０の管本体８３の先端に設けられる対物レンズ２８１は、２つの焦点を有する２焦点レンズである。対物レンズ２８１は、図１７に示すように、表面に回折格子２８１ａが形成されており、波長の異なるレーザ光（第１レーザ光、第２レーザ光）のうちの一方のレーザ光のみが回折する。このため、第１レーザ光の焦点位置と第２レーザ光の焦点位置とが異なる。図の例では、第１レーザ光に比べて第２レーザ光のほうが焦点位置が遠方となっている。従って、管状プローブ２８０の中心軸Ｌ０から第１レーザ光の焦点位置までの距離Ｆ１は、管状プローブ２８０の中心軸Ｌ０から第２レーザ光の焦点位置までの距離Ｆ２よりも短くなっている。
【０１３４】
第１フォトディテクタ２９１には、第１フォーカスエラー信号生成回路２３１が接続され、第２フォトディテクタ２９２には、第２フォーカスエラー信号生成回路２３２が接続される。第１，第２フォーカスエラー信号生成回路２３１，２３２は、第１実施形態と同様に、それぞれ入力した受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を増幅した後、（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））という演算によりフォーカスエラー信号を生成する。以下、第１フォーカスエラー信号生成回路２３１により生成された信号を第１フォーカスエラー信号と呼び、第２フォーカスエラー信号生成回路２３２により生成された信号を第２フォーカスエラー信号とよび、それらを区別しないときは、単にフォーカスエラー信号と呼ぶ。
【０１３５】
図１８は、管状プローブ２８０の中心軸からレーザ光の反射位置までの距離に対するフォーカスエラー信号の出力（波高値）、つまり、Ｓ字状波形を表す。第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号とにおけるＳ字状波形は、対物レンズ２８１を２焦点レンズで構成したため横軸方向（距離方向）にずれる。従って、図１８のように、第１フォーカスエラー信号の波高値が最小となるポイントと、第２フォーカスエラー信号の波高値が最大となるポイントとが同時に（同一距離で）得られるようにすれば、焦点ずれ量の測定精度を高精度に維持したまま、測定可能範囲を２倍にすることができる。本実施形態においては、第１受光光学系と第２受光光学系とにおいて、各素子の配置等を調整することによりフォーカスエラー信号の出力特性を図１８のように設定する。
【０１３６】
第１フォーカスエラー信号がゼロクロス（この点をゼロクロス点Ｐ０ａと呼ぶ）するときに、第１レーザ光の焦点位置が測定対象穴ｈの反射位置と一致する。また、第２フォーカスエラー信号がゼロクロス（この点をゼロクロス点Ｐ０ｂと呼ぶ）するときに、第２レーザ光の焦点位置が測定対象穴ｈの反射位置と一致する。従って、第１レーザ光の反射位置がゼロクロス点Ｐ０ａからずれている距離（焦点ずれ）に応じて第１フォーカスエラー信号の波高値が変化し、第２レーザ光の反射位置がゼロクロス点Ｐ０ｂからずれている距離（焦点ずれ）に応じて第２フォーカスエラー信号の波高値が変化する。コントローラ２００は、各レーザ光の焦点ずれと各フォーカスエラー信号の波高値との関係を表すテーブルをメモリ２０３に記憶している。これにより、２つのフォーカスエラー信号からレーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量を取得することができる。尚、図１８中において、範囲Ａが第１フォーカスエラー信号により焦点ずれを検出できる範囲を表し、範囲Ｂが第２フォーカスエラー信号により焦点ずれを検出できる範囲を表す。
【０１３７】
また、管状プローブ２８０の中心軸から第１レーザ光の焦点位置までの距離Ｆ１、および、管状プローブ２８０の中心軸から第２レーザ光の焦点位置までの距離Ｆ２についても、第１実施形態と同様にゲージブロックＧＢ等を使って測定され、その測定値がメモリ２０３に記憶されている。従って、管状プローブ２８０の中心軸から測定対象穴ｈの壁面ｗまでの距離は、記憶した距離Ｆ１，Ｆ２と、フォーカスエラー信号の波高値から得られる焦点ずれ量とから計算することができる。
【０１３８】
第１フォーカスエラー信号生成回路２３１から出力される第１フォーカスエラー信号は、第１Ａ／Ｄ変換器２２３に入力され、第２フォーカスエラー信号生成回路２３２から出力される第２フォーカスエラー信号は、第２Ａ／Ｄ変換器２２４に入力される。各Ａ／Ｄ変換器２２３，２２４は、クロック信号発生回路１１５が出力するクロック信号を入力するたびに、フォーカスエラー信号の波高値をデジタル信号に変換してコントローラ２００に出力する。
【０１３９】
次に、コントローラ２００が実行する穴形状測定処理について説明する。図１９Ａ〜図１９Ｃは、穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。穴形状測定ルーチンは、コントローラ２００のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。以下、穴形状測定ルーチンについて説明するが、第１実施形態における穴形状測定ルーチンの処理と同一の処理については、図面のステップ番号の隣に、第１実施形態で用いたステップ番号を括弧書きで添えることにより簡単な説明にとどめる。
【０１４０】
穴形状測定ルーチンがステップＳ３００にて起動すると、コントローラ２００は、表示装置１０２を用いて測定体ＯＢをステージ１１へセットするように作業者に指示し（Ｓ３０２）、測定体ＯＢのセット完了を表す入力操作を入力装置１０１から検出すると（Ｓ３０４）、表示装置１０２を用いて測定対象穴ｈの深さを入力するように作業者に指示する（Ｓ３０６）。そして、測定対象穴ｈの深さの入力操作を入力装置１０１から検出すると（Ｓ３０８）、フィードモータ制御回路１１６に正方向移動開始指令を出力して、レーザ光照射装置２５０の下方向への移動を開始させる（Ｓ３１０）。
【０１４１】
