(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面高さ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、前記被測定物の表面高さに応じた光路長を有する測定光束と、参照光束に分割する光線分割素子と、
前記光線分割素子から出射された前記参照光束の光路長を変化させる参照光走査光学系と、
前記測定光束の光路長と前記参照光束の光路長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参照光束の光路長を求めることにより、前記被測定物の表面高さを求めるコントローラと、を有し、
前記参照光走査光学系は、
回転部材と、
前記回転部材を所定の回転速度で回転させる駆動部と、
前記回転部材の回転軸に対して互いに中心点対称になるように前記回転部材に配置された第１の反射素子及び第２の反射素子と、
前記第１及び第２の反射素子の何れか一方の反射素子に、前記参照光束が入射した場合に、該一方の反射素子で反射された参照光束が、前記第１及び第２の反射素子の他方の反射素子に対して、前記一方の反射素子に対する前記参照光束の入射方向と平行かつ逆向きに入射するように、前記参照光束を導く光線方向変更部材とを有し、前記回転部材を回転させることにより、前記参照光束の光路長を変化させる、
ことを特徴とする寸法測定装置。
【請求項２】
前記参照光走査光学系は、前記回転部材の回転軸に対して互いに中心点対称になるように前記回転部材に配置された第３の反射素子及び第４の反射素子をさらに有し、
前記各反射素子は、互いに等間隔かつ前記回転軸から等距離に配置され、前記光線方向変更部材は、前記一方の反射素子に前記参照光が入射した場合に、該一方の反射素子で反射された参照光束を前記第３及び第４の反射素子の何れか一方の反射素子に入射させ、かつ前記第３及び第４の反射素子の他方の反射素子に対して、前記第３及び第４の反射素子のうちの前記一方の反射素子に対する前記参照光束の入射方向と平行かつ逆向きに入射するように前記参照光束を導く、請求項１に記載の寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の寸法を測定する寸法測定装置に関し、特に、白色干渉を利用して被測定物の表面高さを測定する寸法測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定物の表面高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。そのような方法では、白色光源から出射された光を、被測定物へ向かう測定光束と、参照鏡へ向かう参照光束とに分割し、それらの光束を、それぞれ被測定物の表面または参照鏡で反射させた後、再度一つに合わせて検出する。その際、測定光束の光路長と参照光束の光路長が等しいとき、白色干渉縞の振幅が最大となる。そこで、参照鏡を移動して白色干渉縞の振幅が最大となるときの参照鏡の位置を測定して、参照光束の光路長を調べることにより、被測定物の表面高さを測定することができる。
【０００３】
しかし、白色干渉は、上記の二つの光束の光路長がほぼ等しい場合にのみ観測されるので、測定対象となる寸法の範囲が広い場合、参照鏡の移動範囲も広くなる。移動範囲が広くなれば、参照鏡をその範囲全体にわたって移動させるのに要する時間も長くなる。そのため、被測定物の表面上の測定点１点当たりの測定に要する時間も長くなってしまう。したがって、測定対象となる被測定物の表面の面積が大きくなり、測定点の数が増えると、被測定物全体を測定するのに、非常に長時間を必要とするおそれがある。そこで、参照鏡として、複数のコーナーキューブを回転テーブル上に設置し、その回転テーブルを高速で回転させて、コーナーキューブを高速で移動させることにより、参照光の光路長を高速に変化させる機構が開発されている（非特許文献１を参照）。
【０００４】
【非特許文献１】椎名達雄、外３名、「光コヒーレンストモグラフィ用長光路走査機構」、アプライドオプティクス（米国）、2003年、第42巻、第19号、p.3795-3799
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載された機構では、回転テーブルの回転軸の位置がずれると、参照光束の光路長も変化してしまう。そのため、被測定物の寸法を高精度で測定することは困難であった。
【０００６】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、白色干渉を用いた被測定物の表面高さの測定において、短時間でかつ高精度に表面高さを測定可能な寸法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】
