(57)【要約】【課題】測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる寸法測定装置及び参照光路長走査装置を提供する。【解決手段】実施形態の寸法測定装置１０は、参照鏡としてボールレンズ２４を使用し、ボールレンズ２４を円形の移動軌跡に沿って移動させて、参照光５８の光路長を変更する。ボールレンズ２４は、円形の移動軌跡に沿って位置が変化しても参照光５８に対する入射面の姿勢は変化しない。よって、ボールレンズ２４は、移動位置に関係無く、入射した参照光５８を、参照光５８の入射方向と対向する方向に全反射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を放射する光源と、
前記白色光を測定光と参照光とに分割して出射する光分割手段と、
前記測定光を被測定物に照射する測定光照射手段と、
回転軸を中心に回転される回転部材と、前記回転部材に配置され前記参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、前記回転部材を回転させて前記回転軸を中心に前記ボールレンズを回転させることにより、前記参照光の光軸方向に対する前記ボールレンズの位置を変化させる参照光路長走査手段と、
前記被測定物で反射した前記測定光と前記ボールレンズで反射した前記参照光とが合成された干渉光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段によって検出された前記干渉光に基づいて被測定物の寸法を算出する演算手段と、
を備える寸法測定装置。
【請求項２】
前記ボールレンズは、前記回転部材の前記回転軸を中心とする周方向に沿って複数配置される、請求項１に記載の寸法測定装置。
【請求項３】
前記参照光を反射する前記ボールレンズの反射面には、光反射膜が備えられる、請求項１又は２に記載の寸法測定装置。
【請求項４】
前記光源と前記光分割手段との間には、エタロンが備えられる、請求項１、２又は３に記載の寸法測定装置。
【請求項５】
光分割手段によって分割された測定光と参照光のうち、前記参照光の光路長を走査する参照光路長走査装置において、
回転軸を中心に回転される回転部材と、前記回転部材に配置され前記参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、前記回転部材を回転させて前記回転軸を中心に前記ボールレンズを回転させることにより、前記参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる、参照光路長走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寸法測定装置及び参照光路長走査装置に係り、特に低コヒーレンス干渉法の原理を利用して被測定物の寸法を測定する寸法測定装置及び参照光路長走査装置に関する。なお、本発明は、コヒーレント干渉への適用も排除するものでない。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の寸法（表面高さ）を非接触で精密に測定する方法として、低コヒーレンス干渉の原理を利用した走査型の白色干渉法が、特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
白色干渉法は、スペクトルが広く、コヒーレント長の短い白色光源を利用する。すなわち、白色光源から放射された白色光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光を被測定物に照射し、分割した参照光を参照鏡に照射する。そして、被測定物で反射した測定光と、参照鏡で反射した参照光とを干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき、測定光を照射した位置における被測定物の寸法を測定する。
【０００４】
干渉縞は、測定光の光路長と参照光の光路長とが略等しいときに形成され、各光路長が一致したときに干渉縞の振幅が最大となる。そこで、参照鏡を移動させて参照光の光路長を走査し、干渉縞の振幅が最大となるときの参照光の光路長を測定することにより、測定対象物の寸法を測定する。白色干渉法によれば、参照光の光路長を精度良く走査させることによって、被測定物の寸法をナノメートル精度で測定可能である。
【０００５】
ところで、特許文献１には、参照鏡としてのコーナキューブプリズムを、回転テーブルに複数設置した参照光路長走査装置が開示されている。この参照光路長走査装置によれば、回転テーブルを高速で回転させることによって、コーナキューブプリズムが円形の移動軌跡に沿って高速で移動するので、参照光の光路長を高速で走査させることができる。これによって、測定速度が向上する。
