(57)【要約】【課題】白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、小さな内径を有する被測定物についても内径を測定可能な内径測定装置を提供する。【解決手段】内径測定装置１は、白色光源２からの光を、被測定物に向かう第１及び第２の光束に分岐し、第１の光束と第２の光束の間に被測定物の内径に対応する第１の光路差を生じさせ、第１の光束と第２の光束を一つの光束に合わせて出射させる光導波路素子３と、光導波路素子３から出射した光束を、第３の光束と移動鏡４４に向かう第４の光束に分岐して、第３の光束と第４の光束との間に第２の光路差を生じさせる干渉計４と、第３及び第４の光束を受光する検出器５と、第１の光路差と第２の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号の最大値に対応する移動鏡４４の位置を測定して第２の光路差を計算することにより、被測定物の内径を求めるコントローラ６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置であって、
白色光源と、
前記白色光源から放射された光を、前記被測定物に向かう第１の光束と第２の光束に分岐し、該第１の光束を前記被測定物で反射させて該第２の光束との間に前記被測定物の内径に対応する第１の光路差を生じさせ、該第１の光束と該第２の光束を一つの光束に合わせて出射させる光導波路素子と、
位置が固定された固定鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、前記光導波路素子から出射した光束を、該固定鏡に向かう第３の光束と、該移動鏡に向かう第４の光束に分岐して、該第３の光束と該第４の光束との間に第２の光路差を生じさせる干渉計と、
前記第３の光束と前記第４の光束を受光し、前記第１の光路差と前記第２の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、
前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定し、該位置から前記第２の光路差を計算することにより、前記被測定物の内径を求めるコントローラと、
を有することを特徴とする内径測定装置。
【請求項２】
前記光導波路素子は、前記第１の光束が通る第１の導波路と、前記第２の光束が通る第２の導波路と、前記光導波路素子に近接して設けられた参照鏡とを有し、
前記第１の導波路は、前記白色光源から放射された光を前記被測定物の第１の内面へ導くように形成された導波路と、該第１の内面で反射された光を、該第１の内面と対向する前記被測定物の第２の内面へ導くように形成された導波路と、該第２の内面で反射された光を、前記光導波路素子の出射口まで導くように形成された導波路とからなり、
前記第２の導波路は、前記白色光源から放射された光を前記参照鏡へ導くように形成される、請求項１に記載の内径測定装置。
【請求項３】
前記光導波路素子は、フォトニック結晶導波路素子である、請求項１または２に記載の内径測定装置。
【請求項４】
前記光導波路素子は、その一部分が前記被測定物の円筒外に位置するように配置され、かつ、前記内径測定装置は、前記被測定物の円筒外に位置する前記光導波路素子の一部分を把持して前記光導波路素子を固定する保持用部材を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の内径測定装置。
【請求項５】
前記被測定物を基準用被測定物として求めた前記干渉信号の最大値に対応する前記第２の光路差である基準光路差と、該基準用被測定物の内径とを記憶した記憶部をさらに有し、かつ、
前記コントローラは、前記被測定物について測定した前記干渉信号の最大値に対応する前記第２の光路差と、前記基準光路差との差を求め、該差の半分を前記基準用被測定物の内径に加えた値を、前記被測定物の内径とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の内径測定装置。
【請求項６】
円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置であって、
白色光源と、
位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、前記白色光源から放射された光を、該参照鏡に向かう第１の光束と、該移動鏡に向かう第２の光束に分岐して、該第１の光束と該第２の光束との間に第１の光路差を生じさせる干渉計と、
前記干渉計から出射された前記第１の光束及び第２の光束を、前記被測定物に向かう第３の光束と第４の光束に分岐し、該第３の光束を前記被測定物で反射させて該第４の光束との間に前記被測定物の内径に対応する第２の光路差を生じさせ、該第１の光束と該第２の光束を一つの光束に合わせて出射させる光導波路素子と、