【０００７】
本発明の一つの実施態様によれば、被測定物の表面高さ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、被測定物の表面高さに応じた光路長を有する測定光束と、参照光束に分割する光線分割素子と、光線分割素子から出射された参照光束の光路長を変化させる参照光走査光学系と、測定光束の光路長と参照光束の光路長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参照光束の光路長を求めることにより、被測定物の表面高さを求めるコントローラと、を有する。そして参照光走査光学系は、回転部材と、回転部材を所定の回転速度で回転させる駆動部と、回転部材の回転軸に対して互いに中心点対称になるように回転部材に配置された第１の反射素子及び第２の反射素子と、第１及び第２の反射素子の何れか一方の反射素子に、参照光束が入射した場合に、その一方の反射素子で反射された参照光束が、第１及び第２の反射素子の他方の反射素子に対して、その一方の反射素子に対する参照光束の入射方向と平行かつ逆向きに入射するように、参照光束を導く光線方向変更部材とを有し、回転部材を回転させることにより、参照光束の光路長を変化させる。
【０００８】
また、本発明によれば、参照光走査光学系は、回転部材の回転軸に対して互いに中心点対称になるように回転部材に配置された第３の反射素子及び第４の反射素子をさらに有し、各反射素子は、互いに等間隔かつ回転部材の回転軸から等距離に配置され、光線方向変更部材は、一方の反射素子に参照光が入射した場合に、その一方の反射素子で反射された参照光束を第３及び第４の反射素子の何れか一方の反射素子に入射させ、かつ第３及び第４の反射素子の他方の反射素子に対して、第３及び第４の反射素子の上記一方に対する参照光束の入射方向と平行かつ逆向きに入射するように参照光束を導くすることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、白色干渉を用いた被測定物の表面高さの測定において、短時間でかつ高精度に表面高さを測定可能な寸法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】
【００１０】
以下、本発明を金型などの被測定物の表面高さを測定する寸法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。
本発明を適用した寸法測定装置は、白色光源から放射された光を、光カプラによって被測定物に向かう測定光束と参照光束とに分割する。測定光束は、被測定物の表面で反射または散乱された後、再度光カプラで参照光束と一つに合わさって、検出器で検出される。そして寸法測定装置は、それら二つの光束間で生じた白色干渉縞の振幅が最大となるときの参照光束の光路長を測定して、被測定物の表面高さを測定する。この測定装置は、光カプラから出射した参照光束を再度光カプラへ入射させるために、回転テーブル上に回転軸を中心とした中心点対称となるように配置された複数のコーナーキューブプリズムを使用する。そして、それらコーナーキューブプリズムと、それらと対向するように配置された固定鏡により、回転軸の位置ずれによる参照光束の光路長の変動を補償して、高速かつ高精度に被測定物の表面高さを測定するものである。
【００１１】
図１は、本発明を適用した寸法測定装置１の概略構成を示す図である。寸法測定装置１は、白色光源２、光カプラ３、測定物走査光学系４、参照光走査光学系５、検出器６、コントローラ７及び光ファイバ８〜１１を有する。
そして、寸法測定装置１では、白色光源２から放射された白色光は、光ファイバ８を通って光カプラ３に伝送される。そしてその白色光は、光カプラ３により、被測定物１２へ向かう測定光束と、参照光走査光学系５へ向かう参照光束に分割される。測定光束は、光ファイバ９を通った後、測定物走査光学系４により、被測定物１２の表面の測定点へ結像される。そして、被測定物１２の表面の測定点で反射または散乱された測定光束は、再度測定物走査光学系４及び光ファイバ９を通って光カプラ３に入射する。一方、参照光束は、光ファイバ１０を通った後、所定の範囲で調整可能な光路長を有する参照光走査光学系５に入射する。そして参照光束は、参照光走査光学系５を経由した後、再度光ファイバ１０を通って光カプラ３に入射する。そして、測定光束と参照光束は、光カプラ３で一つに合わさった後、光ファイバ１１を通って検出器６へ入射する。検出器６は、測定光束の光路長と参照光束の光路長がほぼ等しい時に生じる白色干渉縞を検出し、白色干渉縞を電気信号に変換してコントローラ７へ送る。コントローラ７は、白色干渉縞の振幅が最大となるときの参照光束の光路長を求める。そしてコントローラ７は、その光路長と予め高さの分かっている基準品の基準面に対する参照光束の光路長との差を計算して、被測定物１２の表面の測定点の高さを求める。
