(57)【要約】    【課題】  従来よりも高精度，広範囲，かつ短時間に被対象物の断面形状を測定できる断面形状測定方法および断面形状測定装置を提供する。    【解決手段】  正弦波振動させた干渉縞パターンをもつSVIP光を被対象物60に照射し、この被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光を電気的な検出信号ＳD（t）に変換する。検出信号ＳD（t）に含まれる位相αから、被対象物の測定すべき頂点位置の座標値を求めることができる。また、頂点位置Ｑから来るSVIP光だけを、空間周波数フィルタリングにより選択的に通過させ、これを電気的な検出信号ＳD（t）に変換しているので、検出点間の位相αの差が非常に小さく、極めて小さな誤差で断面形状を測定できる。【選択図】  図１
2006162451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの出射光を分割し、この分割した各光を合成して周期的に強度分布が変化する干渉縞パターンの光を生成する第１の工程と、
前記干渉縞パターンを正弦波振動させる第２の工程と、
前記正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光を被対象物に向けて照射する第３の工程と、
前記被対象物の頂点位置から来る参照光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行なう第４の工程と、
前記選択的に通過した参照光を電気的な検出信号に変換する第５の工程と、
前記検出信号の位相を求めて、前記頂点位置の座標値を決定する第６の工程と、を含むことを特徴とする断面形状測定方法。
【請求項２】
前記第４の工程で、２枚のレンズで構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置し、前記被対象物の頂点位置から来る参照光を前記マスクの開口から通過させ、それ以外の参照光を前記マスクで遮断させたことを特徴とする請求項１記載の断面形状測定方法。
【請求項３】
前記第１の工程で、y軸に平行で周期Ｐの前記干渉縞パターンの光を生成し、
前記第２の工程で、前記干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させ、
前記第５の工程で、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素により前記検出信号に変換すると共に、
前記検出信号ＳD（t）が次の式で表わされるときに、
【数１】
2006162451.tif 000006
（但し、Ｚ＝４πａ／λ，α＝２πＸo／Ｐで、λは前記光源の波長、Ｘoは前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値、ｔは時間である。）
前記第６の工程で、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値Ｘoを決定し、前記画素の位置から、前記被対象物の頂点位置におけるｙ座標の値を決定することを特徴とする請求項１または２記載の断面形状測定方法。
【請求項４】
光源からの出射光を分割し、この分割した各光を合成して周期的に強度分布が変化する干渉縞パターンの光を生成する干渉光学装置と、
前記干渉縞パターンを正弦波振動させる振動手段と、
前記正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光を被対象物に向けて照射する照射手段と、
前記被対象物の頂点位置から来る参照光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行なうフィルタ手段と、
前記選択的に通過した参照光を電気的な検出信号に変換する光電変換手段と、
前記検出信号の位相を求めて、前記頂点位置の座標値を決定する演算処理手段と、を備えたことを特徴とする断面形状測定装置。
【請求項５】
前記フィルタ手段は、２枚のレンズで構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置して構成され、前記被対象物の頂点位置から来る参照光を前記マスクの開口から通過させ、それ以外の参照光を前記マスクで遮断させるものであることを特徴とする請求項４記載の断面形状測定装置。
【請求項６】
前記干渉光学装置は、y軸に平行で周期Ｐの前記干渉縞パターンの光を生成するものであり、
前記振動手段は、前記干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させるものであり、
前記光電変換手段は、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素により前記検出信号に変換するものであると共に、
前記検出信号ＳD（t）が次の式で表わされるときに、
【数２】
2006162451.tif 000007
（但し、Ｚ＝４πａ／λ，α＝２πＸo／Ｐで、λは前記光源の波長、Ｘoは前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値、ｔは時間である。）
