(57)【要約】【課題】被測定物の表面粗さの程度によらず、その測定対象寸法を正確に測定できる寸法測定装置及び寸法測定方法を提供する。【解決手段】寸法測定装置１は、白色光源２からの光を、被測定物に向かう第１の光束と第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測定対象寸法に対応する第１の光路差を生じさせる第１の干渉計３と、被測定物で散乱された光を検出する受光素子３８と、第１の干渉計３を出射した光束を、参照鏡４３に向かう第３の光束と光路に沿って移動可能な移動鏡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第２の干渉計４と、第３及び第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する検出器５と、被測定物の測定対象寸法を測定し、得られた測定値を受光素子３８で受光した散乱光の光量に基づいて補正するコントローラ６を有する。【選択図】図１
2008309652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
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測定対象寸法に対応する第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第１の干渉計と、
前記第１の干渉計に設けられ、前記被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、
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第２の干渉計であって、前記第１の干渉計を出射した光束を、該参照鏡に向かう第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第２の干渉計と、
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、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置から、前記第２の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、
前記寸法測定部で求められた前記測定値を、前記受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、前記測定対象寸法の真値を求める寸法補正部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。
【請求項２】
被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
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第１の干渉計であって、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第１の干渉計と、
前記第１の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測定対象寸法に対応する第２の光路差を生じさせ、該第３の光束と該第４の光束を一つの光束に合わせて出射させる第２の干渉計と、
前記第２の干渉計に設けられ、前記被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、
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、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置から、前記第１の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、
前記寸法測定部で求められた前記測定値を、前記受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、前記測定対象寸法の真値を求める寸法補正部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。
【請求項３】
被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する第１の干渉計であって、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の光束と前記移動鏡に向かう第２の光束に分岐して、該第１の光束を前記被測定物で反射させて該第１の光束と該第２の光束との間に光路差を生じさせる干渉計と、
前記干渉計に設けられ、前記被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、
前記干渉計を出射した前記第１の光束と前記第２の光束を受光し、前記第１の光束についての光路長と前記第２の光束についての光路長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、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置と、予め定められた前記移動鏡の基準位置との差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、
前記寸法測定部で求められた前記測定値を、前記受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、前記測定対象寸法の真値を求める寸法補正部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。
【請求項４】