以下、寸法測定装置１の各部について、詳細に説明する。
【００１２】
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ＳＬＤ光源を用いた。
【００１３】
光カプラ３は、光ファイバ８を経由して入射した白色光を、光ファイバ９へ出射する測定光束と光ファイバ１０へ出射する参照光束に分割する。一方、光ファイバ９を経由して入射した測定光束と、光ファイバ１０を経由して入射した参照光束を一つに合わせて、光ファイバ１１へ出射する。光カプラ３として、例えば、そのような機能を有する公知の様々な光カプラを用いることができる。
【００１４】
測定物走査光学系４は、光ファイバ９から出射された測定光束を、被測定物１２の表面上の任意の測定点に結像させる。そして測定物走査光学系４は、その測定点で反射または散乱された測定光束を集光し、再度光ファイバ９へ入射させる。そのために、測定物走査光学系４は、走査鏡４１と、集光光学系４２と、アクチュエータ４３を有する。
【００１５】
走査鏡４１は、光ファイバ９の端面に隣接して配置される。また、走査鏡４１は、被測定物１２の表面と略平行な面、及びその面に略直交し、光ファイバ９から出射される測定光束に平行な面のそれぞれに沿って回転可能に保持され、走査鏡４１の反射面の向きが調節可能となっている。そして走査鏡４１の反射面の向きを調節することにより、測定光束で被測定物１２の表面を２次元的に走査することができる。
集光光学系４２は、走査鏡４１と被測定物１２の間に配置され、測定光束を被測定物１２の表面又はその近傍に結像させる。そのため、測定光束が被測定物１２上に結ぶスポットの面積が小さくなるので、寸法測定装置１の解像度を高めることができる。また、集光光学系４２は、そのスポットで反射または散乱された測定光束を集光して、走査鏡４１を介して光ファイバ９へ入射させる。
アクチュエータ４３は、コントローラ７から受信した制御信号に応じて走査鏡４１の反射面の向きを調節する。
【００１６】
参照光走査光学系５は、光ファイバ１０から出射された参照光束が所定の光路を通った後、再度光ファイバ１０に入射するように構成される。そして参照光走査光学系５は、その光路の光路長を変化させて、測定光束の光路長と参照光束の光路長との光路差を調節する。そのために、参照光走査光学系５は、回転テーブル５１と、回転テーブル５１上に配置された４個のコーナーキューブプリズム５３〜５６と、回転テーブルの周囲に配置された固定鏡５７〜６６と、アクチュエータ６７を有する。
【００１７】
回転テーブル５１は、回転軸５２を軸として回転可能となっている。そして、回転テーブル５１は、アクチュエータ６７により駆動されて、測定動作中、一定の回転速度で回転する。例えば、回転テーブル５１は、測定動作中、6000rpｍで回転する。
４個のコーナーキューブプリズム５３〜５６は、それぞれ、回転軸５２から等距離かつ互いに等間隔になるように、回転テーブル５１の上に配置される。具体的には、コーナーキューブプリズム５３と５５は、回転軸５２を中心として、中心点対称となるようにに配置される。同様に、コーナーキューブプリズム５４と５６も、回転軸５２を中心として、中心点対称となるように配置される。そして、互いに隣接するコーナーキューブプリズムの入射面に平行な面同士がなす角は直角となっている。さらに、各コーナーキューブプリズムの入射面は、そのコーナーキューブプリズムが回転テーブル５１の右側に位置する場合に、光ファイバ１０の端面と対向し、その端面から出射した参照光束がコーナーキューブプリズムに入射するように配置される。
【００１８】
また、固定鏡５７〜６６は、回転テーブル５１を囲むように配置されている。各固定鏡５７〜６６は、コーナーキューブプリズムから出射された参照光束の向きを変える光線方向変更部材として機能する。そして、光ファイバ１０から出射した参照光束が何れかのコーナーキューブプリズムに入射する場合、各固定鏡５７〜６６は、コーナーキューブプリズムから出射された参照光束の向きを変え、隣接するコーナーキューブプリズムに入射させる。そのため、参照光束は、各固定鏡５７〜６６と各コーナーキューブプリズム５３〜５６を経由して、再度光ファイバ１０に入射する。その際、参照光束は、回転軸５２について中心点対称に配置された二つのコーナーキューブプリズムに対して、互いに平行かつ逆向きに入射する。そのため、回転テーブル５１の回転軸５２の位置がずれると、その二つのコーナーキューブプリズムの一方とそれに対向して配置された固定鏡までの距離は、そのずれ量に応じて長くなる。しかし、他方のコーナーキューブプリズムとそれに対向して配置された固定鏡までの距離は、逆にそのずれ量に応じて短くなる。したがって、回転軸５２の位置がずれても、参照光束の光路長そのものは変化しない。