前記演算処理手段は、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値Ｘoを決定し、前記画素の位置から、前記被対象物の頂点位置におけるｙ座標の値を決定するものであることを特徴とする請求項４または５記載の断面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば精密加工部品などの被対象物の断面形状を、１μｍ以下の誤差精度で正確に且つ短時間に測定するための断面形状測定方法および断面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な精密加工部品として知られるねじゲージは、工業規格を満たすための検査・校正が厳しく、高精度で短時間にその輪郭や径などの断面形状を測定することが常に求められている。従来、こうした被対象物の形状測定に際しては、機械的な触針或いは非接触型の光触針（光プローブ）を用いた測定装置が知られているが、１点毎の測定となるため機械的な走査が必要となり、測定時間が長くなる欠点がある。また、ねじ山のような断面形状の測定では、斜面部が触針と大きな角度をなすために、正確な形状の測定が困難になる。
【０００３】
一方、ねじゲージに平行光を照射し、ねじゲージの投影拡大像を二次元の光電変換手段であるＣＣＤカメラで検出すると共に、ＣＣＤの各画素毎に光強度を正確に解析することで、被対象物であるねじゲージの断面形状を測定する方法がある。この測定方法は、云わばＣＣＤの画素を物差しの目盛として利用しており、測定精度と測定範囲はＣＣＤの画素サイズと画素数に大きく依存する。例えば、ＣＣＤの１画素が被対象物の１μｍとなるような投影拡大像を得る光学系を装置に組み込んだ場合、装置の測定精度は１μｍとなるが、測定範囲はＣＣＤの画素数に依存し、仮に2000×1000（200万）の有効画素数を有するＣＣＤであっても、僅か２×１ｍｍの範囲でしか被対象物の形状を測定することができない。そのため、ねじゲージの上側と下側にある各ねじ部の断面形状を求めるには、ある程度の大きさがあるねじゲージを機械的に上下方向に動かさざるを得ず、この機械的な走査による測定精度の劣化と測定時間の増大を引き起こす。
【０００４】
こうした問題に対し、特許文献１では、正弦波状に振動する正弦波強度分布をもつ平行光（SVSI光）を分布光発生装置より被対象物に照射し、この被対象物の頂点において回折された光強度をＣＣＤにより検出信号に変換することで、当該検出信号から位相を算出して被対象物の頂点位置を決定する測定装置を提案している。
【特許文献１】特開２００３−１６６８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の測定装置では、正弦波振動する正弦波回折格子を通過した平行光を物差しとして利用することで、被対象物の頂点位置を0.3μｍ程度の測定精度で正確に測定することができる。しかし、光電変換手段に相当するＣＣＤには、被対象物の頂点位置以外から来た光も到達して、これらが検出信号として電気的に変換されるので、高い精度を維持することが難しく、より広い範囲での測定が困難になっている。
【０００６】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、従来よりも高精度，広範囲，かつ短時間に被対象物の断面形状を測定できる断面形状測定方法および断面形状測定装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１における断面形状測定方法は、光源からの出射光を分割し、この分割した各光を合成して周期的に強度分布が変化する干渉縞パターンの光を生成する第１の工程と、前記干渉縞パターンを正弦波振動させる第２の工程と、前記正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光を被対象物に向けて照射する第３の工程と、前記被対象物の頂点位置から来る参照光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行なう第４の工程と、前記選択的に通過した参照光を電気的な検出信号に変換する第５の工程と、前記検出信号の位相を求めて、前記頂点位置の座標値を決定する第６の工程と、を含んでいる。これらの各工程は、どの順番で行なっても構わない。
【０００８】
この場合、前記第４の工程で、２枚のレンズで構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置し、前記被対象物の頂点位置から来る参照光を前記マスクの開口から通過させ、それ以外の参照光を前記マスクで遮断させるのが好ましい。
【０００９】
また、前記第１の工程で、y軸に平行で周期Ｐの前記干渉縞パターンの光を生成し、前記第２の工程で、前記干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させ、前記第５の工程で、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素により前記検出信号に変換すると共に、前記検出信号ＳD（t）が次の式で表わされるときに、
【００１０】
【数３】