続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３１２において、第１レーザ駆動回路２２１と第２レーザ駆動回路２２２とに対して、レーザ光照射開始指令を出力する。これにより、第１レーザ光源２６２から第１レーザ光が出射され、第２レーザ光源２８３から第２レーザ光が出射される。両レーザ光は、管状プローブ２８０の先端から出射されて測定対象穴ｈの壁面ｗに照射される。次に、コントローラ２００は、クロック信号発生回路１１５に対して、クロック信号の出力開始指令を出力し（Ｓ３１４）、次に、ステップＳ３１６において、第１Ａ／Ｄ変換器２２３を介して第１フォーカスエラー信号の波高値Ｉａを、第２Ａ／Ｄ変換器２２４を介して第２フォーカスエラー信号の波高値Ｉｂをそれぞれ入力する。そして、ステップＳ３１８において、波高値Ｉａと波高値Ｉｂとの合計の絶対値（｜Ｉａ＋Ｉｂ｜）が基準値Ａを上回ったか否かを判断する。
【０１４２】
レーザ光照射装置２５０が下降移動を開始した時点においては、管状プローブ２８０の先端は、まだ測定対象穴ｈの中に入っていないため、波高値Ｉａと波高値Ｉｂはともにゼロとなるが、管状プローブ２８０の先端が測定対象穴ｈの上端に進入すると、レーザ光が測定対象穴ｈの壁面ｗで反射し第１フォトディテクタ２９１および第２フォトディテクタ２９２に反射光が受光される。この場合、第１フォーカスエラー信号あるいは第２フォーカスエラー信号の何れかで波高値が変化して、その絶対値が基準値Ａを越える。コントローラ２００は、ステップＳ３１８において、「Ｙｅｓ」と判定すると、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、その移動量ｚを移動量ｚ０としてメモリ２０３に記憶する（Ｓ３２０）。そして、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力してレーザ光照射装置２５０の下降移動を停止させる（Ｓ３２２）。
【０１４３】
続いて、コントローラ２００は、プローブ回転モータ制御回路１１８に対してプローブ回転開始指令を出力し、管状プローブ２８０の回転を開始させる（Ｓ３２４）。次に、変数ｎの値を「０」にセットする（Ｓ３２５）。続いて、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し、回転角度θが予め設定した極少角度Ｃを下回るまで待機してから（Ｓ３２６，Ｓ３２８）、つまり、管状プローブ２８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置に達するまで待機してから、フィードモータ制御回路１１６に正方向移動開始指令を出力して、レーザ光照射装置２５０の下方向への移動を開始させる（Ｓ３３０）。次に、回転角度θを回転角度θ（ｎ）としてメモリ２０３に記憶する（Ｓ３３２）。
【０１４４】
続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３３４において、第１フォーカスエラー信号の波高値Ｉａと第２フォーカスエラー信号の波高値Ｉｂとをそれぞれ入力する。次に、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、入力した移動量ｚを移動量ｚ（ｎ）としてメモリ２０３に記憶する（Ｓ３３６）。続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３３８において、上述したテーブルを参照して、波高値Ｉａあるいは波高値Ｉｂから焦点ずれを算出し、焦点ずれｄ（ｎ）としてメモリ２０３に記憶する。２つのフォーカスエラー信号の一方は、その波高値が必ずゼロになる。従って、ステップＳ３３８においては、波高値がゼロになっていないほうのフォーカスエラー信号の特性から、その焦点位置と反射位置とのずれ量を焦点ずれ量ｄ（ｎ）として算出する。従って、このステップＳ３３８においては、どちらのフォーカスエラー信号に基づいた焦点ずれｄ（ｎ）であるかを識別する信号識別データも一緒に記憶する。
【０１４５】
続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３４０において、移動量ｚ（ｎ）から移動量ｚ０を減算した値（ｚ（ｎ）−ｚ０）が、測定対象穴ｈの深さから微少量Ｄだけ減算した値より大きくなったか否かを判断する。つまり、管状プローブ２８０が下方移動して、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端近傍に達したか否かを判断する。レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端近傍に達していなければ、変数ｎの値を「１」だけインクリメントし（Ｓ３４２）、回転角度検出回路１１９から回転角度θを入力し（Ｓ３４４）、回転角度θと回転角度θ（ｎ）との差、つまり、回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えたか否かを判断する（Ｓ３４６）。回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えていない場合には、回転角度θが極少角度Ｃ（０°に近い値）を下回っているか否かを判断し（Ｓ３４８）、回転角度θが極少角度Ｃを下回っていなければ、その処理をステップＳ３４４に戻し、回転角度θが極少角度Ｃを下回っていれば、その処理をステップＳ３３２に戻す。従って、回転角度θがほぼ０°になるたびに、および、回転角度θの増加分が単位測定角度Δθを越えるたびに、回転角度θ（ｎ）、移動量ｚ（ｎ）、焦点ずれｄ（ｎ）がメモリ２０３に逐次記憶される。尚、焦点ずれｄ（ｎ）のデータには、信号識別データも含まれている。
【０１４６】
こうした処理が繰り返され、レーザ光の照射位置が測定対象穴ｈの下端近傍に達すると（Ｓ３４０：Ｙｅｓ）、コントローラ２００は、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力してレーザ光照射装置２５０の下降移動を停止させ（Ｓ３５０）、次に、プローブ回転モータ制御回路１１８に対してプローブ回転停止指令を出力して管状プローブ２８０の回転を停止させる（Ｓ３５２）。続いて、第１レーザ駆動回路２２１および第２レーザ駆動回路２２２に対してレーザ照射停止指令を出力して管状プローブ２８０からのレーザ光の出射を停止させ（Ｓ３５４）、次に、クロック信号発生回路１１５に対してクロック信号の出力停止指令を出力してクロック信号発生回路１１５の作動を停止させる（Ｓ３５６）。