前記第３の光束と前記第４の光束を受光し、前記第１の光路差と前記第２の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、
前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定し、該位置から前記第１の光路差を計算することにより、前記被測定物の内径を求めるコントローラと、
を有することを特徴とする内径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒状の被測定物の内径を測定する内径測定装置に関し、特に、白色干渉を用いた内径測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、円筒状の部品を、非接触で精密に測定する方法として、白色干渉の原理を用いた方法が提案されている。例えば、白色干渉を用いて、シリンダの内径を測定するための干渉計が知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された干渉計では、白色光源から放射された光を、コリメータで平行光とし、シリンダ内に配置されたハーフミラーで二つの光束に分割する。そして、それらの光束は、シリンダの内面または平面鏡で反射された後、例えばシリンダの内径の２倍に相当する光路差を生じて再度ハーフミラーで結合されてシリンダ内から出射する。そして、シリンダ内から出射した光束を、別途設けられた干渉計で再度二つの光束に分割し、シリンダ内で生じた光路差と略等しい光路差を生じさせることにより、白色干渉縞を生じさせる。白色干渉縞は、シリンダ内で生じた光路差と干渉計側で生じさせた光路差とが等しい場合に最大振幅を有するので、干渉計側で生じさせた二つの光束の光路差を測定することにより、正確にシリンダの内径を測定することができる。
【０００３】
【非特許文献１】植木、大岩、「シリンダの内径測定用干渉計」、計量研究所報告、昭和６３年１月、第３７巻、第１号、p.53-57
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の微細加工技術の進展により、内径が非常に小さい、場合によっては、内径が１ｍｍ以下しかない部品が様々な製品に使用されるに至っている。このような部品についても、加工精度の確認などのために、内径を精度良く計測することについての要望がある。このような要望に応えるために、上記の干渉計を用いて円筒状の部品の内径を測定しようとすれば、その内径よりも小さいハーフミラーを使用することが必要となる。さらに、ハーフミラーをその部品の円筒内部に位置固定するために、ハーフミラーの保持用部材もその円筒内部に配置することが必要となる。しかし、ハーフミラー及びその保持用部材を小型化するには限界があるため、内径があまりに小さくなると、ハーフミラー及びその保持用部材を円筒内部に配置することが困難となる。そのため、このような内径の小さい部品の内径寸法を精度良く測定することは困難であった。
【０００５】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、小さな内径を有する被測定物についても内径を測定可能な内径測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの実施態様によれば、円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置が提供される。係る内径測定装置は、白色光源と、白色光源から放射された光を、前記被測定物に向かう第１の光束と第２の光束に分岐し、第１の光束を被測定物で反射させて第２の光束との間に被測定物の内径に対応する第１の光路差を生じさせ、第１の光束と第２の光束を一つの光束に合わせて出射させる光導波路素子と、位置が固定された固定鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、光導波路素子から出射した光束を、固定鏡に向かう第３の光束と、移動鏡に向かう第４の光束に分岐して、第３の光束と第４の光束との間に第２の光路差を生じさせる干渉計と、第３の光束と第４の光束を受光し、第１の光路差と第２の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、その干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定し、その位置から第２の光路差を計算することにより、被測定物の内径の測定値を求めるコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明によれば、光導波路素子は、上記の第１の光束が通る第１の導波路と、上記の第２の光束が通る第２の導波路と、光導波路素子に近接して設けられた参照鏡とを有し、第１の導波