2006162451.tif 000003
（但し、Ｚ＝４πａ／λ，α＝２πＸo／Ｐで、λは前記光源の波長、Ｘoは前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値、ｔは時間である。）
前記第６の工程で、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値Ｘoを決定し、前記画素の位置から、前記被対象物の頂点位置におけるｙ座標の値を決定するのが好ましい。
【００１１】
本発明の請求項４における断面形状測定装置は、光源からの出射光を分割し、この分割した各光を合成して周期的に強度分布が変化する干渉縞パターンの光を生成する干渉光学装置と、前記干渉縞パターンを正弦波振動させる振動手段と、前記正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光を被対象物に向けて照射する照射手段と、前記被対象物の頂点位置から来る参照光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行なうフィルタ手段と、前記選択的に通過した参照光を電気的な検出信号に変換する光電変換手段と、前記検出信号の位相を求めて、前記頂点位置の座標値を決定する演算処理手段と、を備えて構成される。
【００１２】
この場合、前記フィルタ手段は、２枚のレンズで構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置して構成され、前記被対象物の頂点位置から来る参照光を前記マスクの開口から通過させ、それ以外の参照光を前記マスクで遮断させるものであることが好ましい。
【００１３】
また、前記干渉光学装置は、y軸に平行で周期Ｐの前記干渉縞パターンの光を生成するものであり、前記振動手段は、前記干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させるものであり、前記光電変換手段は、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素により前記検出信号に変換するものであると共に、前記検出信号ＳD（t）が次の式で表わされるときに、
【００１４】
【数４】
2006162451.tif 000004
（但し、Ｚ＝４πａ／λ，α＝２πＸo／Ｐで、λは前記光源の波長、Ｘoは前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値、ｔは時間である。）
前記演算処理手段は、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、前記被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値Ｘoを決定し、前記画素の位置から、前記被対象物の頂点位置におけるｙ座標の値を決定するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の断面形状測定方法及び請求項４の断面形状測定装置によれば、正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光を被対象物に照射し、この被対象物の頂点位置から来る参照光を電気的な検出信号に変換すれば、検出信号に含まれる位相から、被対象物の測定すべき頂点位置の座標値を求めることができる。その際、参照光自体に位置座標を表現する目盛が取付けられており、参照光を空間に存在する高精度な物差しとして利用できるので、座標値の測定精度は干渉縞パターンの周期だけで決定され、高い精度で頂点位置の座標値を取得できる。
【００１６】
また、頂点位置から来る参照光だけを、空間周波数フィルタリングにより選択的に通過させ、これを電気的な検出信号に変換しているので、検出点間の位相の差が非常に小さく、極めて小さな誤差で断面形状を測定できる。しかも、頂点位置の座標値を決定するに際し、検出信号の位相を検出しているので、参照光を電気的な検出信号に変換する各測定点の寸法を、より大きくすることができ、測定範囲を広げることが可能になる。したがって、被対象物をわざわざ機械的に移動させなくても、被対象物全体の断面形状を短時間で精度よく測定できる。
【００１７】
請求項２の断面形状測定方法及び請求項５の断面形状測定装置によれば、被対象物の頂点位置から来る参照光以外の光成分は、マスクにより遮断され、検出信号として検出されなくなる。したがって、不要な光成分による誤差要因を取り除いて、より正確に被対象物の断面形状を測定することができる。
【００１８】