【０１４７】
続いて、コントローラ２００は、フィードモータ制御回路１１６に対して逆方向移動開始指令を出力してレーザ光照射装置２５０を上方向へ移動させる（Ｓ３５８）。そして、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し（Ｓ３６０）、移動量ｚに基づいてレーザ光照射装置２５０が初期位置（上限位置）近傍に達したところで（Ｓ３６２）、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力してレーザ光照射装置２５０の移動を停止させる（Ｓ３６４）
【０１４８】
続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３６６において、メモリ２０３に記憶したデータ（θ（ｎ），ｄ（ｎ），ｚ（ｎ））と、管状プローブ２８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離Ｆ１，Ｆ２とに基づいて、３次元形状データ群を計算する。例えば、信号識別データが第１フォーカスエラー信号を表している場合には、３次元座標は、
（（Ｆ１＋ｄ（ｎ））・ｃｏｓθ（ｎ），（Ｆ１＋ｄ（ｎ））・ｓｉｎθ（ｎ），ｚ（ｎ））として算出することができる。
また、信号識別データが第２フォーカスエラー信号を表している場合には、３次元座標は、
（（Ｆ２＋ｄ（ｎ））・ｃｏｓθ（ｎ），（Ｆ２＋ｄ（ｎ））・ｓｉｎθ（ｎ），ｚ（ｎ））として算出することができる。
【０１４９】
続いて、コントローラ２００は、ステップＳ３６８において、３次元形状データ群から３次元画像データを作成し、そのデータから３次元画像を表示装置１０２に表示する。そして、ステップＳ３７０において、穴測定制御ルーチンを終了する。
【０１５０】
以上説明した第２実施形態の穴形状測定装置によれば、第１実施形態と同様に、レーザ光の焦点位置と反射位置とのずれ量に基づいて測定対象穴ｈの壁面ｗの表面形状を測定するため、測定対象穴ｈの全体形状だけでなく、壁面ｗの微細な凹凸形状までも精度良く検出することができる。また、波長の異なる２つのレーザ光源２６２，２８３と、２つのレーザ光を合成して管状プローブ２８０に出射するとともに測定対象穴ｈからの反射光を２つのレーザ光に分離して受光する光学系と、管状プローブ２８０から出射したレーザ光が収束する焦点を２個所に形成する対物レンズ２８１（２焦点レンズ）とを用いることにより、Ｓ字状波形が測定距離方向にずれた２つのフォーカスエラー信号を作成する。このため、高い測定精度を保ったまま測定可能範囲を広くすることができる。従って、穴形状測定ルーチンのなかに、測定対象穴ｈの中心軸と管状プローブ２８０の中心軸とを一致させる処理を組み込まなくても、作業者が目視で位置合わせすることにより穴形状測定が可能となる。この結果、コントローラ２００の行う制御処理を簡略化することができ、また、測定時間を短縮することもできる。
【０１５１】
尚、測定体ＯＢを管状プローブ２８０に対して適正位置にセットできなかった場合には、測定対象穴ｈの周回りの一部において、反射位置が測定可能範囲から外れることもある。この場合であっても、測定できた焦点ずれｄ（ｎ）を用いて測定対象穴ｈの円のプロファイルを計算することができるため、測定対象穴ｈの中心軸をＺ方向に向けるために必要なＸ軸回りの回転角度ΔθｘとＹ軸回りの回転角度Δθｙ、および、測定対象穴ｈの中心軸の管状プローブ２８０の中心軸からのずれ量ΔＸ，ΔＹを計算することができる。従って、計算したΔθｘ，Δθｙ，ΔＸ，ΔＹに基づいて、第１実施形態のように、ステージ１１の位置、傾斜角度を調整し、再測定することにより、測定対象穴ｈの全体にわたって形状測定することができる。
【０１５２】
次に、第３実施形態の穴形状測定装置について説明する。図２０は、第３実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図である。尚、第２実施形態と同一の構成のものについては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
【０１５３】
第３実施形態の穴形状測定装置は、測定体ＯＢを載置固定した状態で回転させるステージ回転装置３１０と、測定対象穴ｈの壁面ｗにレーザ光を照射するとともに壁面ｗからの反射光を受光して受光信号を出力するレーザ光照射装置３５０と、レーザ光照射装置３５０のＺ方向位置（本実施形態においては高さ方向位置）を調整するＺ方向駆動装置９０と、レーザ光照射装置３５０のＸ方向位置を調整するＸ方向駆動装置３８０と、各装置の作動を制御してレーザ光照射装置３５０からの受光信号から穴形状を測定するコントローラ３００とを備えている。Ｚ方向駆動装置９０に関しては、第１，第２実施形態のものと同一構成である。尚、ステージ回転装置３１０が本発明の回転手段に相当し、Ｘ方向駆動装置３８０が本発明のプローブ位置可変手段に相当する。
【０１５４】
ステージ回転装置３１０は、測定体ＯＢを載置固定するステージ３１１と、ステージ３１１を回転させるステージ回転モータ３１２とを備えている。ステージ３１１は、Ｚ方向に向いた回転軸３１３により回転可能に設けられ、ステージ回転モータ３１２の駆動により回転するもので、本発明の回転テーブルに相当する。ステージ回転モータ３１２には、モータの回転角度を検出して、その回転角度を表す回転検出信号を出力するエンコーダ３１２ａが組み込まれている。この回転検出信号は、ステージ３１１の回転位置が一つの基準回転位置に来るごとに発生されるインデックス信号（パルス信号）と、ステージ３１１が所定の微少な回転角度だけ回転するたびに電圧レベルがハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号であって、互いにπ／２だけ移相のずれた２つのＡ相信号とＢ相信号とからなる。回転検出信号は、ステージ回転モータ制御回路３１４と回転角度検出回路３１５とに出力される。
【０１５５】