【０００６】
寸法の測定範囲が広い場合、参照鏡の移動範囲も広くなるが、上記参照光路長走査装置を用いることによって、測定時間を短縮することができる。なお、測定時間の比較は、ボールねじ装置等の直動装置によって参照鏡を移動させた装置との比較である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２２７０５号公報
【特許文献２】特開２０１０−４３９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図１３の如く、回転テーブル１に配置されたコーナキューブプリズム２に、光ファイバ３からレンズ４を介して参照光５を直接照射する参照光路長走査装置では、回転テーブル１の矢印Ａで示す回転に伴いコーナキューブプリズム２の姿勢（参照光５に対する入射面２Ａの向き）が変化するので、測定精度が低下するという問題があった。
【０００９】
すなわち、コーナキューブプリズム２の入射面２Ａに対する参照光５の入射角は、実線で示すコーナキューブプリズム２の入射角０度の位置から、回転テーブル１の回転に伴って変化する。つまり、二点鎖線で示すコーナキューブプリズム２の入射面２Ａに対する参照光５の入射角は、実線で示したコーナキューブプリズム２の入射角０度よりも大きくなる。これにより、入射面２Ａにおける参照光５の受光面積が減少するので、コーナキューブプリズム２に入射する参照光５の光量が低下する。この結果、測定光と干渉する参照光５の光強度が低下するので、測定精度が低下するという問題があった。
【００１０】
このような不具合を解消するには、入射角０度を含むその近傍の回転角度の範囲内でコーナキューブプリズムが移動したときの参照光のみを抽出し、その参照光を測定光と干渉させることが考えられるが、これでは参照光５の走査範囲が狭くなり、測定範囲が狭くなるという問題があった。
【００１１】
なお、図１３において、符号６は回転テーブル１の回転軸を示し、符号７はコーナキューブプリズム２から出射した参照光５をコーナキューブプリズム２に反射して戻す反射鏡を示し、符号８はコーナキューブプリズム２の円形の移動軌跡を示している。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる寸法測定装置及び参照光路長走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、本発明の目的を達成するために、白色光を放射する光源と、白色光を測定光と参照光とに分割して出射する光分割手段と、測定光を被測定物に照射する測定光照射手段と、回転軸を中心に回転される回転部材と、回転部材に配置され参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、回転部材を回転させて回転軸を中心に屈折率が２であるボールレンズを回転させることにより、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる参照光路長走査手段と、被測定物で反射した測定光とボールレンズで反射した参照光とが合成された干渉光を検出する光検出手段と、光検出手段によって検出された干渉光に基づいて被測定物の寸法を算出する演算手段と、を備える寸法測定装置を提供する。
【００１４】
本発明の寸法測定装置の一態様によれば、光源から放射された白色光を、光分割手段によって測定光と参照光とに分割し、測定光及び参照光を光分割手段から出射する。出射した測定光を、測定光照射手段によって被測定物に照射し、また、出射した参照光をボールレンズに照射する。そして、被測定物の表面で反射又は散乱した測定光と、ボールレンズで反射した参照光とを光分割手段で合成し、その干渉光を光検出手段で検出する。そして、演算手段が、光検出手段で検出された干渉光に基づいて、被測定物の寸法を算出する。
【００１５】
本発明の一態様は、参照鏡として屈折率が２であるボールレンズを使用し、このボールレンズを回転部材によって回転させて、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させることにより、参照光の光路長を走査する。ボールレンズは、回転軸を中心とする円形の移動軌跡に沿って位置が変化しても参照光に対する入射面の姿勢は変化しない。よって、ボールレンズは、回転位置に関係無く、入射した参照光を、参照光の入射方向と対向する方向に反射する。
【００１６】
よって、本発明の一態様によれば、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。