路は、白色光源から放射された光を被測定物の第１の内面へ導くように形成された導波路と、その第１の内面で反射された光を、第１の内面と対向する被測定物の第２の内面へ導くように形成された導波路と、その第２の内面で反射された光を、光導波路素子の出射口まで導くように形成された導波路とからなり、第２の導波路は、白色光源から放射された光を参照鏡へ導くように形成されることが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明によれば、光導波路素子は、フォトニック結晶導波路素子であることが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明によれば、光導波路素子は、その一部分が被測定物の円筒外に位置するように配置され、かつ、内径測定装置は、被測定物の円筒外に位置する光導波路素子の一部分を把持して前記光導波路素子を固定する保持用部材を有することが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明による内径測定装置は、被測定物を基準用被測定物として求めた干渉信号の最大値に対応する第２の光路差である基準光路差と、その基準用被測定物の内径とを記憶した記憶部を有し、かつ、コントローラは、被測定物について測定した干渉信号の最大値に対応する第２の光路差と、基準光路差との差を求め、その差の半分を基準用被測定物の内径に加えた値を、被測定物の内径とすることが好ましい。
なお、上記の各実施態様において、白色光源とは、可視光域において広帯域発光する光源に限られず、所定の波長を中心波長とした一定の波長帯域の光を放射する光源をいう。
【００１１】
また、本発明の他の実施態様によれば、円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置が提供される。係る内径測定装置は、白色光源と、位置が固定された参照鏡と光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、白色光源から放射された光を、参照鏡に向かう第１の光束と、移動鏡に向かう第２の光束に分岐して、第１の光束と第２の光束との間に第１の光路差を生じさせる干渉計と、干渉計から出射された第１の光束及び第２の光束を、被測定物に向かう第３の光束と第４の光束に分岐し、第３の光束を被測定物で反射させて第４の光束との間に被測定物の内径に対応する第２の光路差を生じさせ、第１の光束と第２の光束を一つの光束に合わせて出射させる光導波路素子と、第３の光束と第４の光束を受光し、第１の光路差と第２の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定し、その位置から第１の光路差を計算することにより、被測定物の内径を求めるコントローラとを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、小さな内径を有する被測定物についても内径を測定可能な内径測定装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を、リングゲージ、シリンダなど、円筒状の被測定物の内径を計測する内径測定装置に適用した実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
本発明を適用した内径測定装置は、白色光源からの光を、被測定物の略中心に配置した光導波路素子に入射させる。その光導波路素子は、被測定物の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束を生成するように、入射した光を分岐させる二つの導波路を有する。導波路の一方は、被測定物の内面に向かい、導波路の他方は、参照鏡に向かうように形成される。そして、それぞれの導波路を通った光束を、一つに合わせて出射させ、干渉計に入射させる。干渉計では、上記光路差とほぼ等しい光路差を生じる二つの光路に光束を分割して干渉させることにより、白色干渉縞を生じさせる。そして、検出器で白色干渉縞の最大信号値を検出して干渉計の二つの光路間の光路差を測定し、予め内径の分かっているマスタについて求めたその光路差と比較することにより、被測定物の内径を求める。
【００１４】
図１は、本発明を適用した内径測定装置１の概略構成を示す図である。内径測定装置１は、白色光源２と、被測定物の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束を生じさせる光導波路素子３と、光導波路素子３で生じた光路差と同程度の光路差を生じさせて白色干渉縞を発生させる干渉計４と、干渉計４で発生した干渉縞を検出する検出器５と、各部の制御及び検出された干渉縞から被測定物の内径を求めるコントローラ６を有する。さらに、内径測定装置１は、白色光源２からの光を光導波路素子３に伝える光ファイバ７と、光導波路素子３から出射した光を干渉計４へ伝える光ファイバ８を有する。