ステージ回転モータ制御回路３１４は、コントローラ３００から作動指令を入力すると、エンコーダ３１２ａの出力するパルス信号列を用いて、パルス列信号の単位時間当たりのパルス数が予め設定されている回転速度に対応したパルス数に等しくなるようにステージ回転モータ３１２を駆動する。また、回転角度検出回路３１５は、コントローラ３００から作動指令を入力すると、エンコーダ３１２ａの出力するパルス列信号とインデックス信号とを用いて、ステージ３１１の基準回転位置からの回転角度θを算出し、算出した回転角度θを表すデジタルデータを所定の周期でコントローラ３００に出力する。
【０１５６】
レーザ光照射装置３５０は、第２実施形態のレーザ光照射装置２５０から、プローブ回転機構７３，プローブ回転モータ７４，プローブ回転モータ制御回路１１８，回転角度検出回路１１９を省略し、管状プローブ２８０を本体部２６０に回転不能に固定したものである。管状プローブ２８０のミラー８２の向き、つまり、管状プローブ２８０の先端からレーザ光の出射する方向は、Ｘ方向（図２０では左方向）に向けられている。他の構成については、第２実施形態のレーザ光照射装置２５０と同一である。
【０１５７】
Ｘ方向駆動装置３８０は、Ｚ方向駆動装置９０の支持アーム９１を支える支柱９６をＸ方向に移動させるＸ方向モータ３８１を備えている。支柱９６は、基台３８２に対してＸ方向に移動可能に設けられる。基台３８２には、図示しないネジ送り機構が設けられており、Ｘ方向モータ３８１の回転運動がねじ送り機構により支柱９６のＸ方向の直線運動に変換されるように構成されている。従って、Ｘ方向モータ３８１の回転によりレーザ光照射装置３５０がＸ方向（レーザ光の照射方向）に移動する。この場合、管状プローブ２８０の中心軸が、ステージ３１１の回転中心軸を含むＸ方向の平面内をＸ方向に移動するように、ステージ３１１とレーザ光照射装置３５０との位置関係が設定されている。
【０１５８】
Ｘ方向モータ３８１には、同モータ３８１の回転を検出して、その回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ３８１ａが組み込まれている。この回転検出信号は、第２実施形態のエンコーダ１２ａの出力と同様なパルス列信号である。回転検出信号は、Ｘ方向位置検出回路３８４に出力される。Ｘ方向モータ制御回路３８３は、コントローラ３００から出力されたＸ方向位置指令を入力すると、Ｘ方向位置検出回路３８４が出力するＸ方向検出位置に基づいて、Ｘ方向検出位置がコントローラ３００により指令されたＸ方向位置になるまでＸ方向モータ３８１を駆動する。Ｘ方向位置検出回路３２は、エンコーダ３８１ａの出力するパルス列信号のパルス数をカウントアップあるいはカウントダウンすることにより管状プローブ２８０のＸ方向の移動量を計算し、計算した移動量を原点位置（原点位置を表す移動量）に加減算することによりＸ方向位置を算出してＸ方向モータ制御回路３８３に出力する。このＸ方向の原点位置は、管状プローブ２８０の中心軸がステージ３１１の回転中心軸と一致する位置に設定される。
【０１５９】
管状プローブ２８０を原点位置にセットするための初期設定は次のように行われる。Ｘ方向モータ３８１は、原点位置を中心に正方向と逆方向とに同じ回転数だけ回転可能に設けられている。また、Ｘ方向モータ３８１を回転可能範囲の一方端から他方端まで移動させたときにエンコーダ３８１ａが出力するパルス列信号のパルス数Ｎｐは予めわかっている。初期設定時においては、コントローラ３００から、Ｘ方向モータ制御回路３８３とＸ方向位置検出回路３８４とに初期設定指令が出力される。Ｘ方向モータ制御回路３８３は、初期設定指令を入力すると、Ｘ方向モータ３８１を駆動してレーザ光照射装置３５０をＸ軸正方向に移動させる。Ｘ方向位置検出回路３８４は、エンコーダ３８１から出力されるパルス列信号を入力し、パルス信号が停止したとき、つまり、Ｘ方向モータ３８１が駆動限界位置に到達したときにＸ方向モータ制御回路３８３に対して駆動停止信号を出力する。Ｘ方向モータ制御回路３８３は、この駆動停止信号を入力するとＸ方向モータ３８１の駆動を停止する。Ｘ方向位置検出回路３８４は、駆動停止信号を出力したときに、エンコーダ３８１ａから入力したパルス列信号のパルス数のカウント値を０にリセットする。これにより、Ｘ方向位置検出回路３８４は、エンコーダ３８１ａが出力するパルス列信号のパルス数のカウント値がＮｐ／２（Ｘ方向モータ３８１を駆動可能範囲の一方端から他方端まで移動させたときにエンコーダ３８１ａが出力するパルス列信号のパルス数Ｎｐの半分）となるＸ方向位置を原点位置と認識することができ、以下、パルス数のカウント値に基づいて管状プローブ２８０の原点位置からの移動量を検出できるようになる。その後、Ｘ方向モータ制御回路３８３は、Ｘ方向モータ３８１を逆方向に回転駆動し、Ｘ方向位置検出回路３８４が出力するＸ方向検出位置に基づいて、管状プローブ２８０を原点位置にまで移動させる。
【０１６０】
この第３実施形態の穴形状測定装置は、上記第１，第２実施形態のように管状プローブ８０，１８０の中心軸を測定対象穴ｈの中心軸と一致させて穴形状測定を行うものではなく、レーザ光の焦点位置が測定対象穴ｈの壁面ｗ位置となるように管状プローブ２８０の位置を調整しておき、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、測定体ＯＢを測定対象穴ｈの中心軸回りに回転させ、その時に得られる焦点ずれ量から測定対象穴ｈの表面形状を測定するものである。従って、種々の径の測定対象穴ｈに対して形状測定が可能になっている。この場合、管状プローブ２８０の中心軸Ｌ０からレーザ光の焦点位置までの距離に、ステージ３１１の回転中心軸Ｌｓから管状プローブ２８０の中心軸Ｌ０までの距離を加算した距離を上記距離Ｆとすることにより、第１実施形態と同様に、距離Ｆ、焦点ずれｄ、移動量ｚ、回転角度θに基づいて穴形状を測定することができる。
【０１６１】
以下、穴形状測定に先立って行う管状プローブ２８０の位置調整について説明する。図２２Ａ〜図２２Ｃは、プローブ位置調整ルーチンを表すフローチャートである。プローブ位置調整ルーチンは、コントローラ３００のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。
【０１６２】