前記寸法補正部は、前記散乱光の光量が多いほど、前記測定値に対して前記測定対象寸法の真値が小さくなるように補正する、請求項１〜３の何れか一項に記載の寸法測定装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記被測定物として基準用被測定物を用い、該基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、前記第１の光束が反射する前記基準用被測定物の面の粗さを変えて測定した前記散乱光の光量と前記基準用被測定物の測定対象寸法の値との関係を表す参照テーブルとを記憶した記憶部をさらに有し、
前記寸法補正部は、前記参照テーブルから前記受光素子で受光した散乱光の光量に対応する前記基準用被測定物の測定対象寸法の基準値を求め、前記寸法測定部で求められた前記測定値と該基準値との差を算出し、前記基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、該差を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の寸法測定装置。
【請求項６】
前記コントローラは、前記散乱光の光量と前記測定値に対する補正量との関係を表す参照テーブルとを記憶した記憶部をさらに有し、
前記寸法補正部は、前記参照テーブルから前記散乱光の光量に対応する前記補正量を求め、前記寸法測定部で求められた前記測定値に前記補正量を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の寸法測定装置。
【請求項７】
白色光源から放射された光を、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の光束を該被測定物で反射させて該第２の光束との間に該被測定物の測定対象寸法に対応する第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第１の干渉計と、前記第１の干渉計に設けられ、前記被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、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第２の干渉計であって、前記第１の干渉計を出射した光束を、該参照鏡に向かう第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第２の干渉計と、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を有する測定システムにおける被測定物の寸法測定方法であって、
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するステップと、
前記ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置と、予め定められた前記移動鏡の基準位置との差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の測定値を求めるステップと、
前記寸法測定部で求められた前記測定値を、前記受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、前記測定対象寸法の真値を求めるステップと、
を有することを特徴とする寸法測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寸法測定装置及び寸法測定方法に関し、特に、白色干渉を用いた寸法測定装置及び寸法測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、加工部品の寸法又は表面粗さを、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、デジタルカメラのフランジバックを測定する測定装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された測定装置では、白色光源から放射された光を、ビームスプリッタで第１の光路と第２の光路に分割する。そして、第１の光路に向かった光は、第１の光路に沿って移動可能な長さ測定用の参照鏡で反射される。一方、第２の光路に向かった光は、カメラのフランジと接触可能な基準面に、固定的に取り付けられたカメラの撮像素子で反射される。参照鏡及び撮像素子で反射された光は、ビームスプリッタで一つに合わせられ、検出器で検出される。ここで、参照鏡を第１の光路に沿って移動させることにより、第１の光路を通った光と第２の光路を通った光の白色干渉縞の最大光量となる参照鏡の位置を検出する。そして、その参照鏡の位置に基づいて、フランジから撮像素子までの長さを検出する。
【０００３】
また、被測定物からの弱い反射光を高感度で検出するために、干渉縞を走査する干渉計と計測用の干渉計とを別個に設ける測定方法も開発されている（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１５１４９号公報
【特許文献２】特開２０００−６５５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような白色干渉を用いた測定方法では、正確な測定を行うために、白色干渉縞の最大光量となる位置、すなわち、白色干渉縞のピーク位置を高精度で検出することが必要となる。しかし、測定光を反射する被測定物の表面には、被測定物の加工時につけられる研磨傷などがあり、ある程度の表面粗さがある。そのため、実際の測定においては、測定光を反射する被測定物の表面粗さの程度により、そのピーク位置が変動する。具体的には、被測定物表面における測定光の反射スポットには、表面の凹凸の各部が含まれるために、被測定物の表面の凸部で反射された光と凹部で反射された光とで、参照光との間に生じる光路差が異なる。そのため、干渉縞のピークは、その凹凸の深さに依存して広がる。そして、ピークの中心位置は、表面高さの平均値にほぼ対応する。したがって、被測定物の表面粗さの程度によって、被測定物の測定対象寸法の測定値が異なってしまう。しかし、シリンダやリングゲージなどが被測定物であり、測定対象寸法がその内径である場合、シリンダ等の内部に挿入される部品との物理的な干渉が生じるか否かを正確に判断するために、内径の測定値は、表面の凸部の頂点を基準として求められることが望ましい。