【００１９】
一例として、図１に示すように、コーナーキューブプリズム５３が光ファイバ１０の端面に対向して位置し、光ファイバ１０から出射した参照光束がそのコーナーキューブプリズム５３に入射する場合について、参照光束の伝播経路を説明する。
参照光束は、光ファイバ１０から出射された後、コーナーキューブプリズム５３に入射する。そして参照光束は、コーナーキューブプリズム５３で、入射方向と平行かつ反対方向へ向けて反射される。その後、参照光束は、固定鏡５７で、入射方向に対して直角となるように反射され、固定鏡５８へ向かう。その後、固定鏡５８及び５９において、参照光束は、入射方向に対して直角となるように順次反射され、進行方向が１８０度回転してコーナーキューブプリズム５４へ向かう。参照光束は、コーナーキューブプリズム５４に入射すると、その入射方向と平行かつ反対方向へ向けて反射され、固定鏡６０へ向かう。そして参照光束は、固定鏡６０〜６２でそれぞれ直角に反射され、進行方向が反時計回りに２７０度回転する。その後、参照光はコーナーキューブプリズム５５へ向かう。参照光は、コーナーキューブプリズム５５で入射方向と逆向きに反射され、固定鏡６３へ向かう。そして参照光は、固定鏡６３〜６５でそれぞれ直角に反射され、進行方向が反時計回りに２７０度回転する。その後、参照光はコーナーキューブプリズム５６へ向かう。参照光は、コーナーキューブプリズム５６で入射方向と逆向きに反射され、固定鏡６６へ向かう。参照光は固定鏡６６に対して垂直に入射するので、固定鏡６６で反射された後、それまで通ってきた経路を逆向きに進行する。そして参照光は、再度コーナーキューブプリズム５３〜５６及び固定鏡５７〜６５を経由した後、参照光走査光学系５から出射され、光ファイバ１０へ入射する。
【００２０】
ここで、例えば、回転軸５２の位置が光ファイバ１０に近づく方向に距離ａだけずれたと仮定する。この場合、光ファイバ１０の端面からコーナーキューブプリズム５３を経由して固定鏡５７に至る光路の光路長は２ａ短くなる。しかし、上記のように、コーナーキューブプリズム５５は、回転軸５２に対してコーナーキューブプリズム５３と中心点対称に配置されている。また、参照光がコーナーキューブプリズム５３へ入射する方向と、コーナーキューブプリズム５５へ入射する方向は、平行かつ逆向きとなっている。そのため、固定鏡６２からコーナーキューブプリズム５５を経由して固定鏡６３に至る光路の光路長は、逆に２ａ長くなる。したがって、回転軸５２の位置がずれても、コーナーキューブプリズム５３及び５５と、それらに対向して配置された固定鏡との間で光路長のずれが互いに相殺されることが分かる。
【００２１】
また、回転軸５２の位置が、光ファイバ１０から出射する参照光束の進行方向に対して直角をなし、かつ光ファイバ１０へ近づく方向へ距離ｂだけずれたと仮定する。この場合、固定鏡５９からコーナーキューブプリズム５４を経由して固定鏡６０に至る光路の光路長は２ｂ長くなる。しかし、上記のように、コーナーキューブプリズム５６は、回転軸５２に対してコーナーキューブプリズム５４と中心点対称に配置されている。また、参照光がコーナーキューブプリズム５４へ入射する方向と、コーナーキューブプリズム５６へ入射する方向は、平行かつ逆向きとなっている。そのため、固定鏡６５からコーナーキューブプリズム５６を経由して固定鏡６６に至る光路の光路長は、逆に２ｂ短くなる。したがって、この場合も、回転軸５２の位置がずれても、コーナーキューブプリズム５４及び５６と、それらに対向して配置された固定鏡との間で光路長のずれが互いに相殺されることが分かる。
上記のように、光ファイバ１０から出射される参照光束の進行方向に対して平行な方向または垂直な方向の何れに沿って回転軸５２の位置がずれても、回転軸５２に対して中心点対称に配置された二つのコーナーキューブプリズムとそれらに対向して配置された固定鏡との間で光路長のずれが互いに相殺されるので、参照光束の光路の全体の長さは変化しないことが分かる。
【００２２】