プローブ位置調整ルーチンがステップＳ２００にて起動すると、コントローラ３００は、ステップＳ２０２において、表示装置１０２を用いて測定体ＯＢをステージ３１１へセットするように作業者に指示する。作業者は、この指示により、測定体ＯＢを測定対象穴ｈの中心軸がステージ３１１の回転中心軸と一致するようにステージ３１１上にセットする。この場合、ステージ３１１に位置決め用マークを表示して測定体ＯＢを所定位置にセットしやすいようにしても良いし、位置決め治具等を設けて測定体ＯＢを所定位置にセットするようにしても良い。
【０１６３】
コントローラ３００は、ステップＳ２０４において、作業者が入力装置１０１にセット完了を表す入力操作を行うまで待機し、その入力操作を検出すると、ステップＳ２０６において、表示装置１０２を用いて測定対象穴ｈへ管状プローブ２８０を挿入するように作業者に指示する。作業者は、マニュアル操作でフィードモータ９２を作動させてレーザ光照射装置３５０を下方向に移動させる。尚、レーザ光照射装置３５０は、上述した初期設定処理により予め原点位置にまで移動されている。従って、管状プローブ２８０は、中心軸Ｌ０が測定対象穴ｈの中心軸を移動するように挿入されることになる。
【０１６４】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２０８において、作業者が管状プローブ２８０の挿入完了を表す入力操作を行うまで待機し、入力操作を検出すると、ステップＳ２１０において、第１レーザ駆動回路２２１と第２レーザ駆動回路２２２とに対してレーザ光照射開始指令を出力する。これにより、第１レーザ光源２６２から第１レーザ光が出射され、第２レーザ光源２８３から第２レーザ光が出射される。両レーザ光は、管状プローブ２８０の先端から出射されて測定対象穴ｈの壁面ｗに照射される。次に、コントローラ３００は、ステップＳ２１２において、クロック信号発生回路１１５に対して、クロック信号の出力開始指令を出力する。続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２１４において、変数ｎの値を「０」にセットする。
【０１６５】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２１６において、Ｘ方向モータ制御回路３８３に対してＸ方向の位置ｎ・ΔＸへの移動指令を出力する。このΔＸは、ステージ３１１をＸ方向に移動させる単位移動量であり、モータ回転角度の分解能に応じた微少値に設定されている。Ｘ方向モータ制御回路３８３は、Ｘ方向位置検出回路３８４が出力するＸ方向検出位置に基づいて、指令された位置ｎ・ΔＸにまでレーザ光照射装置５０を移動させる。この移動方向は、レーザ光の照射方向と同一方向となる。従って、第1，第２レーザ光の焦点位置が測定対象穴ｈの壁面ｗにΔＸだけ接近する。尚、ステップＳ２１６が最初に行われるときには、ｎ＝０に設定されているため、移動量はゼロである。
【０１６６】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２１８において、第１フォーカスエラー信号と第２フォーカスエラー信号とから波高値Ｉａ（ｎ）と波高値Ｉｂ（ｎ）とを入力し、次に、ステップＳ２２０において、波高値Ｉａ（ｎ）と波高値Ｉｂ（ｎ）との合計の絶対値（｜Ｉａ（ｎ）＋Ｉｂ（ｎ）｜）が基準値Ａを上回ったか否かを判断する。この基準値Ａは極小値に設定されているため、ステップＳ２２０の判断は、絶対値（｜Ｉａ（ｎ）＋Ｉｂ（ｎ）｜）がゼロか否かを判断するものといえる。管状プローブ２８０が測定対象穴ｈの中央に位置するうちは、第1，第２レーザ光の焦点位置が測定対象穴ｈの壁面ｗよりもかなり手前となる。従って、波高値Ｉａ（ｎ）と波高値Ｉｂ（ｎ）は、第1，第２レーザ光の反射位置がＳ字検出エリアから外れているため、ともにゼロとなる。
【０１６７】
コントローラ３００は、ステップＳ２２０において「Ｎｏ」と判定した場合には、ステップＳ２２２において、変数ｎの値を「１」だけインクリメントして、その処理をステップＳ２１６に戻す。こうして、管状プローブ２８０は、波高値Ｉａと波高値Ｉｂとの合計の絶対値（｜Ｉａ（ｎ）＋Ｉｂ（ｎ）｜）が基準値Ａを上回るまで、測定対象穴ｈの壁面ｗに接近移動する。第２レーザ光の焦点位置は、第１レーザ光の焦点位置に比べて管状プローブ２８０から遠い位置にある。従って、管状プローブ２８０が測定対象穴ｈの壁面ｗに接近すると、先に、第２レーザ光の反射位置が第２フォーカスエラー信号のＳ字検出エリア内に入り、絶対値（｜Ｉａ（ｎ）＋Ｉｂ（ｎ）｜）が基準値Ａを上回る。
【０１６８】
コントローラ３００は、絶対値（｜Ｉａ（ｎ）＋Ｉｂ（ｎ）｜）が基準値Ａを上回ったことを検知すると（Ｓ２２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２４において、波高値Ｉａ（ｎ）と波高値Ｉｂ（ｎ）とをメモリ３０３に記憶する。次に、ステップＳ２２６において、変数ｎの値を「１」だけインクリメントする。続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２２８において、Ｘ方向モータ制御回路３８３に対してＸ方向の位置ｎ・ΔＸへ移動指令を出力する。
【０１６９】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２３０において、第２フォーカスエラー信号の波高値の変化量（｜Ｉｂ（ｎ）−Ｉｂ（n-1）｜）が基準値Ｂより大きいか否かを判断する。この基準値Ｂは、極小値に設定されているため、ステップＳ２３０の判断は、第２レーザ光の反射位置が図１８に示すＳ字検出エリアＢ内に存在しているか否かを判断するものである。第２レーザ光の反射位置がＳ字検出エリアＢ内に存在しているあいだは、ステップＳ２３０において「Ｙｅｓ」と判定され、その処理がステップＳ２２４に戻される。従って、その間は、管状プローブ２８０がレーザ光照射方向に移動し測定対象穴ｈの壁面ｗに接近していくとともに、各移動位置ｎ・Δｘにおける波高値Ｉａ（ｎ），Ｉｂ（ｎ）が記憶される。
【０１７０】