【０００６】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、白色干渉を用いた寸法測定において、被測定物の表面粗さの程度によらず、測定対象寸法を正確に測定できる寸法測定装置及び寸法測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの実施態様によれば、被測定物の寸法を測定する寸法測定装置が提供される。係る寸法測定装置は、白色光源と、白色光源から放射された光を、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測定対象寸法に対応する第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第１の干渉計と、第１の干渉計に設けられ、被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、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第２の干渉計であって、第１の干渉計を出射した光束を、参照鏡に向かう第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第２の干渉計と、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、干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、干渉信号から被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラを有する。
そのコントローラは、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置から、第２の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、寸法測定部で求められた測定値を、受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、その測定対象寸法の真値を求める寸法補正部とを有する。
【０００８】
また、本発明の他の実施態様によれば、被測定物の寸法を測定する寸法測定装置が提供される。係る寸法測定装置は、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第１の干渉計であって、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第１の干渉計と、第１の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測定対象寸法に対応する第２の光路差を生じさせ、第３の光束と第４の光束を一つの光束に合わせて出射させる第２の干渉計と、第２の干渉計に設けられ、被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、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、その干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、干渉信号から被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラを有する。
そのコントローラは、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置から、第１の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、寸法測定部で求められた測定値を、受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、その測定対象寸法の真値を求める寸法補正部とを有する。
【０００９】
さらに、本発明の他の実施態様によれば、被測定物の寸法を測定する寸法測定装置が提供される。係る寸法測定装置は、白色光源と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する第１の干渉計であって、白色光源から放射された光を、被測定物に向かう第１の光束と移動鏡に向かう第２の光束に分岐して、第１の光束を被測定物で反射させて第１の光束と第２の光束との間に光路差を生じさせる干渉計と、干渉計に設けられ、被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、干渉計を出射した第１の光束と第２の光束を受光し、第１の光束についての光路長と第２の光束についての光路長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、その干渉信号から被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラを有する。そのコントローラは、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置と、予め定められた移動鏡の基準位置との差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の測定値を求める寸法測定部と、寸法測定部で求められた測定値を、受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、その測定対象寸法の真値を求める寸法補正部とを有する。