一方、回転テーブル５１の回転により、光ファイバ１０の端面に対向する位置にあるコーナーキューブプリズムとその端面間の距離が変化すると、他のコーナーキューブプリズムとそれらに対向して配置された固定鏡間の距離も同じだけ変化する。例えば、図１において、回転テーブル５１の回転により、コーナーキューブプリズム５３と光ファイバ１０の端面との距離がｃだけ長くなると仮定する。この場合、各コーナーキューブプリズムとそれらに対向して配置された固定鏡（例えば、コーナーキューブプリズム５４と固定鏡５９、６０）間の距離もｃだけ長くなるので、参照光束の光路長は全体として８ｃ長くなる。このように、回転テーブル５１を回転させることにより、参照光束の光路長をコーナーキューブプリズムの移動距離の８倍と大きく変化させることができる。
【００２３】
アクチュエータ６７は、コントローラ７からの制御信号に応じて、回転テーブル５１を動作させる。そのため、アクチュエータ６７として、公知の様々なモータを使用することができる。ただし、測定動作中、回転テーブル５１は一定速度（例えば、6000rpm）で回転することが好ましい。また、用途に応じて回転テーブル５１の回転速度を変化させられることが好ましい。そこでアクチュエータ６７として、複数の設定回転速度において、速度変動率の小さい（例えば、速度変動率0.01％以下）モータを用いることが好ましい。
【００２４】
検出器６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６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６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６は、所定の時間間隔でサンプリングして、各サンプリング時点における検出光量を電気信号に変換する。さらに、検出器６は、コントローラ７と電気的に接続され、その電気信号を逐次コントローラ７へ送信する。
ここで、参照光束と測定光束との間で白色干渉が生じる場合、コーナーキューブプリズムの移動に応じてそれらの光束の光路差が変化するので、その光路差による光量の変化にしたがって対応する電気信号も変動する。また、コーナーキューブプリズムの位置は、回転テーブルの回転に伴って変化するので、その位置は時間的に変化する。したがって、その白色干渉縞は、検出器６から出力される電気信号の時間的な変化において観測される。
【００２５】
光ファイバ８〜１１は、それぞれ、光カプラ３と、白色光源２、測定物走査光学系４、参照光走査光学系５及び検出器６の間に配置され、各機器間で光束を伝送する。光ファイバ８〜１１として、公知の様々な光ファイバを使用することができる。しかし、光ファイバ８〜１１は、白色光源２から放射される光の波長に対して伝送損失が極力小さいことが好ましい。
【００２６】
コントローラ７は、いわゆるＰＣで構成され、ＣＰＵなどの演算装置と、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの半導体メモリ、若しくは磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等からなる記憶装置と、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装置と、記憶装置に格納され、ＣＰＵ上で実行されるコンピュータプログラムとを有する。
そしてコントローラ７は、検出器６により検出された光量から参照光束の光路長を測定することにより、被測定物１２の測定点の高さを求める。またコントローラ７は、寸法測定装置１の各部と電気的に接続されており、それらを制御する。
【００２７】
ここで、コントローラ７は参照光束の光路長を測定するために、検出器６から白色干渉縞の信号を取得した時のコーナーキューブプリズムの位置を求める。参照光走査光学系５の回転テーブル５１が回転していると、コーナーキューブプリズムの位置によっては、参照光束が検出器６に到達しない。逆に言えば、光ファイバ１０から出射された参照光束が、何れかのコーナーキューブプリズムの入射面へ入射する場合にのみ、参照光束が検出器６に到達する。そして、検出器６において、参照光束を受光したときの光量は、参照光束を受光しないときの光量に比べて非常に大きくなる。したがって、検出器６からコントローラ７へ送信される光量に応じた電気信号も、参照光束を受光している期間中、参照光束を受光していないときと比較して大きくなる。そこで、コントローラ７は、検出器６から受信した、光量に対応する電気信号の時間的な変化を調べることにより、コーナーキューブプリズムの位置を推定して、参照光束の光路長を求める。
【００２８】
そこで先ず、何れかのコーナーキューブプリズムの入射面に参照光束が入射可能な場合における、コーナーキューブプリズムの最も光ファイバ１０に近い位置p1及び最も光ファイバ１０から離れた位置p2を予め測定し、コントローラ７の記憶装置に記憶しておく。