そして、第２レーザ光の反射位置が第２フォーカスエラー信号のＳ字検出エリアＢから外れると、コントローラ３００は、ステップＳ２３０において「Ｎｏ」と判定し、ステップＳ２３２において、第１フォーカスエラー信号の波高値の変化量（｜Ｉａ（ｎ）−Ｉａ（n-1）｜）が基準値Ｂより大きいか否かを判断する。つまり、第１レーザ光の反射位置が図１８に示すＳ字検出エリアＡ内に存在しているか否かを判断する。図１８に示すように、第２フォーカスエラー信号のＳ字状波形の最大ピーク点（Ｓ字検出エリアＢの終了点）は、第１フォーカスエラー信号のＳ字状波形の最小ピーク点（Ｓ字検出エリアＡの開始点）とＸ方向において同一位置となるように設定されている。従って、ステップＳ２３２の判断が行われたときには、第１レーザ光の反射位置がＳ字検出エリアＡ内に入っている。このため、Ｓ２３２において「Ｙｅｓ」と判定され、その処理がステップＳ２２４に戻される。従って、その間は、管状プローブ２８０がさらにレーザ光照射方向に移動し測定対象穴ｈの壁面ｗに接近していくとともに、各移動位置ｎ・Δｘにおける波高値Ｉａ（ｎ），Ｉｂ（ｎ）が記憶される。
【０１７１】
そして、第１レーザ光の反射位置が第１フォーカスエラー信号のＳ字検出エリアＡから外れると、コントローラ３００は、ステップＳ２３２において「Ｎｏ」と判定し、その処理をステップＳ２３４に進める。コントローラ３００は、ステップＳ２３４において、逐次記憶した波高値Ｉａ（ｎ），Ｉｂ（ｎ）と移動位置ｎ・ΔＸとの関係（図１８に示す関係曲線）から、測定可能範囲の中心位置Ｘｃを計算する。つまり、Ｓ字検出エリアＢの開始点からＳ字検出エリアＡの終了点までの間の中間位置を計算する。
【０１７２】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２３６において、Ｘ方向モータ制御回路３８３に対して測定可能範囲の中心位置Ｘｃへの移動指令を出力する。これにより、Ｘ方向モータ制御回路３８３は、Ｘ方向位置検出回路３８４が出力するＸ方向検出位置に基づいて、Ｘ方向モータ３８１を駆動してレーザ光照射装置３５０を中心位置Ｘｃにまで移動させる。次に、コントローラ３００は、ステップＳ２３８において、ステージ回転モータ制御回路３１４に対して回転開始指令を出力する。これにより、ステージ回転モータ制御回路３１４がステージ回転モータ３１２を所定回転速度で駆動し、ステージ３１１の回転が開始される。次に、コントローラ３００は、ステップＳ２４０において、変数ｎの値を０にクリアする。
【０１７３】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２４２において、回転角度検出回路３１５から回転角度θを入力し、ステップＳ２４４において、回転角度θが予め設定した極少角度Ｃを下回るまで、つまり、管状プローブ２８０の回転角度がほぼ０°となる回転位置に達するまで待機する。そして、回転角度θが予め設定した極少角度Ｃを下回ると、コントローラ３００は、ステップＳ２４６において、第１フォーカスエラー信号の波高値Ｉａ（ｎ）と第２フォーカスエラー信号の波高値Ｉｂ（ｎ）とをそれぞれ入力し、ステップＳ２４８において、２つの波高値Ｉａ（ｎ），Ｉｂ（ｎ）から焦点ずれｄ（ｎ）を算出してメモリ３０３に記憶する。コントローラ３００は、第２実施形態と同様に、各レーザ光の焦点ずれと各フォーカスエラー信号の波高値との関係を表すテーブルをメモリ３０３に記憶しており、このテーブルを参照して、焦点ずれｄ（ｎ）を算出する。次に、コントローラ３００は、ステップＳ２５０において、変数ｎの値を「１」だけインクリメントし、ステップＳ２５２において、この変数ｎに単位測定角度Δθを乗算した値（ｎ・Δθ）が３６０°を上回ったか否かを判断する。
【０１７４】
コントローラ３００は、ステップＳ２５２において、「Ｎｏ」、つまり、測定対象穴ｈの円の１周分の焦点ずれを検出していないと判断した場合は、ステップＳ２５４において、回転角度検出回路３１５から回転角度θを入力し、ステップＳ２５６において、その回転角度θが、変数ｎに単位測定角度Δθを乗じた値を越えたか否かを判断する。回転角度θが次の測定ポイントとなる回転角度（ｎ・Δθ）に到達するまでステップＳ２５４，Ｓ２５６の処理が繰り返される。そして、回転角度θが次の測定ポイントとなる回転角度（ｎ・Δθ）に到達すると、コントローラ３００は、その処理をステップＳ２４６に戻し、上述した処理を繰り返す。
【０１７５】
コントローラ３００は、こうした処理を繰り返して、測定対象穴ｈの１周分の焦点ずれｄ（ｎ）を記憶すると（Ｓ２５２：Ｙｅｓ）、ステップＳ２５８において、ステージ回転モータ制御回路３１４に対して回転停止指令を出力してステージ３１１の回転を停止させ、ステップＳ２６０において、第１レーザ駆動回路２２１および第２レーザ駆動回路２２２に対してレーザ照射停止指令を出力して管状プローブ２８０からのレーザ光の出射を停止させ、ステップＳ２６２において、クロック信号発生回路１１５に対してクロック信号の出力停止指令を出力してクロック信号発生回路１１５の作動を停止させる。
【０１７６】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２６４において、焦点ずれｄ（ｎ）の平均値ｄaveを算出する。次に、ステップＳ２６６において、Ｘ方向モータ制御回路３８３に対して、（Ｘｃ＋ｄave）の位置へ移動するように指令を出力する。これにより、Ｘ方向モータ制御回路３８３は、Ｘ方向位置検出回路３８４による検出位置に基づいて、管状プローブ２８０を現在位置Ｘｃからｄaveだけ移動させる。従って、この位置は、測定対象穴ｈの全周を測定するのに最適な位置となる。（Ｘｃ＋ｄave）の値は、ステージ３１１の回転中心軸と管状プローブ２８０の中心軸との間の軸間距離を表しており、ステップＳ２６６において、Ｘ方向モータ制御回路３８３に移動指令を出力したときに、メモリ３０３に記憶される。
【０１７７】
続いて、コントローラ３００は、ステップＳ２６８において、フィードモータ制御回路１１６に対して逆方向移動開始指令を出力してレーザ光照射装置３５０を上方向へ移動させる。続いて、ステップＳ２６９において、移動量検出回路１１７から移動量ｚを入力し、ステップＳ２７０において、移動量ｚに基づいてレーザ光照射装置３５０が初期位置近傍（極少量Ｄ）に達するまで待機し、移動量ｚが極少量Ｄを下回ったところで、ステップＳ２７２において、フィードモータ制御回路１１６に対して停止指令を出力してレーザ光照射装置３５０の移動を停止させる。そして、ステップＳ２７４にて本プローブ位置調整ルーチンを終了する。