【００１５】
白色光源２は、コヒーレンス長が短く、広帯域な波長の光を放射可能な光源である。白色光源２として、例えば、ＬＥＤ、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）光源、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源などを用いることができる。また、白色光源２から出射される光の中心波長は、例えば７５０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍなどに設定することができる。本実施形態では、白色光源２として、中心波長１５５０ｎｍの赤外ＬＥＤを用いた。
【００１６】
図２に、光導波路素子３の概略側面断面図を示す。光導波路素子３では、ＸＹＺステージ１４の上に配置された被測定物１０の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束Ｂ１、Ｂ２を生成する。そのために、白色光源２から放射された光は、第１の光ファイバ７、コリメータレンズ１１及びウェッジプリズム１２を経て光導波路素子３に導かれる。なお、コリメータレンズ１１は、入射した光を平行光とする。そして、ウェッジプリズム１２は、コリメータレンズ１１を経て入射した平行光の位置を調整して出射する。そして、ウェッジプリズム１２から出射した光は、被測定物１０の内径の略中心に配置された光導波路素子３に入射する。
【００１７】
以下、光導波路素子３について図２を参照しつつ詳細に説明する。光導波路素子３は、光束Ｂ１を被測定物１０に導く第１〜第３の導波路３１〜３３と、光束Ｂ２を光導波路素子３の側面に設けられた参照鏡３８に導く第４の導波路３４と、被測定物１０で反射された光束Ｂ１及び参照鏡３８で反射された光束Ｂ２を光導波路素子３の外へ導く第５の導波路３５を有する。第１の導波路３１は、光導波路素子３の上面に設けられた入射口３０に入射した光を、被測定物１０の内面Ｓ１へと導く。そのために、第１の導波路３１は、入射口３０からほぼ垂直に下方へ向けて形成される。そして、光導波路素子３の下部で湾曲し、ほぼ水平方向を向いて、光導波路素子３の下方の側面に設けられた第１の出入射口３６に連結される。第２の導波路３２は、内面Ｓ１で反射され、光導波路素子３の第１の出入射口３６を経て再入射した光を、被測定物１０の内面Ｓ１と反対側の内面Ｓ２へ導く。そのために、第２の導波路３２は、ほぼ水平に形成され、第１の導波路３１と途中で分岐して、第１の出入射口３６に対して光導波路素子３の反対側の側面に設けられた第２の出入射口３７に連結される。第３の導波路３３は、内面Ｓ２で反射され、光導波路素子３の第２の出入射口３７を経て三度入射した光を、第１の導波路３１へ導く。そのために、第３の導波路３３は、第２の導波路３２と途中で分岐して湾曲し、ほぼ垂直に向いたところで第１の導波路３１と合流する。
【００１８】
第４の導波路３４は、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射された光束Ｂ１との光路差を有する参照光束Ｂ２を生成するために、第３の導波路３３が第１の導波路３１と合流するところよりも、入射口３０に近い位置で、第１の導波路３１から下方に向かって分岐し、光導波路素子３の側面に近接して設けられた参照鏡３８へ向かう。また、第５の導波路３５は、光束Ｂ１及びＢ２を一つに合わせて出射口３９へ導く。そのため、第５の導波路３５は、第３の導波路３３が第１の導波路３１から分岐する点よりも入射口３０に近い位置で、第１の導波路３１から上方に向かって分岐し、光導波路素子３の側面に設けられた出射口３９に連結される。
【００１９】
ここで、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射され、出射口３９から出射する光束Ｂ１の経路と、参照鏡３８で反射され、出射口３９から出射する光束Ｂ２の経路についてまとめる。光束Ｂ１は、入射口３０に入射した後、第１の導波路３１を通って第１の出入射口３６から出射する。そして、被測定物１０の内面Ｓ１で反射される。内面Ｓ１で反射された光束Ｂ１は、再度第１の出入射口３６を経て光導波路素子３に入射し、第２の導波路３２を直進する。その後、第２の出入射口３７から出射して、被測定物１０の内面Ｓ２で再び反射される。その反射後、第２の出入射口３７を経て光導波路素子３に三度入射し、第３の導波路３３を通って第１の導波路３１に戻り、上方へ向けて進む。そして、第５の導波路３５へ分岐して、出射口３９へと進む。
一方、光束Ｂ２は、入射口３０に入射した後、第１の導波路３１を通り、途中で分岐して第４の導波路３４を進む。そして参照鏡３８で反射され、第４の導波路３４を逆方向に進む。その後、第１の導波路３１から第５の導波路３５を経て、出射口３９へと至る。