【００１７】
また、本発明の一態様によれば、ボールレンズで反射した参照光の強度ムラを抑制することができるので、測定精度が更に向上する。
【００１８】
更に、本発明の一態様によれば、参照光の走査範囲が拡大することに起因して、ボールレンズの小型化が可能になるので、参照光路長走査手段を小型化することができる。
【００１９】
更にまた、本発明の一態様によれば、コーナキューブプリズムと比較して空気抵抗の小さいボールレンズを使用するので、ボールレンズの移動速度を上げることができる。よって、測定速度が更に向上する。
【００２０】
本発明の一態様は、ボールレンズは、回転部材の回転軸を中心とする周方向に沿って複数配置されることが好ましい。
【００２１】
本発明の一態様によれば、回転軸を中心に回転部材を回転させることによって、ボールレンズを円形の軌跡に沿って容易に移動させることができる。また、ボールレンズを複数配置することにより、測定速度が向上する。
【００２２】
本発明の一態様は、参照光を反射する屈折率が２のボールレンズの反射面には、光反射膜が備えられることが好ましい。
【００２３】
本発明の一態様によれば、ボールレンズに入射した参照光を、最大限有効に反射することができる。これにより、走査精度及び測定精度がより一層向上する。
【００２４】
本発明の一態様は、光源と光分割手段との間には、エタロン（この場合のボールレンズは屈折率が２より小さくても良い）が備えられることが好ましい。
【００２５】
本発明の一態様によれば、白色光をエタロンによって強度変調光に生成することができるので、測定光と干渉する参照光の実効的な光路長を長くとることができる。
【００２６】
本発明の一態様は、本発明の目的を達成するために、光分割手段によって分割された測定光と参照光のうち、参照光の光路長を走査する参照光路長走査装置において、回転軸を中心に回転される回転部材と、回転部材に配置され参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、回転部材を回転させて回転軸を中心にボールレンズを回転させることにより、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる、参照光路長走査装置を提供する。
【００２７】
本発明の一態様の参照光路長走査装置によれば、参照光を走査する参照鏡としてボールレンズを使用したので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の寸法測定装置及び参照光路長走査装置によれば、参照鏡としてボールレンズを使用したので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の寸法測定装置が適用された実施形態の寸法測定装置の構成図
【図２】共振器の構成例を示す側面図
【図３】共振器の透過特性の一例を示すグラフ
【図４】共振器の透過特性の一例を示す図
【図５】図４に示す共振器の透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数−電場」に基づいて表した図
【図６】ボールレンズからの反射光が光ファイバに戻る光路を示した説明図
【図７】ボールレンズの拡大図
【図８】ボールレンズの反射面に反射コートが施されたボールレンズの拡大図
【図９】寸法測定装置の動作を示したフローチャート
【図１０】（Ａ）は、回転テーブルの回転角度に対するボールレンズの光強度の変化を示したグラフ、（Ｂ）は、回転テーブルの回転角度に対するコーナキューブプリズムの光強度の変化を示したグラフ
【図１１】ボールレンズを回転テーブルに複数配置した説明図
【図１２】回転テーブルに複数のボールレンズを配置した場合の反射光の光路を示した説明図
【図１３】回転テーブルに配置されたコーナキューブプリズムに向けて参照光を直接照射する参照光路長走査装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付図面に従って本発明に係る寸法測定装置及び参照光路長走査装置の好ましい実施形態について詳説する。
【００３１】
図１は、本発明の寸法測定装置及び参照光路長走査装置が適用された実施形態の寸法測定装置１０の構成図である。
【００３２】
〔寸法測定装置１０〕
寸法測定装置１０は、ブロードスペクトル光源（以下、光源と略称する。）１２、共振器（エタロン）１４、サーキュレータ１６、ビームスプリッタ（光分割手段）１８、測定物走査光学系（測定光照射手段）２０を有する。
【００３３】