一方、測定動作中、例えば、図１において回転テーブル５１が時計回りに回転しているとする。この場合において、コントローラ７は、例えば、時間当たりの電気信号の変化量が所定の閾値を超えて大きくなった時刻t1と、時刻t1の後、最初に時間当たりの電気信号の変化量が所定の閾値を超えて小さくなった時刻t2を検出する。なお、白色干渉による信号変化を検出しないように、時刻t1以前の一定期間及び時刻t2以後の一定期間における電気信号の平均値が所定値よりも低いことを、時刻t1及び時刻t2の検出条件に加えてもよい。
コントローラ７は、時刻t1とt2の間、検出器６が参照光束を受光していると判断することができる。そこでコントローラ７は、時刻t1のとき、何れかのコーナーキューブプリズムが位置p1にあり、時刻t2のとき、その同じコーナーキューブプリズムが位置p2にあると推定する。時刻t1とt2の間の任意の時刻tにおけるコーナーキューブプリズムの位置は、以下のように求められる。まず、時刻t2と時刻t1の時間差に対する時刻tと時刻t1の時間差の比r（=(t-t1)/(t2-t1)）を算出する。そして、位置p1から位置p2までの回転角αにその比rを乗じて、時刻t1から時刻tまでにコーナーキューブプリズムが回転した角度β（=α・r）を求める。最後に、位置p1から時計回りに角βだけ回転した位置を、時刻tにおけるコーナーキューブプリズムの位置とする。そしてコーナーキューブプリズムの位置が求められると、コントローラ７はその位置に基づいて参照光束の光路長を求めることができる。
【００２９】
さらに、コントローラ７は、参照光束と測定光束の光路差に応じて生じる白色干渉縞から、被測定物の表面高さを求める。
白色光源２から放射される光は、コヒーレンス長が短いため、測定光束と参照光束の光路差がほぼ等しい場合にのみ、検出器６で白色干渉縞を観測することができる。そして、両光束の光路長が一致するとき、その白色干渉縞の振幅が最大となる。そこでコントローラ７は、予め表面高さの分かっている基準品の基準面と、被測定物１２の測定点について、それぞれ白色干渉縞の振幅が最大となるときのコーナーキューブプリズムの位置を求める。コントローラ７は、その位置の差に相当する光路差を求め、その光路差を基準面の表面高さに加えることにより、被測定物の測定点の表面高さを決定する。
なお、白色干渉縞の振幅が最大となる時刻を正確に求めるために、コントローラ７は、例えば、検出器６から受信した電気信号に対し、白色干渉縞の周期に相当する高周波成分を除去するようなローパスフィルタリング処理を行って、その電気信号の包絡線を求める。そしてコントローラ７は、その包絡線の振幅が最大となるときの時刻を、白色干渉縞の振幅が最大となる時刻とする。
【００３０】
図２に、被測定物１２の表面高さを測定する際の寸法測定装置１の動作フローチャートを示す。なお、寸法測定装置１の動作は、コントローラ７によって制御される。
事前準備として、上記の基準品を寸法測定装置１に設置し、その基準面に測定光束を照射したときの白色干渉縞の振幅の最大値に対応するコーナーキューブプリズムの位置Prを求め、コントローラ７の記憶装置に記憶しておく。
測定動作を開始すると、コントローラ７は、参照光走査光学系５のアクチュエータ６７を制御して、回転テーブル５１を所定の速度で回転させる（ステップＳ１０１）。次に、測定物走査光学系４のアクチュエータ４３を制御して、測定光束を被測定物１２の任意の測定点にスポットを結ぶように走査鏡４１の向きを調節する（ステップＳ１０２）。そして、検出器６により、測定光束の光路長と参照光束の光路長の差に応じて生じる白色干渉縞を検出する（ステップＳ１０３）。なお、検出器６は、その白色干渉縞に相当する電気信号をコントローラ７へ送信する。
【００３１】
次に、コントローラ７は、検出器６から受信した電気信号と、コーナーキューブプリズムの位置との関係を決定する（ステップＳ１０４）。上述したように、コントローラ７は、例えば、その電気信号が急激に変化する時刻を検出し、その時刻と、検出器６で参照光束を受光できるコーナーキューブプリズムの限界位置とを関連付けることにより、電気信号と、コーナーキューブプリズムの位置との関係を決定することができる。そして、コントローラ７は、その電気信号の周期的な振動の振幅が最大となる時刻、すなわち、白色干渉縞の振幅が最大となる時刻tpを測定して、その時刻におけるコーナーキューブプリズムの位置Ppを求める（ステップＳ１０５）。その後、コントローラ７は、ステップＳ１０５で求めたコーナーキューブプリズムの位置Ppと、基準面に対して同様に求めたコーナーキューブプリズムの位置Prから、その位置の差に対応する参照光束の光路差を求める（ステップＳ１０６）。そしてコントローラ７は、その光路差を、基準面の表面高さに加えることにより、測定位置における被測定物１２の表面高さを決定する（ステップＳ１０７）。