請求項３の断面形状測定方法及び請求項６の断面形状測定装置によれば、ｘ軸方向に沿って検出信号の振幅Ｂが最大となる位置の位相αが判れば、α＝２πＸo／Ｐなる関係式を利用して、被対象物の頂点位置におけるｘ座標の値Ｘoを簡単に算出できると共に、二次元平面に配置された画素の位置から、被対象物の頂点位置におけるｙ座標の値も簡単に決定できる。また、このようにして個々に得られたｘ座標の値Ｘoを、ｙ座標に対して繋げて行けば、二次元の断面形状を簡単に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る断面形状測定方法および断面形状測定装置の好ましい実施例について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。装置の全体構成を示す図１において、１は２つの光による干渉縞パターンを生成する干渉光学装置としてのレーザ干渉装置であり、このレーザ干渉装置１は、コヒーレントな光源である半導体レーザ10と、半導体レーザ10からの出射光を平行光にする対物レンズ21と、対物レンズ21からの平行光をミラー33，34へと分割すると共に、これらの各ミラー33，34からの反射光を合成して干渉光を得るビームスプリッタ32と、により構成され、ミラー33またはミラー34の角度を調整することにより、図中紙面を貫通する方向（前後方向）であるｙ軸に平行で、一定の間隔Ｐ毎に正弦波状に強度分布が変動する干渉縞パターンをもつ光を生成する。また11は、いずれか一方の前記ミラー33，34（本実施例ではミラー33）を、図中紙面の左右方向であるｚ軸に正弦波状に振動させる振動手段としての圧電素子11である。なお、レーザ干渉装置１としては、種々の干渉光学系を利用することができる。
【００２０】
14は、間隔を置いて配置された２枚のレンズ22，23で構成される第１のアフォーカル像系と、この第１のアフォーカル結像系のスペクトル面に置かれた第１の開口41を有するマスクとからなり、正確な測定の妨げとなる不要な光を取り除いて、測定すべき被対象物60にのみ、前述した周期Ｐの干渉縞パターンを正確に照射する第１のフィルタである。ここでは被対象物60として、外周にねじ部を有する半径Ｒの棒状のねじゲージを用いているが、勿論それ以外の被対象物であっても構わない。被対象物60であるねじゲージは、測定対象となる頂点Ｑがｘ軸上に一致するように、ｙ軸に沿ってその中心軸が置かれている。すなわち、被対象物60の頂点位置Ｑのｘ座標は、ねじ部の形状に応じてｙ軸方向に沿って変化している。そして、圧電素子11がミラー33に正弦波振動を与えている関係で、被対象物60上には正弦波振動する干渉縞パターン（Sinusoidally vibrating interference pattern ：SVIP）光が、参照光として照射されるようになっている。
【００２１】
16は、前記被対象物60の頂点位置から来る参照光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行ない、頂点位置Ｑの像すなわち被対象物60の断面形状の像を得る第２のフィルタである。この第２のフィルタ16は、間隔を置いて配置された２枚のレンズ24，25で構成される第２のアフォーカル結像系と、この第２のアフォーカル結像系のスペクトル面に置かれた第２の開口42を有するマスクとからなる。また51は、二次元の光電変換手段に相当するＣＣＤカメラで、これは第２のフィルタ16を通して得られる断面形状の像面、すなわちｘ−ｙ軸方向に沿った検出面に配置され、この断面形状の像面の光強度分布の時間変化を、各画素毎に電気的な検出信号ＳD（t）に変換して出力するものである。ここでの光電変換手段は、時間変化する光強度を短時間で測定できればよいので、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のような追従性のよい光電変換素子を用いるのが好ましい。
【００２２】
52は、ＣＣＤカメラ51からの検出信号ＳD（t）に基づき前記頂点位置Ｑの座標Ｘｏを算出する位置演算手段としてのパソコンである。このパソコン52には、必要に応じてＣＣＤカメラ51の撮影画像を表示するモニタなどの表示器（図示せず）が接続される。
【００２３】
次に、上記構成についてその動作原理を説明する。図１に示すレーザ干渉装置１において、半導体レーザ10に一定の注入電流を与えることにより、発振波長λのレーザ出力光が半導体レーザ10から対物レンズ21に出射され、ビームスプリッタ32に平行光が送り出される。ビームスプリッタ32は、この平行光をそれぞれ別な方向にあるミラー33，34に分割し、これらの各ミラー33，34で反射した光を再び重ね合わせる。ここで、ミラー33或いはミラー34の角度を調整すると、ビームスプリッタ32からの２つの平行光が干渉して、ｙ軸に平行な干渉縞パターンが生じる。
【００２４】
レーザ干渉装置１で生成された種々の光は、レンズ22，23で構成されるアフォーカル系の結像系に入力されるが、レンズ22，23間のスペクトル面にはピンホール状の第１の開口41が配置されているので、レーザ干渉装置１からの２つの平行光だけが第１の開口41を通過して、他の不要な光が取り除かれる。そして、２つの平行光による正確な正弦波強度分布をもつ干渉縞パターン光が、被対象物60であるねじゲージ上に生成されるように、被対象物60の位置を調整する。
【００２５】
干渉縞パターン光と被対象物60との位置決めが完了したら、次に圧電素子11に所定の電圧を印加して、ミラー33を周波数ｆｃ＝ωｃ／２π（但し、ωｃは角周波数），振幅ａで正弦波状に振動させる。これにより、被対象物60上の干渉縞パターンはｘ軸方向に正弦波振動し、正弦波振動する干渉縞パターン（SVIP）光だけが、レンズ22，23を通して被対象物60上に生成される。なお、ミラー33の振動周波数ｆｃや振幅ａは、図示しない圧電素子11の駆動装置によって、適宜その設定が変更できるようになっている。