また、寸法測定装置１０は、参照鏡としてのボールレンズ２４を有する参照光路長走査装置（参照光路長走査手段）２２、検出器（光検出手段）２６、周波数型増幅器２８、コントローラ（演算手段）３０、及び光ファイバ３２、３４、３６、３８、４０、４２を有する。
【００３４】
寸法測定装置１０では、光源１２から放射された白色光が、光ファイバ３２を介して共振器１４に入射する。共振器１４は、光の周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、光源１２からの白色光を受光して特定の光周波数成分の強度変調光１５を生成し、強度変調光１５のみを出射する。共振器１４については後述する（図２〜図５参照）。
【００３５】
共振器１４から出射された強度変調光１５は、光ファイバ３４、サーキュレータ１６、及び光ファイバ３６を介してビームスプリッタ１８に入射する。
【００３６】
そして、強度変調光１５は、ビームスプリッタ１８によって、測定物走査光学系２０へ向かう測定光と、参照光路長走査装置２２へ向かう参照光とに分割された後、それぞれの方向に出射される。
【００３７】
ビームスプリッタ１８から出射された測定光は、光ファイバ３８を介して測定物走査光学系２０に入射し、測定物走査光学系２０のレンズ４６によって、被測定物４４の表面の測定点へ結像される。そして、測定点で反射又は散乱された測定光は、測定物走査光学系２０及び光ファイバ３８を介してビームスプリッタ１８に戻される。
【００３８】
一方、ビームスプリッタ１８から出射された参照光は、光ファイバ４０を介して参照光路長走査装置２２に入射し、参照光路長走査装置２２のコリメータレンズ４８を介してボールレンズ２４に入射する。そして、ボールレンズ２４で反射した参照光（以下、反射光とも言う。）は、コリメータレンズ４８、及び光ファイバ４０を介してビームスプリッタ１８に戻される。
【００３９】
ここで、符号５８はボールレンズ２４に入射する参照光を示し、符号６０はボールレンズ２４で反射した反射光を示す。明細書では、参照光５８と反射光６０とを区別して説明する場合もあるが、反射光６０は、参照光５８の一部である。
【００４０】
一方、ビームスプリッタ１８に戻された測定光と参照光は、ビームスプリッタ１８で合成された後、光ファイバ３６、サーキュレータ１６、及び光ファイバ４２を介して検出器２６に入射する。
【００４１】
以下、寸法測定装置１０の各部について詳説する。
【００４２】
〈光源１２〉
光源１２は、コヒーレント長が短く、広帯域な波長の光を放射可能な白色光源である。光源１２として、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＬＤ（Super Luminescence Diode）、ハロゲンランプ、光周波数コム（ただし、光周波数コムを使用する場合、エタロンの長さと強度変調光の繰り返し周波数が合わなければいけない）を使用できる。また、光源１２から出射される光の中心波長は、例えば７５０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ等に設定することができる。
【００４３】
〈共振器１４〉
図２は、共振器１４の構成を示す側面図である。
【００４４】
共振器１４は、干渉間距離が固定されたファブリー・ペロー・エタロンであり、離間して配置される一対の反射プレート１４Ａ、１４Ｂ、及び反射プレート１４Ａと反射プレート１４Ｂとの間の反射域１４Ｃを有する。
【００４５】
反射プレート１４Ａは、光源１２からの白色光を透過するが、反射プレート１４Ｂからの光は反射する。一方、反射プレート１４Ｂは、特定の光周波数成分の強度変調光１５のみを透過し、他の周波数帯域の光成分を反射する。
【００４６】
反射域１４Ｃは、反射プレート１４Ａと反射プレート１４Ｂとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、反射域１４Ｃを構成する要素は特に限定されない。例えば、反射域１４Ｃがエアによって構成される共振器１４はエアギャップエタロンと呼ばれ、反射域１４Ｃが石英等の固体によって構成される共振器１４はソリッドエタロンと呼ばれる。
【００４７】
反射プレート１４Ａから反射域１４Ｃに、光源１２から白色光が入射すると、反射プレート１４Ａと反射プレート１４Ｂとの間で入射光は反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分（周波数成分）が強められて反射プレート１４Ｂを透過し、共振器１４から射出される。共振器１４から射出される強度変調光１５の特性は、ＦＳＲ（自由スペクトル領域：Free Spectral Range）とフィネス（ＦＳＲ/半値全幅：Finesse）とによって特定される。