光束Ｂ１と光束Ｂ２とは、第５の導波路３５で合わさって、光導波路素子３から出射する。光束Ｂ１と光束Ｂ２は、光導波路素子３から出射した後、集光レンズ１３を経て集光されて、光ファイバ８に入射する。
【００２０】
このとき、光束Ｂ１とＢ２との間に生じる光路差は、被測定物１０の内径Ｄに応じて定まる。このことは、光導波路素子３内では、光束Ｂ１が通る導波路の長さと光束Ｂ２が通る導波路の長さは、光導波路素子３の製造時点で定まり、光束Ｂ１とＢ２の光路差は、光導波路素子３の第１の出入射口３６と被測定物１０の内面Ｓ１との距離、及び光導波路素子３の第２の出入射口３７と被測定物１０の内面Ｓ２との距離に応じて変化することから、明らかである。
【００２１】
なお、図２に示すように、第１の出入射口３６及び第２の出入射口３７から出射する光束の拡散を抑制し、再度光導波路素子３に入射する光の集光効率を上げるために、それらの出入射口に凸レンズＬ１、Ｌ２を設けてもよい。
また、光導波路素子３を、図２におけるその垂直方向の長さが被測定物１０の同方向（すなわち、軸方向）の長さよりも大きくなるように作製した。そして、光導波路素子３の上側部分が、被測定物１０の円筒内部から突出するように、光導波路素子３を配置した。そして、光導波路素子３を、被測定物１０の円筒内部から突出した部分で、光導波路素子３を把持するように構成された保持用部材１６により固定した。このように光導波路素子３を作製・配置することにより、被測定物１０の円筒内部には、光導波路素子３以外のものを挿入する必要がなくなる。そのため、本発明に係る内径測定装置１は、被測定物１０の内径が小さい場合でも、その内径寸法を測定することができる。
【００２２】
なお、本実施形態では、光導波路素子３を、光学プラスチックなどからなり、全反射を利用して導波路内を伝播させる光導波路素子として形成した。しかし、光導波路素子３を他の光学材料、例えば石英ガラスなどで形成してもよい。また、光導波路素子３をフォトニック結晶を用いて形成してもよい。白色光源２からの光に対してフォトニックバンドギャップを持つように導波路の壁面を形成したフォトニック結晶を用いることにより、通常の全反射を利用した光導波路素子と比較して、導波路の湾曲部分の曲率半径を小さくすることができるので、光導波路素子３をより小さくすることができる。
【００２３】
なお、ＸＹＺステージ１４は、被測定物１０の軸方向（すなわち、図２における垂直方向）、被測定物１０の軸方向に直交する円筒断面内で第２の導波路３２に平行な方向及び第２の導波路３２に垂直な方向の３方向に移動可能であり、ステージコントローラ１５により駆動される。またステージコントローラ１５は、コントローラ６と電気的に接続され、コントローラ６によって制御される。そして、ステージコントローラ１５は、コントローラ６からの制御信号に基づいてＸＹＺステージ１４を駆動し、光導波路素子３と被測定物１０の位置関係を調節する。
【００２４】
図３に、干渉計４の概略構成図を示す。光ファイバ８から出射した光束Ｂ１及びＢ２は、干渉計４のコリメータレンズ４１を経て、平行光となる。そして、ビームスプリッタ４２へ入射する。光束Ｂ１及びＢ２は、ビームスプリッタ４２で反射されて第１の光路へ向かう光束Ｂ１１、Ｂ２１と、ビームスプリッタ４２を透過して第２の光路へ向かう光束Ｂ１２、Ｂ２２に分岐する。なお、光束Ｂ１１は、光導波路素子３から出射した光束Ｂ１のうち、干渉計４の第１の光路へ向かう光束を表し、光束Ｂ２１は、光導波路素子３から出射した光束Ｂ２のうち、干渉計４の第１の光路へ向かう光束を表す。同様に、光束Ｂ１２は、光導波路素子３から出射した光束Ｂ１のうち、干渉計４の第２の光路へ向かう光束を表し、光束Ｂ２２は、光導波路素子３から出射した光束Ｂ２のうち、干渉計４の第２の光路へ向かう光束を表す。
【００２５】
第１の光路には、位置が固定された参照鏡４３が設置される。そして、第１の光路へ向かう光束Ｂ１１、Ｂ２１は、参照鏡４３で反射されてビームスプリッタ４２へ戻り、その一部はビームスプリッタ４２を透過して検出器５へ向かう。一方、第２の光路には、その光路に沿って移動可能な移動鏡４４が設けられる。そして、第２の光路へ向かう光束Ｂ１２、Ｂ２２は、移動鏡４４で反射されてビームスプリッタ４２へ戻り、その一部はビームスプリッタ４２で反射されて、Ｂ１１、Ｂ２１とともに検出器５へ向かう。
【００２６】
移動鏡４４は、支持部材４５に取り付けられる。そして、移動鏡４４及び支持部材４５は、移動範囲が狭いものの、移動鏡４４の位置の微調整が可能なピエゾ微動ステージ４６の上に設置される。また、移動鏡４４及び支持部材４５は、ピエゾ微動ステージ４６とともに、移動範囲が相対的に大きく、移動鏡４４の位置を大まかに決定する粗動ステージ４７上に設置される。ピエゾ微動ステージ４６及び粗動ステージ４７は、それぞれピエゾコントローラ５１及びステージコントローラ５２と電気的に接続される。そして、ピエゾ微動ステージ４６及び粗動ステージ４７は、ピエゾコントローラ５１及びステージコントローラ５２からの制御信号に基づいて、移動鏡４４を第２の光路に沿って移動させる。