【００１０】
また、本発明によれば、寸法補正部は、散乱光の光量が多いほど、測定値に対して測定対象寸法の真値が小さくなるように補正することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明によれば、コントローラは、被測定物として基準用被測定物を用い、基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、第１の光束が反射する基準用被測定物の面の粗さを変えて測定した散乱光の光量と基準用被測定物の測定対象寸法の値との関係を表す参照テーブルとを記憶した記憶部をさらに有し、寸法補正部は、参照テーブルから受光素子で受光した散乱光の光量に対応する基準用被測定物の測定対象寸法の基準値を求め、寸法測定部で求められた測定値とその基準値との差を算出し、基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、その差を加えた値を被測定物の測定対象寸法の真値とすることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明によれば、コントローラは、散乱光の光量と測定値に対する補正量との関係を表す参照テーブルとを記憶した記憶部をさらに有し、寸法補正部は、参照テーブルから散乱光の光量に対応する補正量を求め、寸法測定部で求められた測定値に補正量を加えた値を被測定物の測定対象寸法の真値とすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のさらに他の実施態様によれば、白色光源から放射された光を、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測定対象寸法に対応する第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第１の干渉計と、第１の干渉計に設けられ、被測定物で散乱された光を検出する受光素子と、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第２の干渉計であって、第１の干渉計を出射した光束を、参照鏡に向かう第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第２の干渉計と、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、干渉信号に対応する信号を出力する検出器とを有する測定システムにおける被測定物のが提供される。
係る寸法測定方法は、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するステップと、ピーク位置測定部で測定された移動鏡の位置と、予め定められた移動鏡の基準位置との差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の測定値を求めるステップと、寸法測定部で求められた測定値を、受光素子で受光した散乱光の光量に基づいて補正することにより、その測定対象寸法の真値を求めるステップとを有することを特徴とする。
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、白色干渉を用いた寸法測定において、被測定物の表面粗さの程度によらず、測定対象寸法を正確に測定できる寸法測定装置及び寸法測定方法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】
【００１５】
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第１の干渉計に入射させ、第１の干渉計で、被測定物の内径に対応する光路差を有する二つの光束を生成する。その二つの光束を第２の干渉計に入射して、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第２の干渉計の二つの光路間の光路差を測定することにより、被測定物の内径を求める。その際、内径測定装置は、第１の干渉計内に設けられ、被測定物の表面で散乱された光を受光素子で検出し、その散乱光の光量によって表面粗さの程度を推定する。そして、表面粗さの程度にしたがって、被測定物の内径の測定値を補正することにより、被測定物の内径の真値を推定する。
【００１６】
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、被測定物の内径の２倍に相当する光路差を生じさせる第１の干渉計３と、第１の干渉計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第２の干渉計４と、第２の干渉計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からの光を第１の干渉計３に伝える光ファイバ７と、第１の干渉計３を出射した光を第２の干渉計へ伝える光ファイバ８を有する。
【００１７】
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。
【００１８】