【００４８】
図３は、共振器１４の透過特性の一例を示すグラフである。図３の横軸はフリンジ次数（ｍ、ｍ＋１、ｍ＋２）を示し、縦軸は共振器１４の透過率を示す。
【００４９】
周波数に関して隣接する光透過帯域の間隔は一定である。すなわち、共振器１４の透過帯域の間隔を表すＦＳＲと透過ピークの半値全幅であるＦＷＨＭとに基づいて共振器１４の特性が定まる。また、フィネスは、干渉縞の鋭さの程度を示す指標となる。
【００５０】
図４は、共振器１４の透過特性の一例を示す図であり、横軸は周波数を表し、縦軸は透過率を表す。図４の如く、透過率のピークを示す周波数は、離散的に出現する。また、隣接する透過率のピークの間隔は、ＦＳＲに基づいて定められる。
【００５１】
図５は、図４に示した共振器１４の透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数−電場」に基づいて表した図である。
【００５２】
実施形態の共振器１４は、「ｆｒｅｐ」が１５ＧＨｚの強度変調光１５を生成し出射する。したがって、実施形態の寸法測定装置１０は、共振器１４からの強度変調光１５の周期性を利用することで、光コムを利用した計測と同様の効果、つまり、測定光と干渉する参照光の実効的な光路長を長くとることができる。
【００５３】
〈ビームスプリッタ１８〉
図１のビームスプリッタ１８は、光ファイバ３６を介して入射した強度変調光１５を、光ファイバ３８へ出射する測定光と光ファイバ４０へ出射する参照光とに分割する。また、ビームスプリッタ１８は、光ファイバ３８を介して戻された測定光と、光ファイバ４０を介して戻された参照光とを合成して、光ファイバ３６へ出射する。ビームスプリッタ１８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。
【００５４】
〈測定物走査光学系２０〉
測定物走査光学系２０は、光ファイバ３８から出射された測定光を、レンズ４６を介して被測定物４４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２０は、その測定点で反射又は散乱された測定光を集光し、光ファイバ３８へ入射させる。そのために、測定物走査光学系２０は、レンズ４６、走査鏡（不図示）、及び走査鏡を駆動するアクチュエータ（不図示）を備えている。アクチュエータは、コントローラ３０から受信した制御信号に応じて走査鏡の反射面の向きを調節する。
【００５５】
また、測定物走査光学系２０には、コントローラ３０において０点信号ＲＳを作成するための半透明の反射板５０が備えられている。反射板５０は、参照光路長と同じ長さの位置に配置されているので、光路差が０の干渉縞が検出器２６にて形成される。なお、符号ＴＳはターゲット信号である。
【００５６】
〈参照光路長走査装置２２〉
参照光路長走査装置２２は、光ファイバ４０から出射された参照光が所定の光路を通過した後、光ファイバ４０に再度入射するように構成される。そして、参照光路長走査装置２２は、その光路の光路長を走査して、測定光の光路長と参照光の光路長との光路差を調節する。
【００５７】
そのために参照光路長走査装置２２は、ボールレンズ２４、中心に回転軸５２を備えた円盤状の回転テーブル（回転部材）５４、及び回転軸５２を介して回転テーブル５４を回転させるモータ５６を備える。回転軸５２は、図１の平面視において、参照光５８の光束に対して直交方向に配置されている。
【００５８】
回転テーブル５４は、測定動作中において、モータ５６によって矢印Ａで示す方向に一定の回転速度で回転される。例えば、回転テーブル５４は、測定動作中、５０００ｒｐｍで回転される。回転テーブル５４の回転速度を５０００ｒｐｍに設定した場合、１５ＧＨｚの周波数は、長さでは１０ｍｍに相当する。よって、走査長さは１０ｍｍ以上であることが求められる。そして、回転テーブル５４の上面に、参照光５８を走査するボールレンズ２４が配置される。
【００５９】
《ボールレンズ２４》
ボールレンズ２４は、回転テーブル５４が回転されることにより、円形の移動軌跡に沿って移動（回転）する。回転テーブル５４の回転動作によって、参照光５８の光軸方向に対するボールレンズ２４の位置が変化するので、参照光の光路長が走査される。また、ボールレンズ２４の移動量は、ボールレンズ２４の回転半径と回転角度とに基づき、コントローラ３０によって算出される。
【００６０】
図６は、屈折率が約２．０であるボールレンズ２４からの反射光（参照光）６０が、コリメータレンズ４８を介して光ファイバ４０に戻る光路を示した説明図である。なお、ボールレンズ２４の屈折率は１．９〜２．１が好ましく、１．９５〜２．０５がより好ましい。