【００２７】
また、支持部材４５の背面には、コーナーキューブ４８が取り付けられる。さらに、支持部材４５よりも後方（すなわち、支持部材４５を中心として、ビームスプリッタ４２の反対側）には、移動鏡４４の位置計測用干渉計４９が設置される。そして、位置計測用干渉計４９は、コーナーキューブ４８へ向けて照射され、コーナーキューブ４８で反射されて位置計測用干渉計４９に戻ってきたコヒーレント光と、参照光との間で観測される干渉縞の移動本数を計数することにより、移動鏡４４の移動量を計測することができる。
なお、移動鏡４４を移動させつつ、その移動の間に連続的に干渉信号を測定する場合には、ピエゾ微動ステージ４６及びピエゾコントローラ５１を省略してもよい。
【００２８】
検出器５は、検出した光量を電気信号として出力するものである。検出器５として、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳなどの半導体検出素子を使用することができる。本実施形態では、検出器５として、ＣＣＤ素子を２次元アレイ状に並べたものを用いた。
また、検出器５は、コントローラ６と電気的に接続され、検出した光量に対応する電気信号を、コントローラ６へ送信する。
【００２９】
コントローラ６は、いわゆるＰＣで構成され、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等からなる記憶部と、ＲＳ２３２Ｃ、イーサネット（登録商標）などの通信規格にしたがって構成された電子回路及びデバイスドライバなどのソフトウェアからなる通信部を有する。
さらにコントローラ６は、図示していないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及びその周辺回路と、ＣＰＵ上で実行されるコンピュータプログラムによって実現される機能モジュールとして、検出された光量及び移動鏡４４の位置に基づいて、被測定物１０の内径Ｄを求めたり、位置計測用干渉計４９、ピエゾコントローラ５１、ステージコントローラ５２及び検出器５など、コントローラ６に接続された機器を制御する制御部とを有する。
【００３０】
以下、内径測定装置１による被測定物１０の内径を測定する動作について説明する。
白色光源２からの光は、コヒーレンス長が短いため、光路差がほぼ等しい場合にのみ干渉縞を生じる。ここで、干渉計４の第１の光路における、ビームスプリッタ４２から参照鏡４３までの距離がＬ１であり、第２の光路における、ビームスプリッタ４２から移動鏡４４までの距離がＬ２であるとすると、第３の光束と第４の光束との間に、光路差ΔＬ＝２（Ｌ２−Ｌ１）が生じる（ただし、Ｌ２＞Ｌ１とする）。このとき、光路差ΔＬと、光束Ｂ１とＢ２の間に生じた光路差が等しければ、光導波路素子３において、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射された光束Ｂ１のうち、干渉計４において、第１の光路を通った光束Ｂ１１と、光導波路素子３において参照鏡３８で反射された光束Ｂ２のうち、干渉計４において、第２の光路を通った光束Ｂ２２との光路差が０となる。そのため、最大の干渉信号を観測することができる。そして、干渉計４で生じた光路差ΔＬと光束Ｂ１とＢ２との間に生じた光路差との差が大きくなるにつれて、干渉信号の大きさは急激に低下する。また、光束Ｂ１とＢ２との間に生じた光路差に関しては、上述したように、光導波路素子３内の導波路で生じる光路差は常に一定となるため、光導波路素子３の第１の出入射口３６と被測定物１０の内面Ｓ１との距離及び光導波路素子３の第２の出入射口３７と被測定物１０の内面Ｓ２との距離の２倍に比例して変動する（なお、２倍となるのは、光束Ｂ１は出入射口３６と内面Ｓ１との間、及び出入射口３７と内面Ｓ２との間を往復するためである）。そこで、予め内径が分かっている基準品をマスタ（その内径をＤｍとする）として用い、そのマスタについて上記の光束Ｂ１とＢ２の光路差ΔＬｍ（以下、基準光路差という）を求めておく。このとき、任意の被測定物１０について、干渉信号が最大となるときの干渉計４で生じる光路差ΔＬと、基準光路差ΔＬｍとの差の１／２が、被測定物１０の内径Ｄとマスタの内径Ｄｍとの差となる。そこで、光路差ΔＬを測定し、基準光路差ΔＬｍとの差の１／２をマスタの内径Ｄｍに加えることにより、被測定物１０の内径Ｄを求めることができる。
【００３１】