図２に、第１の干渉計３の概略構成図を示す。第１の干渉計３では、ＸＹＺステージ３６の上に配置された被測定物１０の内径の２倍に対応す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、第１の干渉計３では、白色光源２から第１の光ファイバ７を経て入射した光をコリメータレンズ３１で平行光とし、入射した平行光に対して出射する位置を調整する第１のウェッジプリズム３２に入射させる。そして、ウェッジプリズム３２を出射した光は、被測定物１０の内径の略中心に配置されたビームスプリッタ３３に入射する。その入射光は、ビームスプリッタ３３で反射され、被測定物１０の内面Ｓ１に向かう光束と、ビームスプリッタ３３を透過して直進する光束Ｂ２に分岐される。被測定物１０の内面Ｓ１に向かう光束は、被測定物１０の内面Ｓ１で反射された後、ビームスプリッタ３３に戻る。ビームスプリッタ３３に戻った光束の一部は、ビームスプリッタ３３を透過し、被測定物１０の内面Ｓ１と反対側の内面Ｓ２へ向かう。そして、Ｓ２へ向かった光束は、内面Ｓ２で反射され、再びビームスプリッタ３３に戻る。ビームスプリッタ３３に戻った光束の一部は、ビームスプリッタ３３で反射される。この光束をＢ１と呼ぶ。光束Ｂ１と光束Ｂ２とは、ビームスプリッタ３３を出射する際に合わさって出射する。光束Ｂ１と光束Ｂ２は、ビームスプリッタ３３を出射した後、位置調整用の第２のウェッジプリズム３４に入射し、集光レンズ３５に入射するように位置調整される。そして、光束Ｂ１と光束Ｂ２は、集光レンズ３５を透過して集光されて第１の干渉計を出射し、光ファイバ８に入射する。
【００１９】
このとき、第１の干渉計３を出射する光束Ｂ１は、被測定物１０の内面Ｓ１とＳ２の間を往復するので、被測定物１０の内径をＤとすれば、光束Ｂ１と光束Ｂ２との間に、２Ｄの光路差が生じる。そして、２Ｄの光路差を有する光束Ｂ１と光束Ｂ２は、光ファイバ８を通じて第２の干渉計４へ入射する。
【００２０】
また、ビームスプリッタ３３に近接して、受光素子３８が設置される。本実施形態では、受光素子３８として、フォトダイオードを使用した。受光素子３８は、光束Ｂ１及びＢ２の光路の外に配置され、かつその受光面が被測定物１０の内面Ｓ１に対向するように配置される。そして、受光素子３８は、白色光源２からの測定光が、被測定物１０の内面Ｓ１で散乱された光を受光する。受光素子３８は、その散乱光の光量に応じた電気信号を出力する。その電気信号は、増幅回路（図示せず）によって増幅され、受光素子３８の制御などを行うＰＣ（図示せず）に送信される。そのＰＣは、その電気信号を、通信回線などを通じてコントローラ６に送信する。なお、受光素子３８を、その受光面が被測定物１０の内面Ｓ２に対向するように配置し、内面Ｓ２による散乱光を受光するようにしてもよい。また、受光素子３８は、一つに限られず、複数の受光素子で構成し、各受光素子で検出された光量の平均または合計に対応する電気信号をコントローラ６に送信するようにしてもよい。
【００２１】
なお、ＸＹＺステージ３６は、被測定物１０の軸方向（すなわち、光束Ｂ２に平行な方向）、被測定物１０の円筒面内で光束Ｂ１に平行な方向及び光束Ｂ１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３７により駆動される。またステージコントローラ３７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。
【００２２】
図３に、第２の干渉計４の概略構成図を示す。光ファイバ８を出射した光束Ｂ１及びＢ２は、第２の干渉計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、第１の干渉計３を出射した光束Ｂ１のうち、第２の干渉計４の第１の光路へ向かう光束を表し、光束Ｂ２１は、第１の干渉計３を出射した光束Ｂ２のうち、第２の干渉計４の第１の光路へ向かう光束を表す。同様に、光束Ｂ１２は、第１の干渉計３を出射した光束Ｂ１のうち、第２の干渉計４の第２の光路へ向かう光束を表し、光束Ｂ２２は、第１の干渉計３を出射した光束Ｂ２のうち、第２の干渉計４の第２の光路へ向かう光束を表す。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図４に、コントローラ６の機能ブロック図を示す。
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６１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６２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、干渉信号の最大値に対応する移動鏡４４の位置を測定するピーク位置測定部６３と、測定された移動鏡４４の位置から、被測定物１０の内径Ｄの測定値を求める寸法測定部６４と、その測定値を受光素子３８で受光した散乱光の光量に基づいて補正し、内径Ｄの真値を求める寸法補正部６５と、コントローラ６の各部、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６６とを有する。
【００２８】
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、第２の干渉計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、２（Ｌ２−Ｌ１）の光路差が生じる（ただし、Ｌ２＞Ｌ１とする）。このとき、（Ｌ２−Ｌ１）とＤが等しければ、第１の干渉計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、第２の干渉計４において、第１の光路を通った光束Ｂ１１と、第１の干渉計３においてビームスプリッタ３３を素通りした光束Ｂ２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、（Ｌ２−Ｌ１）とＤ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。したがって、干渉信号が最大となるときの（Ｌ２−Ｌ１）を計測することにより、被測定物１０の内径Ｄを求めることができる。