【００６１】
屈折率が２であるボールレンズ２４は、図７の拡大図で示すように、ビームスプリッタ１８（図１参照）から出射された参照光５８が入射する球面状の入射面２４Ａ、及び入射面２４Ａに対向して配置され入射面２４Ａから入射した参照光５８を入射面２４Ａに向けて反射する球面状の反射面２４Ｂを備えている。また、入射面２４Ａから入射した参照光５８は、屈折率が２の場合に反射面２４Ｂの一点で集光され、反射面２４Ｂで反射される。このとき、反射面２４Ｂで反射された反射光６０は、参照光５８の入射方向に対向する方向に反射する。
【００６２】
つまり、反射鏡としてボールレンズ２４を使用することにより、ボールレンズ２４の入射面２４Ａに入射する参照光５８の入射角度は、ボールレンズ２４の移動位置に左右されることなく不変である。また、入射面２４Ａから入射した光量と略同量の光量を、反射面２４Ｂで反射することができる。
【００６３】
したがって、反射鏡としてコーナキューブプリズムを使用する従来の寸法測定装置と比較して、走査範囲が拡大する。
【００６４】
また、ボールレンズ２４は球体なので、回転テーブル５４の回転時にボールレンズ２４が受ける空気抵抗は、ビームスプリッタと比較して小さくなる。これにより、空気抵抗に起因する回転テーブル５４の振動を抑制できるので、高精度の走査が可能となる。
【００６５】
図８は、ボールレンズ２４の拡大図であり、ボールレンズ２４の反射面２４Ｂの集光点付近の表面に、金メッキ等の反射コート（光反射膜）６２を施した説明である。反射面２４Ｂに到達した参照光５８は、反射コート６２によって最大限に反射されるので、反射面２４Ｂに到達した参照光５８を最大限有効に利用することができる。
【００６６】
〈検出器２６〉
図１の検出器２６は、検出した光量を電気信号として出力する。検出器２６として、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の半導体検出素子が使用される。また、検出器２６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。更に、検出器２６は、周波数型増幅器２８を介してコントローラ３０と電気的に接続され、その電気信号をコントローラ３０へ逐次送信する。
【００６７】
ここで、参照光と測定光とが合成された干渉光によって光干渉が生じる場合、ボールレンズ２４の移動に応じてそれらの光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従って対応する電気信号も変動する。また、ボールレンズ２４の位置は、回転テーブル５４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、その干渉縞は、検出器２６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。
【００６８】
〈光ファイバ３２〜４２〉
光ファイバ３２〜４２は、光源１２、共振器１４、サーキュレータ１６、ビームスプリッタ１８、測定物走査光学系２０、参照光路長走査装置２２、及び検出器２６の間に配置され、各機器間で光を伝送する。光ファイバ３２〜４２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が、光源１２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。
【００６９】
〈コントローラ３０〉
コントローラ３０は、いわゆるＰＣ（Personal Computer）で構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の半導体メモリ、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）等の通信規格に基づいて構成された電子回路及びデバイスドライバ等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てＣＰＵで実行されるプログラムと、を有する。
【００７０】
そして、コントローラ３０は、検出器２６によって検出された光量から参照光の光路長を測定することにより、被測定物４４の測定点の高さを算出する。
【００７１】
また、コントローラ３０は、寸法測定装置１０の各部と電気的に接続されており、それらを統括制御する。
【００７２】
更に、コントローラ３０は、ボールレンズ２４の回転半径と回転角度とに基づいてボールレンズ２４の移動量を算出し、その移動量に基づいて参照光の光路長を算出する。そして、コントローラ３０は、参照光と測定光の光路差に応じて生じる干渉縞に基づいて、被測定物４４の寸法（表面高さ）を算出する。