【００２６】
被対象物60であるねじゲージは、その中心軸がｙ軸と平行に置かれており、被対象物60の頂点位置Ｑのｘ座標は、ねじゲージのねじ山形状に応じてｙ軸方向に沿って変化している。そのため、このような形状の被対象物60に向けて上記２つの平行光を照射すると、被対象物60の遮られずにそのまま方向を変えることなく伝搬する成分と、ねじ山形状の端面各部で反射および回折された成分とが混在して、別な２枚のレンズ24，25で構成されるアフォーカル系の結像系に入力される。ここでレンズ24，25間のスペクトル面にスリット状の第２の開口42を配置すると、測定すべき頂点位置Ｑから来る光だけが、第２の開口42を通過し、ＣＣＤカメラ51により頂点位置Ｑの像すなわちねじゲージの断面形状の像を得ることができる。この断面形状の像面の光強度分布（像強度）は、圧電素子11によってミラー33に正弦波振動が与えられている関係で、時間と共に変化する検出信号ＳD（t）としてパソコン52に取込まれる。
【００２７】
半導体レーザ10の発振波長をλとし、ミラー33の振動周波数および振幅をそれぞれｆｃとａとし、２つの平行光により得られる干渉縞の間隔（周期）をＰとし、時間をｔとし、さらに被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｘ座標の値をＸoとすると、検出信号ＳD（t）は次の式で表わせる。
【００２８】
【数５】
2006162451.tif 000005
上式において、Ｚ＝４πａ／λ，α＝２πＸo／Ｐであり、パソコン52は内蔵する演算処理ルーチンに基づき、検出信号ＳD（t）を決められた時間毎に取込んで、そこに含まれる振幅Ｂと位相αを求める。検出信号ＳD（t）は正弦波位相変調信号と呼ばれており、ＣＣＤイメージセンサのシャッター機能を利用して時間的に変化する検出信号ＳD（t）を検出する方法や、検出信号ＳD（t）から振幅Ｂと位相αを正確に求める演算方法は、既に確立されている。パソコン52はこうした方法を実現するソフトウェア上の処理手段を予め備えており、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる画素上の位置の位相αから、頂点位置Ｑにおける座標Ｘoを得ることができる。また、頂点位置Ｑのｙ座標は、ＣＣＤカメラ51の画素位置で決定することができる。
【００２９】
次に、図２〜図７の各図を併せて参照しながら、本実施例の断面形状測定装置を利用した具体的な実験結果を提示する。図２は本発明の測定手順をより詳しく説明した図であるが、レーザ干渉装置１を構成する半導体レーザ10の出力は20ｍＷで、波長λは660ｎｍであった。また、干渉縞の間隔Ｐが100ｎｍとなるように、レーザ干渉装置１のミラー34を予め調整した。第１のアフォーカル結像系を構成するレンズ22，23の焦点距離はいずれも同じ100ｍｍとし、第１の開口41におけるピンホール直径は200μｍである。さらに、圧電素子11によりミラー33を周波数ｆｃ＝177Ｈｚで正弦波振動させた。これにより図２に示すように、時間的にｘ軸方向に正弦波振動すると共に、それ自体が間隔Ｐで正弦波状に変化する強度分布をもつ干渉縞パターンＩＰだけが、第１の開口41を通して被対象物60に照射される。この正弦波振動する干渉縞パターンＩＰは、云わば被対象物60の形状を測定するための空間に存在する高度な物差しに相当する。
【００３０】
被対象物60は直径10ｍｍのねじゲージであり、その長手方向をｙ軸と平行に置いた状態で、１つの頂点（上端）側にあるねじ山形状の測定を行なった。測定すべきねじ山の深さは約１ｍｍ，ピッチは約1.5ｍｍである。また、第２のアフォーカル結像系を構成するレンズ24，25の焦点距離はそれぞれ70ｍｍと35ｍｍで、この結像系によって像倍率Ｍ＝１／２のねじゲージの断面形状の像を検出面上に生成する。ここで用いるＣＣＤカメラ51の各画素サイズは、4.65μｍ×4.65μｍの縦横寸法を有するので、被対象物60に対する１画素あたりの測定点の大きさ（測定サイズ）は、一辺が9.3μｍの正方形となる。
【００３１】
頂点位置Ｑからの光だけを取り出す第２の開口42は、レンズ24，25と共に空間周波数フィルタリングを行なうための重要な構成要素である。図３（ａ）は、レンズ24，25で構成されたアフォーカル系のスペクトル面で得られた光強度分布を示したものである。また、図３（ｂ）は測定しようとするねじ山の断面形状を示したものである。被対象物60に向かうSVIP光は２つの平行光からなり、被対象物60に照射された２つの平行光は、被対象物60に遮られずにそのまま方向を変えることなく伝搬する成分がある。これらの成分は、レンズ24，25で構成されたアフォーカル系のスペクトル面でそれぞれ１つの点状パターンとなるが、この点状パターンの光強度は強すぎるため、図３（ａ）に示す像をＣＣＤカメラ51で撮影する場合は、丸い黒紙などの遮蔽体により点状パターンの光を遮断することが好ましい。図３（ａ）において、中央部の２点を示す符号71が、その遮蔽体を示している。
【００３２】