【００２９】
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２（Ｌ１−Ｌ２）が、被測定物１０の内径Ｄの２倍と等しい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）。この場合、第１の干渉計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、第２の干渉計４において、第２の光路を通った光束Ｂ１２と、第１の干渉計３においてビームスプリッタ３３を素通りした光束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となるためである。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。
【００３０】
ここで、被測定物１０の内面Ｓ１の表面では、光束Ｂ１が反射する際、内面Ｓ１の表面粗さに応じた散乱光が生じる。
図５に示すグラフ５０１は、内径Ｄの測定値と、受光素子３８で測定される散乱光の光量（若しくは表面粗さ）との関係の概要を表す。図５において、横軸は散乱光の光量を表し、縦軸は内径Ｄの測定値を表す。図５に示すように、散乱光の光量が大きくなるほど内面Ｓ１の表面粗さが大きいと考えられるので、内径Ｄの測定値も大きくなる。そして、散乱光が観測されない場合には、内面Ｓ１がほぼ理想的な鏡面となっていると考えられるので、そのときの内径Ｄの測定値が、内径Ｄの真値であると考えられる。なお、測定対象面の表面粗さが増加するにつれて、内径Ｄの測定値が大きくなることについては、松本他、「第４回光波センシング技術研究会  講演論文集  光波干渉法による加工表面の絶対値測定」、p.109に記載されている。
【００３１】
そこで、このような表面粗さによる内径Ｄの測定誤差を補正するために、被測定物１０の基準品として、内面Ｓ１、Ｓ２の表面粗さを様々に設定したマスタを準備する。そして、予めそれらのマスタの内径Ｄと、受光素子３８で受光した光量とを測定する。そして、マスタの内径Ｄの測定値と受光素子３８で受光した光量との関係を表した参照テーブル及びマスタの内径Ｄの真値を、記憶部６１に記憶しておく。作成された参照テーブルでは、各マスタの内径Ｄの測定値と、その測定値に対応する受光素子３８で受光した光量とが、例えば２次元配列を用いて一対のデータとして表現される。
参照テーブルを作成すると、受光素子３８で受光した光量と、その光量に対応する内径の測定値との関係を、最小二乗法、スプライン補間などの方法を用いて外挿し、受光光量が０の場合の被測定物１０のマスタの内径Ｄについての値を求める。そして、その収束値を、被測定物１０のマスタの内径Ｄの真値として、参照テーブルに関連付けて記憶部６１に記憶しておく。なお、被測定物１０のマスタの内径Ｄの真値は、別の方法、例えば、接触式の寸法測定装置などを用いて求めてもよい。
【００３２】
被測定物１０の測定を行う際、内径測定装置１は、被測定物１０の内径Ｄとともに、受光素子３８で受光した光量を測定する。そして、それらの測定結果と、参照テーブルに記録されたマスタの内径の測定値とを比較する。内径測定装置１は、その比較結果に基づいて、内面Ｓ１での散乱がない場合における被測定物１０の内径Ｄの測定値、すなわち内径Ｄの真値を求める。
【００３３】
図６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。
最初に、初期化手順として、移動鏡４４の基準位置、すなわち、第２の干渉計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の第１の干渉計３に、被測定物１０を設置せず、第２の干渉計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、第１の干渉計３を出射する光束は、全てＢ２となる。そのため、第２の干渉計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の制御部６６は、ピエゾコントローラ５１を通じてピエゾ微動ステージ４６を駆動し、移動鏡４４を移動させる。そして、コントローラ６のピーク位置測定部６３は、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。その際、ピーク位置測定部６３は、各測定点における検出器５からの出力信号に対して、時間平均値または移動平均値を求めてその測定点の出力信号としてもよい。そして、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。ピーク位置測定部６３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６１に記憶する。
【００３４】
次に、内径測定装置１の第１の干渉計３に、被測定物１０を設置する。このとき、上述したように、白色干渉縞は、被測定物１０の内径Ｄと、（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の制御部６６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、第２の干渉計４の移動鏡４４を、被測定物１０の内径Ｄとほぼ等しい距離だけ後退させる。そして、コントローラ６の制御部６６は、上記と同様に、ピエゾコントローラ５１を通じてピエゾ微動ステージ４６を駆動し、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る。その際、コントローラ６の制御部６６は、各測定点における検出器５からの出力信号に対して、時間平均値または移動平均値を求めてその測定点の出力信号とする（ステップＳ１０２）。そして、コントローラ６のピーク位置測定部６３は、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Ｓ１０３）。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Ｓ１０４）。そして、コントローラ６の寸法測定部６４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、被測定物１０の内径Ｄの測定値を得る（ステップＳ１０５）。また、コントローラ６は、このときの受光素子３８で受光した光量の値を、通信部６２を通じて取得する（ステップＳ１０６）。