【００７３】
〔寸法測定装置１０の作用〕
図９は、被測定物４４の寸法を測定する際の寸法測定装置１０の動作を示したフローチャートである。なお、寸法測定装置１０の動作は、コントローラ３０によって制御される。
【００７４】
事前準備として、寸法が既知の基準品を寸法測定装置１０に設置し、その基準面に測定光を照射したときの干渉縞の振幅の最大値に対応するボールレンズ２４の位置ＰＲを算出し、コントローラ３０の記憶装置に記憶しておく。
【００７５】
測定動作を開始すると、コントローラ３０はモータ５６を制御して、回転テーブル５４を所定の回転速度（例えば５０００ｒｐｍ）で回転させる（ステップＳ１０１）。
【００７６】
次に、測定物走査光学系２０のアクチュエータを制御して、測定光が被測定物４４の任意の測定点でスポットを結ぶように、走査鏡の向きを調節する（ステップＳ１０２）。
【００７７】
次に、検出器２６により、測定光の光路長と参照光５８の光路長の差に応じて生じる干渉縞を検出する（ステップＳ１０３）。検出器２６は、その干渉縞に相当する電気信号をコントローラ３０へ送信する。
【００７８】
次に、コントローラ３０は、検出器２６から受信した電気信号と、ボールレンズ２４の位置とを関係付けする（ステップＳ１０４）。
【００７９】
そして、コントローラ３０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、干渉縞の振幅が最大となる時刻ＴＰを測定し、時刻ＴＰにおけるボールレンズ２４の位置ＰＰを算出する（ステップＳ１０５）。
【００８０】
その後、コントローラ３０は、ステップＳ１０５で求めたボールレンズ２４の位置ＰＰと、基準面に対して同様に求めたボールレンズ２４の位置ＰＲとから、その位置の差に対応する参照光５８の光路差を算出する（ステップＳ１０６）。
【００８１】
そして、コントローラ３０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４４の表面高さを算出する（ステップＳ１０７）。
【００８２】
そして、コントローラ３０は上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０７の処理を繰り返し実施し、被測定物４４の表面の各点における表面高さを、測定光の照射位置毎に測定する。
【００８３】
ところで、共振器１４を含む寸法測定装置１０では、強度変調光１５（図４及び図５参照）が被測定物４４及びボールレンズ２４に照射されるため、低コヒーレンス光が被測定物４４及びボールレンズ２４に照射される一般的な寸法測定装置に比べて計測可能範囲が拡大する。
【００８４】
すなわち、共振器１４から射出される強度変調光状の光信号を利用した寸法測定装置１０の計測可能範囲は、共振器１４のＦＳＲ（図３参照）に応じて定まる。具体的には、共振器１４を含まない一般的な低コヒーレンス光を利用した寸法測定装置によって計測可能な「測定光の光路長と参照光の光路長とが等しくなる被測定物４４の位置（以下「ゼロ点位置」とも呼ぶ）」に加え、ゼロ点位置から「Ｎ×ｎＤ（ただし「Ｎ」は１以上の整数を表し、「ｎ」はエタロン１４の反射域１４Ｃの屈折率を表し、「ｄ」はエタロン１４の反射コート１４Ａと反射コート１４Ｂとの間隔を表す）」だけ離れた位置の計測が可能となる。
【００８５】
したがって、寸法測定装置１０によれば、「Ｌ＝（Ｌ０＋Ｎ×ｎｄ（ただし「Ｌ０」はゼロ点位置を表し、「Ｎ」は０以上の整数を表し、「ｎ」はエタロン１４の反射域１４Ｃの屈折率を表し、「ｄ」はエタロン１４の反射コート１４Ａと反射コート１４Ｂとの間隔を表す）」によって表される離散的な位置Ｌ毎の計測が可能になる。ここでいう離散的な位置Ｌは、被測定物４４におけるゼロ点位置Ｌ０から、強度変調光１５が被測定物４４に向かう方向において「Ｎ×ｎｄ」だけ離れた位置を示す。
【００８６】
〔効果〕
実施形態の寸法測定装置１０は、参照光５８を走査し、かつ参照光５８の光路を走査するための回転テーブル５４を回転させることにより、参照光５８をボールレンズ２４によって短時間で走査することができる。また、参照光５８の光路長を短時間で大きく走査させることができる。これにより、寸法測定装置１０は、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。
【００８７】
また、実施形態の寸法測定装置１０及び参照光路長走査装置２２は、参照鏡としてボールレンズ２４を使用し、ボールレンズ２４を円形の移動軌跡に沿って移動させて、参照光５８の光路長を走査している。
【００８８】