一方、図３（ｂ）におけるねじ山形状の各部で反射・回折された光のスペクトルが、図３（ａ）に現れている。すなわち、ねじ山およびねじ溝を形成する平行な面ａによって生じた成分が、図３（ａ）において、遮蔽体71から垂直方向に伸びる光となっている（符号ａ，ａ’を参照）。なお、ａ，ａ’はそれぞれ２つの平行光から生じる成分である。同様に、図３（ｂ）において、ねじ山から落ち込んだ左右の第１斜面を、それぞれ符号ｂＬ，ｂＲとして表わすと、２つの平行光が第１斜面ｂＬ，ｂＲで反射・回折された結果生じる成分が、図３（ａ）において、ｂＬ，ｂＬ’およびｂＲ，ｂＲ’として現れている。さらに、図３（ｂ）において、ねじ溝に繋がる左右の第２斜面ｃＬ，ｃＲは、第１斜面ｂＬ，ｂＲよりも急な角度で落ち込んでおり、そこで反射・回折された結果生じる成分が、図３（ａ）において、ｃＬ，ｃＬ’およびｃＲ，ｃＲ’として現れている。
【００３３】
こうしてスペクトル面に現れる各成分のなかで、ねじゲージの頂点位置Ｑから来る光だけを取り出すために、図３（ｂ）の破線で示すようなスリット状の第２の開口42を、当該スペクトル面に配置している。一例として、ここでのスリット幅は300μｍで、長さは約６ｍｍである。図４は、レンズ24，25間にある第２の開口42によって、スペクトル面で空間周波数フィルタリングされた光による検出面での像面の光強度分布を示している。この光強度分布の図は、圧電素子11による振動をとめた時にＣＣＤカメラ51によって撮影したものであり、ｙ軸方向に沿っての頂点位置の像すなわちねじ断面の像が現れている。
【００３４】
図４に示す状態から、圧電素子11を振動させると、被対象物60に照射される干渉縞パターン光の光強度分布が、時間的に正弦波振動する。すなわち図２に示すように、頂点位置Ｑの例えばＡ点やＢ点からくる光は、圧電素子11を振動することによって時間と共に変動する。ＣＣＤカメラ51の各画素は時間的に変化する光強度を電気的な検出信号ＳD（t）に変換し、これをパソコン52に出力する。パソコン52は、それぞれの画素の検出信号ＳD（t）について、その振幅Ｂと位相αを算出する。ここでの検出点の間隔は、前述のように各画素の縦横寸法と第２のアフォーカル結像系の像倍率Ｍに依存し、9.3μｍである。また、頂点位置Ｑのｙ座標はＣＣＤカメラ51の画素位置で決定される。
【００３５】
図５は、任意に選択したｙ座標に対して、ｘ軸方向に沿って各検出信号ＳD（t）の振幅Ｂと位相αの分布を求めたもので、ここでは特に、前記第１斜面ｂ（ｂＬ，ｂＲ）の部分で得られた振幅Ｂと位相αの各値がプロットされている。パソコン52は、あるｙ座標に対して、ｘ軸方向に沿って各画素毎に検出される検出信号ＳD（t）の振幅Ｂと位相αを算出し、この振幅Ｂが最大値となっている検出点での位相αＭを特定する。そして、この位相αＭを利用して、Ｘo＝（Ｐ／２π）・αＭの関係式から、頂点位置Ｑにおけるｘ座標の値Ｘoを決定する。ここでは、第２の開口42によって頂点位置Ｑからの光だけを取り出しているので、隣接する検出点間の位相αの差は非常に小さく、約0.02radとなる。好ましくは、第２の開口42が頂点位置Ｑからの光以外を完全に遮断することで、検出点間の位相αの差を略ゼロにして、精度の高い測定を実現することができる。
【００３６】
図６は、パソコン52の内部処理によって算出した被対象物60の断面形状を示したものである。パソコン52は、上述のようにして得られたｘ座標の値Ｘoをｙ座標に対して繋げて行き、図６に示すような二次元の断面形状ｒを求める。
【００３７】
図７は、ねじゲージの断面形状の要部を示したもので、測定対象となる各部には、それぞれ符号を付してある。ここでは、図６の測定結果に対して図７の形状を表わす近似直線を求め、各部の数値を算出する。各部の測定値は、Ｗ１＝1001.6μｍ，Ｗ２＝755.9μｍ，Ｗ３＝499.0μｍ，Ｗ２’＝756.9μｍ，θＬ＝29.64°，θＲ＝30.19°，θＬ’＝29.64°，θＲ’＝30.11°，Ｄ＝987.7μｍ，Ｄ’＝986.8μｍであった。なお、図６の右側のねじ山形状に対する測定値については、例えばＷ１’のようにプライム記号を付けて区別している。これらの測定値は、従来の方法で測定した結果とよく一致しており、また同様の測定を繰り返すことで、測定誤差を１μｍ以下にすることが可能になった。勿論、こうした各部の寸法を測定したり、測定を繰り返す制御ルーチンを、パソコン52に組み込んでも構わない。
【００３８】
このように、100μｍの周期Ｐを有する正弦波振動する干渉縞パターンの光（SVIP光）を被対象物60に照射し、被対象物60の頂点位置Ｑから来る光をＣＣＤカメラ51で電気的な検出信号ＳD（t）に変換して、そこに含まれる位相αから頂点位置Ｑのｘ座標の値Ｘｏを算出するようにしているので、約100μｍ／300＝0.3μｍ以下の誤差でｘ座標の値Ｘｏを得ることができる。また、第２の開口42による空間的フィルタリングによって、頂点位置Ｑの光だけを取り出しているため、ｘ軸に沿っての位相αの変化を非常に小さくすることができる（検出点間の差が約0.02rad）。これらの特性から、１μｍ以下の誤差で断面形状を測定することができる。また、前記位相αの検出では、測定点となるＣＣＤカメラ51の１画素あたりの大きさが、約100μｍ／８＝13μｍと大きくなっても、画素領域における位相αの平均値を得ることができ、実際にＣＣＤカメラ51の各画素は一辺9.3μｍの正方形となっている。例えば、一辺が13μｍ四方の画素を2000×1000個並べたＣＣＤカメラ51では、26×13ｍｍの範囲で被対象物60の形状を測定することが可能になる。このことから、広い測定範囲を得ることができ、数ｃｍ程度の大きさの被対象物60であれば、被対象物60の上側のみならず下側の断面形状も、被対象物60を機械的に移動させることなく同時に測定でき、ねじの有効径などの測定を含めた被対象物60の検査装置を提供できる。したがって、機械的な誤差要因や手間を排除して、短時間に精度よく被対象物60の全体的な断面形状を得ることが可能になる。