【００３５】
ここで、干渉信号が最大値となる位置を検出する際のコントローラ６の動作について説明する。上述したように、実際の測定においては、空気擾乱、測定系の機械振動などの影響により、ノイズが加わり、検出器５で検出される光量は、時間的に変動する。そこで、本実施形態では、移動鏡４４を、干渉信号が観測される範囲内で移動させつつ取得した測定信号を複数回取得し、それらを時間平均することにより、干渉信号を求める。ノイズ成分は、時間平均することによってほぼ０となるため、上記のように干渉信号を求めることにより、干渉信号が最大となる位置を正確に検出することができる。
【００３６】
次に、コントローラ６は、得られた測定結果を、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２の表面粗さを考慮して補正することにより、内径Ｄの真値を求める。
そのために、コントローラ６の寸法補正部６５は、参照テーブルを参照して、上記の受光素子３８の受光光量に対応するマスタの内径Ｄの測定値を求める（ステップＳ１０７）。この際、参照テーブル中に、受光光量の値に対応するデータがなければ、その受光光量と近い光量に対する測定値から、線形補間、スプライン補間などを用いて内挿することにより、当該受光光量に対応するマスタの内径Ｄの測定値を求める。
次に、寸法補正部６５は、上記の測定値と、参照テーブルから求めたマスタの内径Ｄの測定値との差を補正値として求める（ステップＳ１０８）。最後に、寸法補正部６５は、参照テーブルに関連付けて記憶されたマスタの内径Ｄの真値に、求めた補正値を加え、被測定物１０の内径Ｄの真値とする（ステップＳ１０９）。
【００３７】
なお、寸法補正部６５による、測定値の補正方法は、上記に限られない。例えば、以下に説明する方法で補正を行ってもよい。この代わりの方法では、参照テーブルとして、マスタの内径Ｄの測定値を記録する代わりに、散乱光の光量に対する補正量を記憶しておく。寸法補正部６５は、被測定物１０の測定を行う際、受光素子３８で受光した散乱光の光量から、参照テーブルを参照して補正量を求める。そして、寸法補正部６５は、得られた補正量を、被測定物１０の内径Ｄの測定値に加えることにより、内径Ｄの真値を求める。
【００３８】
さらに、第１の干渉計３において、ビームスプリッタ３３の位置が、被測定物１０の内径の中心に正確に一致していない場合、光束Ｂ１は、被測定物１０の内径の直径とずれた位置を通るので、測定された値は正確ではない。係る問題を解決するために、ビームスプリッタ３３と被測定物１０の位置関係を、被測定物１０の円筒面内で光束Ｂ１と直交する方向にずらして内径の測定を繰り返す。そして、得られた測定値が最大となる値を、被測定物１０の内径とする。
【００３９】
そのために、コントローラ６は、上記の手順で一旦内径の測定値を得ると、記憶部６１に記憶する。次に、コントローラ６は、第１の干渉計３のステージコントローラ３７に制御信号を送信してＸＹＺステージ３６を駆動し、所定量（例えば、０．１μｍ）だけ、被測定物１０を光束Ｂ１に対して直交する方向に移動させる。そして、再度内径の測定を行って、測定値を得る。得られた測定値を、コントローラ６の記憶部６１に記憶された測定値と比較する。そして、新たに得られた測定値の方が、記憶された測定値よりも大きい場合、記憶部６１に記憶された測定値をその新たに得られた測定値で更新する。その後、再度同方向に被測定物１０を移動し、内径の測定を繰り返す。そして、記憶部６１に記憶された測定値の方が、新たに測定された測定値以上となる場合、その記憶部６１に記憶された測定値を、被測定物１０の内径Ｄとする。
【００４０】
一方、最初に測定された内径の測定値が、次に測定された測定値以上の場合、コントローラ６は、被測定物１０を最初に移動させた方向と逆方向に移動させる。そして、上記と同様に測定を繰り返し、記憶部６１に記憶された測定値が、新たに測定された測定値以上となったとき、その記憶部６１に記憶された測定値を、被測定物１０の内径Ｄとする。
このように、被測定物１０とビームスプリッタ３３の位置関係を変化させながら、内径Ｄの最大測定値を探索することにより、内径測定装置１は、ビームスプリッタ３３を正確に被測定物１０の中心に配置した状態の内径測定結果を得られるので、高精度で被測定物１０の内径を測定することができる。なお、ビームスプリッタ３３について、一度被測定物１０の中心に位置決めされると、以後の測定においては、被測定物１０を交換しない限り、上記のビームスプリッタ３３の位置決め手順を省略することができる。
【００４１】
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、被測定物１０の内径Ｄの測定値としてもよい。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の内径の測定値を求める場合、基準位置Ｐ１と位置Ｐ２の差に基づいて内径の測定値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。
【００４２】