コントローラ７は上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０７の処理を繰り返して、被測定物１２の表面の各点における表面高さを測定することができる。
【００３２】
以上説明してきたように、本発明を適用した寸法測定装置は、参照光束の光路を決定するための複数のコーナーキューブプリズムを取り付けた回転テーブルを回転させることにより、参照光束の光路長を短時間で大きく変化させることができる。そのため、係る寸法測定装置は、広い測定可能範囲を確保しつつ、短時間で測定を行うことができる。また、複数のコーナーキューブプリズムを、回転テーブルの回転軸について中心点対称になるように配置し、参照光束を中心点対称に配置されたそれぞれのコーナーキューブプリズムに対して平行かつ逆向きに入射させるように固定鏡を配置したので、回転軸の位置ずれによる参照光束の光路長の変動を補償することができる。そのため、高精度に被測定物の表面高さを測定することができる。
【００３３】
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、参照光走査光学系において、コーナーキューブプリズムの代わりに、コーナーキューブミラー、直角プリズムあるいは反射面が直角をなすように配置された２枚のミラーを使用してもよい。また、回転テーブルに設置するコーナーキューブプリズムの数は、４個に限られない。例えば、コーナーキューブプリズムの数は２個でもよい。この場合でも、それらのコーナーキューブプリズムを、回転テーブルの回転軸について中心点対称になるように配置する。コーナーキューブプリズムが２個の場合でも、参照光束が光ファイバから出射される方向に沿って回転軸の位置がずれることによる、参照光束の光路長の変動を防止することができる。
また、固定鏡５７〜６６の代わりに、導波路を光線方向変更部材として使用してもよい。そして導波路は、各コーナーキューブプリズムから出射された参照光束が隣接するコーナーキューブプリズムに対して入射するように、参照光束の向きを変更する。ただしこの場合も、導波路を、回転テーブルの回転軸について中心点対称に配置された二つのコーナーキューブプリズムへの参照光束の入射方向が、互いに平行であり、かつ逆向きになるように構成する。
【００３４】
さらに、コーナーキューブプリズムの位置と、検出器で検出した光量に対応する電気信号とを正確に対応付けるために、コーナーキューブが所定位置に到達したことを検知するための機構を、参照光走査光学系５に別途設けてもよい。例えば、回転テーブル５１の所定位置において、回転テーブル５１を回転軸に沿って貫通する孔を形成する。そして、回転テーブル５１を挟んで、ＬＥＤなどの光源と、その光源に対向して受光センサを設置して、回転テーブル５１に形成された孔が、所定位置に達した時に光源からの光がその孔を通って受光センサに到達するように構成する。そして、受光センサが光源からの光を検知すると、コントローラ７へ検知信号を送信する。そしてコントローラ７は、受光センサからの検知信号を受信した時刻と、その時刻における光量に対応する電気信号とを対応付けることにより、コーナーキューブプリズムの位置とその電気信号とを対応付けることができる。
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】
【００３５】
【図１】本発明を適用した寸法測定装置の概略構成図である。
【図２】被測定物の表面の任意の測定点における表面高さを測定する際の寸法測定装置の動作フローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１    寸法測定装置
２    白色光源
３    光カプラ（光線分割素子）
４    測定物走査光学系
５    参照光走査光学系
６    検出器
７    コントローラ
８〜１１    光ファイバ
１２    被測定物
４１    走査鏡
４２    結像光学系
４３    アクチュエータ
５１    回転テーブル（回転部材）
５２    回転軸
５３〜５６    コーナーキューブプリズム
５７〜６６    固定鏡（光線方向変更部材）
６７    アクチュエータ
【図１】
0005207959.tif 000002
【図２】
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