【０１７８】
作業者は、本プローブ位置調整ルーチンが終了すると、入力装置１０１を操作して、穴形状測定ルーチンを開始させる。この場合、穴形状測定ルーチンは、図１９Ａ〜図１９Ｃに示す第２実施形態のものと同一であるが、測定体ＯＢと管状プローブ２８０との位置決めは完了しているので、ステップＳ３０２，Ｓ３０４の処理は省略する。また、ステップＳ３６６において、測定対象穴ｈの３次元座標データを計算する場合には、管状プローブ２８０の中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離（第１，第２実施形態における距離Ｆ）に、ステップＳ２６６において管状プローブ２８０が移動した距離（Ｘｃ＋ｄave）、つまり、ステージ３１１の回転中心軸と管状プローブ２８０の中心軸との間の軸間距離を加算した値を、新たな距離Ｆとして使用する。
【０１７９】
このプローブ位置調整ルーチンを実行して、管状プローブ２８０と測定対象穴ｈとの相対位置を設定するコントローラ３００の処理が本発明の測定位置設定手段に相当する。また、管状プローブ２８０を原点位置から移動させる位置（Ｘｃ＋ｄave）を算出し、その位置を軸間距離として記憶するステップＳ２３４，Ｓ２６４，Ｓ２６６が本発明の軸間距離検出手段に相当する。
【０１８０】
以上説明した第３実施形態の穴形状測定装置は、管状プローブ２８０におけるレーザ光照射位置（ミラー８２の位置）と測定対象穴ｈの壁面ｗとの距離を一定にしておき、測定体ＯＢを測定対象穴ｈの中心軸周りに回転させたときに得られる焦点ずれｄ（ｎ）から穴形状測定を行うため、種々の径の測定対象穴ｈを精度良く測定することができる。しかも、第２実施形態と同様に、Ｓ字状波形が測定距離方向にずれた２つのフォーカスエラー信号を使って焦点ずれを検出するため、高い測定精度を保ったまま測定可能範囲を広くすることができる。
【０１８１】
また、穴形状測定を行う前の管状プローブ２８０の位置調整にあたっては、管状プローブ２８０をレーザ光の照射する方向、つまり、測定対象穴ｈの壁面ｗに向かう方向に進退移動させ、そのときに得られるフォーカスエラー信号に基づいて、管状プローブ２８０の位置を自動調整するため調整が容易である。また、そのとき、２つのフォーカスエラー信号から焦点ずれを測定できる測定可能範囲の中心位置Ｘｃを算出し、管状プローブ２８０をこの中心位置Ｘｃに設定して測定対象穴ｈの１周分の焦点ずれｄ（ｎ）を求め、更に、焦点ずれｄ（ｎ）の平均値ｄave分だけ管状プローブ２８０の位置を補正するため、管状プローブ２８０と測定対象穴ｈとの位置関係を最適にすることができる。これらの結果、焦点ずれｄ（ｎ）を使って高精度に穴形状を測定することができ、しかも、測定不能となる個所が発生してしまうことを防止できる。
【０１８２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【０１８３】
例えば、第１、第２実施形態においては、ステージ１１の位置と傾きとの調整により管状プローブ８０，１８０の中心軸と測定対象穴ｈの中心軸とを一致させる構成を採用しているが、測定体ＯＢの全てが、測定対象穴ｈの中心軸がステージ１１に対して垂直になるものであれば、ステージ１１を傾斜させる構成を削除してもよい。この場合には、システムの簡略化によりコストダウンを図ることもできる。また、管状プローブ８０，１８０を回転させる構成に代えて、ステージ１１を管状プローブ８０，１８０の中心軸回りに回転させる構成を採用することもできる。
【０１８４】
また、第１、第２実施形態においては、測定対象穴ｈと管状プローブ８０，１８０との位置関係を調整するに当たって、ステージ駆動装置１０によりステージ１１の水平位置と傾きとを調整する構成を採用しているが、これに代えて、レーザ光照射装置５０，２５０の水平位置と傾きとを調整する構成を採用することもできる。また、第１〜第３実施形態においては、レーザ光照射装置５０，１５０，２５０，３５０を上下方向に移動させることにより、管状プローブ８０，１８０，２８０を測定対象穴ｈ内に挿入させる構成を採用しているが、これに代えて、ステージ１１，３１１を上下方向に移動させて管状プローブ８０，１８０，２８０が測定対象穴ｈ内に挿入する構成を採用することもできる。
【０１８５】
要するに、測定対象穴と管状プローブとにおける軸方向（本実施形態では上下方向）の相対位置関係、その軸に直交する径方向（本実施形態では水平方向）の相対位置関係、軸回りの回転方向の相対位置関係を変更できる構成であれば、どちらを移動させるものであってもよく、どちらも同じ作用効果が得られる。
【０１８６】
また、第１実施形態においては、Ｓ字検出距離の異なる２つのフォーカスエラー信号を選択使用する構成を採用しているが、受光光学系，フォトディテクタ，フォーカスエラー信号生成回路をそれぞれ３つ以上設けて、Ｓ字検出距離の異なる３つ以上のフォーカスエラー信号を選択使用する構成を採用することもできる。この場合には、測定対象穴ｈの壁面ｗの凹凸の程度や、上端から下端までのあいだの穴径の変化の程度に大きな差があっても、最適なＳ字検出距離のフォーカスエラー信号を選択することで広範囲な測定が可能となる。
【０１８７】
また、第１実施形態の変形例においては、管状プローブ１８０の外管１８３outを回転させることにより対物レンズ８１とミラー８２との光軸方向の間隔を変更する構成を採用しているが、例えば、外管１８３outをその軸線方向にそってスライド移動させる構成など、回転方式とは異なる方式を採用する事もできる。また、この変形例の管状プローブ１８０を第２実施形態の穴形状測定装置、あるいは、第３実施形態の穴形状測定装置に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】第１実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成図である。
【図３】フォーカスエラー信号の波形図である。
【図４】第１実施形態に係る２つのフォーカスエラー信号の波形図である。
【図５】第１実施形態に係るステージの移動位置とフォーカスエラー信号の波高値との関係を測定する方法を説明する説明図である。
【図６】第１実施形態に係る管状プローブの中心軸からレーザ光の焦点位置までの距離を測定する方法を説明する説明図である。