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の内径Ｄを測定する際に、測定光が反射する被測定物１０の内面Ｓ１において散乱される光量も測定する。そして、その散乱光の光量と、被測定物１０のマスタの内径Ｄの測定値と表面粗さの関係を表す参照テーブルから補正値を求めて、被測定物１０の内径Ｄの測定値を補正することにより、被測定物１０の内径Ｄの真値を求める。そのため、被測定物１０の内面Ｓ１の表面粗さによらず、その内径Ｄを高精度で測定することができる。
【００４３】
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。例えば、被測定物は、円筒状のものに限られない。上記の実施形態の測定装置は、被測定物の向かい合った２面間の距離を測定したい場合、そのまま適用することができる。また、上記の実施形態の測定装置において、第２の干渉計をフィゾー型の干渉計としてもよい。
【００４４】
また、本発明は、特許文献１に記載された測定装置のように、マイケルソン型の干渉計を一つのみ使用する構成に対しても適用できる。
図７に、マイケルソン型の干渉計を一つのみ使用する寸法測定装置１１の構成の概略構成図を示す。この構成では、白色光源１２から出射された測定光を、ビームスプリッタ１３で被測定物１０’に向かう第１の光束と、光路に沿って移動可能な移動鏡１４に向かう第２の光束とに分割する。そして、被測定物１０’で反射された第１の光束と移動鏡１４で反射された第２の光とを、ビームスプリッタ１３で再度一つの光束とし、検出器１５でその干渉信号を検出する。検出器１５から出力された信号は、コントローラ１６に送信される。そして、コントローラ１６は、干渉信号がピークとなる位置を求め、第１の光束と第２の光束との光路差が０となる移動鏡１４の位置を求める。そして、被測定物１０’との関係で予め定められた移動鏡１４の基準位置と、求めた移動鏡１４の位置との差を計算することにより、被測定物１０’の寸法（例えば、表面高さなど）を求める。また、ビームスプリッタ１３に近接して、受光素子１７が設置される。受光素子１７は、第１及び第２の光束の外に配置され、かつその受光面が被測定物１０’に対向するように配置される。そして、測定光が被測定物１０’の表面で散乱された光を受光し、その受光光量に応じた信号をコントローラ１６に送信する。
【００４５】
コントローラ１６は、上記の実施形態におけるコントローラ６と同様の構成を有する。そして、上記の実施形態と同様の手順により、被測定物１０’の寸法の真値を推定する。すなわち、予め、白色光源１２からの測定光が反射される表面の粗さを変えた、被測定物１０’のマスタを複数準備し、それらマスタの測定対象寸法の測定値と、受光素子３８で受光された散乱光の光量との関係を表した参照テーブル及びマスタの寸法の真値を記憶しておく。そして、実際の測定の際には、コントローラ１６は、被測定物１０’の測定対象寸法の測定値とともに、その被測定物１０’の表面で散乱された光の光量を測定する。そして、その散乱光の光量に対応するマスタの測定対象寸法の測定値を求める。最後に、コントローラ１６は、被測定物１０’の測定対象寸法の測定値と、参照テーブルから求めたマスタの寸法測定値との差を補正値として求め、その参照テーブルに関連付けて記憶されたマスタの寸法の真値に加えることにより、被測定物１０’の測定対象寸法の真値を求める。
【００４６】
さらに、上記の干渉計を二つ使用する構成の実施形態において、第１の干渉計３側に配置された白色光源と、第２の干渉計４側に配置された検出器を入れ替えてもよい。この場合、第２の干渉計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第１の干渉計３側へ送る。そして、第１の干渉計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ビームスプリッタ３３を直進す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、第２の干渉計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の測定値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】
【００４７】
【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第１の干渉計の概略構成図である。
【図３】内径測定装置を構成する第２の干渉計の概略構成図である。
【図４】内径測定装置のコントローラの機能ブロック図である。
【図５】被測定物の表面で散乱された光の光量と被測定物の寸法測定値との関係を示すグラフである。
【図６】内径測定装置の動作フローチャートである。
【図７】本発明を適用した他の実施形態による寸法測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    内径測定装置（寸法測定装置）
１１    寸法測定装置
１０、１０’    被測定物
２、１２    白色光源
３、４    干渉計
５、１５    検出器
６、１６    コントローラ
３１、４１    コリメータレンズ
３２、３４    ウェッジプリズム
３３、４２、１３    ビームスプリッタ
３５    集光レンズ
３６    ＸＹＺステージ
３７    ステージコントローラ
３８、１７    受光素子
４３    参照鏡
４４、１４    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
６１    記憶部
６２    通信部
６３    ピーク位置測定部
６４    寸法測定部
６５    寸法補正部
６６    制御部
７，８    光ファイバ
【図１】
2008309652.tif 000003
【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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