また、移動鏡４４をビームスプリッタ４２に近づけていくと、第３の光束と第４の光束との間に生じる光路差ΔＬ＝２（Ｌ１−Ｌ２）が、光束Ｂ１のうち、第２の干渉計４において第２の光路を通った光束Ｂ１２と、光束Ｂ２のうち、第２の干渉計４において第１の光路を通った光束Ｂ２１との光路差が０となったところでも、干渉縞を観測することができる（ただし、Ｌ１＞Ｌ２である）。そこで、光束Ｂ１１と光束Ｂ２２との間で生じる干渉信号が最大となる移動鏡４４の位置と、光束Ｂ１２と光束Ｂ２１との間で生じる干渉信号が最大となる移動鏡４４の位置との差を２で割った値を、上記のΔＬとすることができる。
【００３２】
図４に、被測定物１０の内径Ｄを測定する際の内径測定装置１の動作フローチャートを示す。
事前準備として、マスタの内径Ｄｍと、及びマスタを内径測定装置１に設置して、干渉計４で白色干渉信号の最大振幅を測定したときの、干渉計４で生じる光路差（すなわち、基準光路差ΔＬｍ）を求め、コントローラの記憶部に記憶しておく。なお、マスタについては、比較的大きな内径、例えば、直径数ｍｍ〜１０数ｍｍ程度の内径を有するものでもよい。そのため、マスタの内径Ｄｍは、公知の接触式の内径寸法測定装置、あるいは、上記の非特許文献１に記載された干渉計などを用いて測定しておけばよい。
測定を開始すると、まず初期化手順として、移動鏡４４の基準位置、すなわち、干渉計４の第１の光路と第２の光路間の光路差が０となる移動鏡４４の位置を決定する（ステップＳ１０１）。そのために、内径測定装置１に、被測定物１０を設置せず、干渉計４で干渉縞の検出される位置を求める。このとき、被測定物１０の内面で反射される光束は存在しないから、光導波路素子３から出射する光束は、全てＢ２となる。そのため、干渉計４では、第１の光路におけるビームスプリッタ４２から参照鏡４３までの距離Ｌ１と、第２の光路におけるビームスプリッタ４２から移動鏡４４までの距離Ｌ２との差が０のとき、干渉信号は最大となる。そこで、コントローラ６は、移動鏡４４を移動させて、複数の測定点で検出器５で検出される光量を観測し、検出光量が最大、すなわち、干渉信号が最大値となる位置を見つける。そして、コントローラ６は、干渉信号が最大値となったときの移動鏡４４の位置を、位置計測用干渉計４９から受信し、Ｌ１＝Ｌ２となる位置Ｐ１として、コントローラ６の記憶部に記憶する。
【００３３】
次に、内径測定装置１に、被測定物１０を設置し、光導波路素子３を被測定物１０の円筒内部に配置する。このとき、上述したように、白色干渉縞は、光束Ｂ１とＢ２との間に生じる光路差と、ΔＬ＝２（Ｌ２−Ｌ１）がほぼ等しい位置でのみ観測される。そこで、コントローラ６は、ステージコントローラ５２を通じて粗動ステージ４７を駆動し、干渉計４の移動鏡４４を白色干渉縞が観測されるようになるまで後退させる。そして、コントローラ６は、上記と同様に、移動鏡４４を移動させて、複数の測定点で検出器５で検出される光量の増減を調べ、出力信号値の最大値、すなわち干渉信号の最大値を求める（ステップＳ１０２）。出力信号が最大となったときの移動鏡４４の位置Ｐ２を、位置計測用干渉計４９から受信する（ステップＳ１０３）。そして、コントローラ６は、記憶部からＬ１＝Ｌ２のときの移動鏡４４の位置Ｐ１を読み出してＰ２−Ｐ１の値を計算し、光路差ΔＬ＝２（Ｌ２−Ｌ１）を求める（ステップＳ１０４）。干渉計４で生じる光路差が求まると、コントローラ６は、記憶部から、マスタについて測定した基準光路差ΔＬｍ及びマスタの内径Ｄｍを読み出す（ステップＳ１０５）。そして、被測定物１０について求めた光路差ΔＬと、基準光路差ΔＬｍとの差（ΔＬ−ΔＬｍ）を求める（ステップＳ１０６）。最後に、コントローラ６は、その差の１／２、すなわち（ΔＬ−ΔＬｍ）／２を、マスタの内径Ｄｍに加えた値を、被測定物１０の内径Ｄ（＝Ｄｍ＋（ΔＬ−ΔＬｍ）／２）とする（ステップＳ１０７）。
【００３４】
なお、ステップＳ１０１で移動鏡４４の基準位置Ｐ１を測定する代わりに、上記のように、移動鏡４４を参照鏡４３よりもビームスプリッタ４２に近づけて、光束Ｂ１２と光束Ｂ２１との間で生じる干渉信号が最大となる移動鏡４４の位置Ｐ３を求めてもよい。そして、（Ｐ２−Ｐ３）／２の値を計算し、その値をΔＬとしてもよい。基準位置Ｐ１で観測される干渉信号の強度と、位置Ｐ２で観測される干渉信号の強度は、大きく異なる。一方、位置Ｐ２で観測される干渉信号と、位置Ｐ３で観測される干渉信号とは、ほぼ同程度の強度となる。そのため、位置Ｐ２と位置Ｐ３の差に基づいて被測定物１０の内径Ｄを求める場合、基準位置Ｐ１と位置Ｐ２の差に基づいて内径Ｄを求める場合よりも、検出器５の受光量の変化に対する出力信号の変化を大きくすることができるので、干渉信号が最大値となる移動鏡４４の位置をより正確に特定することができる。
【００３５】
以上説明してきたように、本発明を適用した内径測定装置１は、被測定物１０の円筒内部に、被測定物１０の円筒内部の直径の両端に位置する内面Ｓ１、Ｓ２を経由する光束が通るように形成された導波路と、参照鏡３８で反射される光束が通るように形成された導波路とを有する光導波路素子３のみを配置することで、被測定物１０の内径に応じた光路差を有する二つの光束を生成する。そのため、内径測定装置１は、被測定物１０の内径が小さい場合でも、その内径寸法を正確に測定することができる。