【００３９】
また特に、本実施例の測定装置および測定方法は、ねじゲージなどの略円筒状をなす被対象物60の直径を含めた種々の断面形状の測定にも適用できる。上述の手法では、一周期（Ｐ＝100μｍ）の範囲内でどの位置に頂点があるかを、α＝２πＸo／Ｐの関係式から求めている（位相αの範囲は−π〜＋π）ので、例えばねじゲージなどの直径を測定する場合には、周期Ｐの物差しの測定範囲を広げるために、ねじ部の上側と下側の各頂点位置の間に、干渉縞パターンの周期Ｐが何個あるかを、ｘ軸方向のＣＣＤカメラ51の画素位置からパソコン52で算出する。そして、この周期Ｐと個数とを掛け合わせて求めた寸法と、前記ねじ部の上側と下側の各頂点位置をα＝２πＸo／Ｐの関係式から求めた寸法とにより、被対象物60の直径を１μｍの精度で正確に測定することが可能になる。
【００４０】
以上のように本実施例では、光源である半導体レーザ10からの出射光を分割し、この分割した各光を合成して、平面上で周期的に強度分布が変化する干渉縞パターンの光を生成する第１の工程と、前記干渉縞パターンを正弦波振動させる第２の工程と、正弦波振動させた干渉縞パターンをもつ参照光としてのSVIP光を、被対象物60に向けて照射する第３の工程と、被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光だけを選択的に通過させる空間的フィルタリングを行なう第４の工程と、この選択的に通過したSVIP光を二次元上で電気的な検出信号ＳD（t）に変換する第５の工程と、検出信号ＳD（t）の位相αと振幅Ｂをそれぞれ求めて、測定すべき頂点位置Ｑの座標値を決定する第６の工程と、を含んだ断面形状測定方法を採用している。
【００４１】
また、このような断面形状測定方法を実現するために、前記第１の工程を行なう干渉光学装置としてのレーザ干渉装置１と、第２の工程を行なう振動手段としての圧電素子11と、第３の工程を行なう照射手段としてのレーザ干渉装置１および第１のフィルタ14と、第４の工程を行なうフィルタ手段としての第２のフィルタ16と、第５の工程を行なう光電変換手段としてのＣＣＤカメラ51と、第６の工程を行なう演算処理手段としてのパソコン52と、からなる断面形状測定装置を構成している。
【００４２】
これらの方法および装置では、いずれも正弦波振動させた干渉縞パターンをもつSVIP光を被対象物60に照射し、この被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光を電気的な検出信号ＳD（t）に変換すれば、検出信号ＳD（t）に含まれる位相αから、被対象物60の測定すべき頂点位置Ｑの座標値を求めることができる。その際、SVIP光自体に位置座標を表現する目盛が取付けられており、SVIP光を空間に存在する高精度な物差しとして利用できるので、座標値の測定精度は干渉縞パターンの周期Ｐだけで決定され、高い精度で頂点位置Ｑの座標値を取得できる。
【００４３】
また、頂点位置Ｑから来るSVIP光だけを、空間周波数フィルタリングにより選択的に通過させ、これを電気的な検出信号ＳD（t）に変換しているので、検出点間の位相αの差が非常に小さく、極めて小さな誤差で断面形状を測定できる。しかも、頂点位置Ｑの座標値を決定するに際し、検出信号ＳD（t）の位相αを検出しているので、SVIP光を電気的な検出信号ＳD（t）に変換する各測定点の寸法を、より大きくすることができ、測定範囲を広げることが可能になる。したがって、被対象物60をわざわざ機械的に移動させなくても、被対象物60全体の断面形状を短時間で精度よく測定できる。
【００４４】
このように、正弦波振動させた干渉縞パターンをもつSVIP光の位相を正確に求める技術と、空間周波数フィルタリングの技術とを組み合わせることで、高精度，広範囲，かつ短時間に被対象物60の断面形状を測定できる。
【００４５】
なお、ここでいう断面形状の測定とは、単に略円筒状の被対象物60の片側（上側）の輪郭形状を測定するだけでなく、被対象物60の上側および下側の各頂点位置Ｑから被対象物60の直径を求めるような、被対象物60のあらゆる部位の形状測定を含むものである。
【００４６】
また本実施例では、前記第４の工程で、２枚のレンズ24，25で構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置し、被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光をマスクの開口42から通過させ、それ以外のSVIP光をマスクで遮断させた断面形状測定方法を採用している。