【図７】第１実施形態に係る測定対象穴の壁面の３次元座標を表す説明図である。
【図８Ａ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図８Ｂ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図８Ｃ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図８Ｄ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図８Ｅ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図８Ｆ】第１実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図９】第１実施形態に係る測定対象穴の傾きを計算する方法を説明する説明図である。
【図１０】第１実施形態に係る測定対象穴のＸＹ方向のずれ量を計算する方法を説明する説明図である。
【図１１】第１実施形態に係る測定対象穴のプロファイルとステージ駆動装置のＸ，Ｙ軸を一致させるための試料の斜視図である。
【図１２】第１実施形態に係る測定対象穴のプロファイルとステージ駆動装置のＸ，Ｙ軸のずれ角を表す説明図である。
【図１３】第１実施形態の変形例に係るレーザ光照射装置の概略構成図である。
【図１４】第１実施形態の変形例に係るレーザ光照射装置の機能を説明する説明図である。
【図１５】第２実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図である。
【図１６】第２実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成図である。
【図１７】第２実施形態に係るレーザ光照射装置の機能を説明する説明図である。
【図１８】第２実施形態に係るフォーカスエラー信号の波形図である。
【図１９Ａ】第２実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図１９Ｂ】第２実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図１９Ｃ】第２実施形態に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【図２０】第３実施形態に係る穴形状測定装置の概略システム構成図である。
【図２１】第３実施形態に係る穴形状測定の原理を説明する説明図である。
【図２２Ａ】第３実施形態に係るプローブ位置調整ルーチンを表すフローチャートである。
【図２２Ｂ】第３実施形態に係るプローブ位置調整ルーチンを表すフローチャートである。
【図２２Ｃ】第３実施形態に係るプローブ位置調整ルーチンを表すフローチャートである。
【図２３】第１実施形態の変形例に係る穴形状測定ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１８９】
１０…ステージ駆動装置、１１，３１１…ステージ、１２…Ｘ方向モータ、１３…Ｙ方向モータ、１４…Ｘ角度モータ、１５…Ｙ角度モータ、１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ…エンコーダ、２２…Ｘ方向モータ制御回路、２３…Ｙ方向モータ制御回路、２４…Ｘ角度モータ制御回路、２５…Ｙ角度モータ制御回路、３２…Ｘ方向位置検出回路、３３…Ｙ方向位置検出回路、３４…Ｘ角度検出回路、３５…Ｙ角度検出回路、５０，１５０，２５０，３５０…レーザ光照射装置、６２，２６２，２８３…レーザ光源、６３，２６３，２８４…コリメートレンズ、６７，６８，２６９，２７０…集光レンズ、６９，７０，２７１，２７２…シリンドリカルレンズ、７１，７２，２９１，２９２…フォトディテクタ、７３…プローブ回転機構、７４…プローブ回転モータ、７４ａ…エンコーダ、８０，１８０，２８０…管状プローブ、８１，２８１…対物レンズ、８２…ミラー、８３…管本体、９０…Ｚ方向駆動装置、９２…フィードモータ、９２ａ…エンコーダ、１００，２００，３００…コントローラ、１０１…入力装置、１０２…表示装置、１０３，２０３，３０３…メモリ、１１１，１１２，２３１，２３２…フォーカスエラー信号生成回路、１１３…信号選択スイッチ、１１６…フィードモータ制御回路、１１７…移動量検出回路、１１８…プローブ回転モータ制御回路、１１９…回転角度検出回路、１２０，２２１，２２２…レーザ駆動回路、１８３…管本体、１８３out…外管、１８３in…内管、１８３ｂ…雌ネジ、１８３ａ…雄ネジ、１８４…ネジ部、２６７…ダイクロイックミラー、２８１ａ…回折格子、３１０…ステージ回転装置、３１２…ステージ回転モータ、３１２ａ…エンコーダ、３１３…回転軸、３１４…ステージ回転モータ制御回路、３１５…回転角度検出回路、３８０…Ｘ方向駆動装置、３８１…Ｘ方向モータ、３８１ａ…エンコーダ、３８３…Ｘ方向モータ制御回路、３８４…Ｘ方向位置検出回路、ｗ…壁面、ｈ…測定対象穴、ＯＢ…測定体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2010101731.tif 000011
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
2010101731.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010101731.tif 000021
【図１５】
2010101731.tif 000022
【図１６】
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【図１７】
2010101731.tif 000024
【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
2010101731.tif 000031
【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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