【００３６】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
図５に、本発明の内径測定装置において、上記の光導波路素子３の代わりに使用可能な光導波路素子３’の概略側面断面図を示す。図５では、簡単化のために、被測定物１０を配置するＸＹＺステージ１４などは省略し、光導波路素子３’と被測定物１０のみを図示する。図５に示すように、この光導波路素子３’では、白色光源２からの光を被測定物１０の内面Ｓ１に導く導波路３１と、被測定物１０の内面Ｓ１とＳ２を結ぶ導波路３２とを結合させず、完全に別個の経路となるように形成される。同様に、導波路３２と、被測定物１０の内面Ｓ２で反射され、再度光導波路素子３に入射した光を導く導波路３３も、完全に別個の経路となるように形成される。導波路３１又は導波路３２から出射する光は、完全な平行光ではなく、拡散光となるので、このように導波路を形成しても、内面Ｓ１又はＳ２で反射された光の一部は導波路３２又は導波路３３に入射する。そのため、このような光導波路素子３’も、被測定物１０の内径Ｄに対応する光路差を有する二つの光束を生じさせることができる。この場合、被測定物１０の内面Ｓ１で反射された光をより多く集光できるように、導波路３２の内面Ｓ１に対向する側の入射口の径を、導波路３１の出射口よりも大きくしてもよい。同様に、被測定物１０の内面Ｓ２で反射された光をより多く集光できるように、導波路３３の内面Ｓ２に対向する入射口の径を、導波路３２の出射口よりも大きくしてもよい。
【００３７】
さらに、図６に、本発明の内径測定装置に使用可能な別の光導波路素子３”の概略側面断面図を示す。図６でも、簡単化のために、被測定物１０を配置するＸＹＺステージ１４などは省略し、光導波路素子３”と被測定物１０のみを図示する。図６に示す光導波路素子３”は、導波路３２の途中にアイソレータＩを設け、参照鏡３８及び参照鏡３８へ向かう導波路３４をなくしたものである。ここで、アイソレータＩは、被測定物１０の内面Ｓ１からＳ２へ向かう方向の光しか通さないようにするものである。この場合、参照鏡３８で反射される光束の代わりに、導波路３１を通り、第１の出入射口３６で端面反射されて、再度導波路３１を経由して、導波路３５から出射される光束を、光束Ｂ２として用いることができる。
【００３８】
また、上記の実施形態の測定装置において、干渉計をフィゾー型の干渉計としてもよい。
さらに、光導波路素子３側に配置された白色光源と、干渉計４側に配置された検出器を入れ替えてもよい。この場合、干渉計４側で予め被測定物の測定対象寸法に相当する光路差を有する二つの光束を発生させ、それらの光束を光ファイバを通じて光導波路素子３側へ送る。そして、光導波路素子３では、受け取った二つの光束を、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射される光束と参照鏡で反射される二つの光束にさらに分割し、それらを一つに合わせて検出器で検出することにより、白色干渉縞を観察する。この場合も、干渉計４側で発生させた光路差を測定することにより、被測定物１０の内径Ｄを求めることができる。
以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用した内径測定装置の概略構成図である。
【図２】内径測定装置を構成する光導波路素子の概略側面断面図である。
【図３】内径測定装置を構成する干渉計の概略構成図である。
【図４】内径測定装置の動作フローチャートである。
【図５】光導波路素子の他の実施形態の概略側面断面図である。
【図６】光導波路素子の他の実施形態の概略側面断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    内径測定装置
１０    被測定物
２    白色光源
３、３’、３”    光導波路素子
４    干渉計
５    検出器
６    コントローラ
１１    コリメータレンズ
１２    ウェッジプリズム
１３    集光レンズ
１４    ＸＹＺステージ
１５    ステージコントローラ
１６    保持用部材
３０    入射口
３１〜３５    導波路
３６、３７    出入射口
３８、４３    参照鏡
３９    出射口
４４    移動鏡
４５    支持部材
４６    ピエゾ微動ステージ
４７    粗動ステージ
４８    コーナーキューブ
４９    位置計測用干渉計
５１    ピエゾコントローラ
５２    ステージコントローラ
７，８    光ファイバ
【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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