【００４７】
こうすると、被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光以外の光成分は、マスクにより遮断され、検出信号ＳD（t）として検出されなくなる。したがって、不要な光成分による誤差要因を取り除いて、より正確に被対象物60の断面形状を測定することができる。
【００４８】
なおこれは、２枚のレンズ24，25で構成されるアフォーカル系の光学結像系と、この光学結像系のスペクトル面に置かれたマスクとを配置し、被対象物60の頂点位置Ｑから来るSVIP光をマスクの開口42から通過させ、それ以外のSVIP光をマスクで遮断させる構成を、第２のフィルタ手段16が採用することでも実現する。
【００４９】
また本実施例は、第１の工程で、y軸に平行で周期Ｐの干渉縞パターンの光を生成し、第２の工程で、干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させ、第５の工程で、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素によりそれぞれ検出信号ＳD（t）に変換すると共に、前記検出信号ＳD（t）が上記数５の式で表わされるときに、第６の工程で、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｘ座標の値Ｘoを決定し、ＣＣＤカメラ51を構成する画素の位置から、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｙ座標の値を決定するような断面形状測定方法を採用している。
【００５０】
同様に、本実施例では、y軸に平行で周期Ｐの干渉縞パターンの光を生成するようにレーザ干渉装置１を構成し、干渉縞パターンを振幅ａおよび角周波数ωｃでｘ軸方向に振動させるように圧電素子11を構成し、ｘ−ｙ軸の二次元平面に配置された複数の画素によりそれぞれ検出信号ＳD（t）に変換するようにＣＣＤカメラ51を構成すると共に、前記検出信号ＳD（t）が上記数５の式で表わされるときに、第６の工程で、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αから、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｘ座標の値Ｘoを決定し、ＣＣＤカメラ51の画素の位置から、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｙ座標の値を決定するようにパソコン52を構成している。
【００５１】
こうすると、ｘ軸方向に沿って検出信号ＳD（t）の振幅Ｂが最大となる位置の位相αが判れば、α＝２πＸo／Ｐなる関係式を利用して、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｘ座標の値Ｘoを簡単に算出できると共に、二次元平面に配置された画素の位置から、被対象物60の頂点位置Ｑにおけるｙ座標の値も簡単に決定できる。また、このようにして個々に得られたｘ座標の値Ｘoを、ｙ座標に対して繋げて行けば、二次元の断面形状を簡単に求めることができる。
【００５２】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば干渉縞パターンを生成できるコヒーレンス光であれば、半導体レーザ10以外の各種光源を利用することができる。また、圧電素子11によりミラー33を振動させる工程は、被対象物60に干渉縞パターンの光を照射した後でもよい。
【００５３】
さらに、実施例のようなねじゲージの断面形状だけでなく、ｙ座標方向に沿ってその直径が変化するような、あらゆる円筒物体の直径分布形状を測定する場合にも、本発明を有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の好ましい一実施例における断面形状測定装置の全体構成を示す概略説明図である。
【図２】同上、測定手順をより詳しく説明した図である。
【図３】同上、（ａ）は第２のアフォーカル結像系のスペクトル面で得られた光強度分布を示した図で、（ｂ）は測定しようとするねじ部の形状を示した拡大断面図である。
【図４】同上、ペクトル面で空間周波数フィルタリングされた光による検出面での像面の光強度分布を示す図である。
【図５】同上、あるｙ座標に対して、ｘ軸方向に沿って各検出信号ＳD（t）の振幅Ｂと位相αの分布をあらわしたグラフである。
【図６】同上、被対象物の測定結果を示すグラフである。
【図７】同上、ねじゲージの要部をあらわした拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  レーザ干渉装置（干渉光学装置，照射装置）
11  圧電素子（振動手段）
14  第１のフィルタ（照射装置）
16  第２のフィルタ（フィルタ手段）
51  ＣＣＤカメラ（光電変換手段）
52  パソコン（演算処理手段）
60  被対象物
【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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