ボールレンズ２４は、円形の移動軌跡に沿って位置が変化しても参照光５８に対する入射面の姿勢は変化しない。よって、ボールレンズ２４は、移動した位置に関係無く、入射した参照光５８を、参照光５８の入射方向と対向する方向に反射する。ボールレンズ２４の上記特性により、以下の効果が得られる。
【００８９】
図１０（Ａ）は、回転テーブル５４の回転角度に対するボールレンズ２４の光強度の変化を示したグラフである。ここで、図１０（Ｂ）を説明するにあたり、図１３を参照して説明すると、図１０（Ｂ）は、回転テーブル１の回転角度に対するコーナキューブプリズム２の光強度の変化を示したグラフである。
【００９０】
図１０（Ａ）、（Ｂ）の横軸は回転テーブルの回転角を示し、縦軸は光強度を示している。
【００９１】
縦軸の光強度とは、図１０（Ａ）ではボールレンズ２４の反射面２４Ｂで反射された反射光６０の光強度を指し、図１０（Ｂ）ではコーナキューブプリズム２の反射面で反射された反射光の光強度を指す。また、光強度が最大となる角度を回転角０度に設定し、回転角０度の光強度に対し、±方向に回転させたときの光強度を相対値として示している。
【００９２】
図１０（Ａ）の如く、ボールレンズ２４の反射面２４Ｂで反射された反射光６０の光強度は、回転テーブルの回転角に左右されることなく、−４０〜＋４０度の回転範囲内において最大値を維持した。
【００９３】
これに対し、図１０（Ｂ）の如く、コーナキューブプリズム２の反射面で反射された反射光の光強度は、回転テーブルの回転角が大きくなるに従って光強度が低下した。また、−４０〜＋４０度の回転位置では、光強度が２０％以上低下した。
【００９４】
よって、実施形態の寸法測定装置１０によれば、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができた。
【００９５】
また、寸法測定装置１０によれば、ボールレンズ２４で反射した参照光５８の強度ムラを抑制することができるので、測定精度が更に向上した。
【００９６】
更に、寸法測定装置１０によれば、参照光５８の走査範囲が拡大することに起因して、ボールレンズ２４の小型化が可能になるので、参照光路長走査装置２２を小型化することができた。具体的には、直径が５〜１０ｍｍの小型のボールレンズ２４を適用することができた。
【００９７】
更にまた、寸法測定装置１０によれば、三面鏡であるコーナキューブプリズム２と比較して、空気抵抗の小さい球体のボールレンズ２４を使用するので、ボールレンズ２４の移動速度を上げることができた。よって、測定速度が更に向上した。
【００９８】
回転テーブルの回転速度を上げていくと、空気抵抗に起因して回転テーブルが振動し、測定誤差の原因になる。このため、コーナキューブプリズム２では回転速度を上げることができない。これに対して、ボールレンズ２４の場合には、コーナキューブプリズム２の場合と比較して、回転速度を３〜５倍に上げることができた。
【００９９】
更に、図８の如く、ボールレンズ２４の反射面２４Ｂに、反射コート６２を施している。
【０１００】
よって、寸法測定装置１０によれば、ボールレンズ２４に入射した参照光を、最大限有効に反射することができた。これにより、走査精度及び測定精度がより一層向上した。
【０１０１】
図１１は、回転テーブル５４の回転軸５２を中心とする周方向に沿ってボールレンズ２４を複数配置した平面図である。ボールレンズ２４は、回転テーブル５４の回転軸５２を中心とする同心円Ｓ上の位置に等間隔で６個配置されている。
【０１０２】
図１２は、図１１に示した６個のボールレンズ２４のうち２個のボールレンズ２４を抽出して示した図であって、２個のボールレンズ２４の反射光６０の光路を示した説明図である。
【０１０３】
図１２の如く、参照光５８の光束の中に、位置の異なる２個のボールレンズ２４が存在していても、それらのボールレンズ２４の入射面２４Ａに入射する参照光５８の入射角度は変化しない。ボールレンズ２４の移動位置が変化しても、参照光５８の光束の中であれば、入射した光量と略同量の光量をボールレンズ２４によって反射することができる。
【０１０４】
なお、回転テーブル５４に複数個のボールレンズ２４が配置されている場合には、コントローラ３０は、以下のように参照光の光路長を算出する。
【０１０５】
回転テーブル５４の回転軸５２にロータリーエンコーダ（不図示）を取り付け、ロータリーエンコーダから出力される回転角度情報と各々のボールレンズ２４の位置とを関連付けする。そして、コントローラ３０は、ロータリーエンコーダから出力された回転角度情報に基づき、複数個のボールレンズ２４のうちどの位置のボールレンズ２４から反射された反射光６０であることを識別する。
【０１０６】
そして、コントローラ３０は、干渉縞が形成された際に出力されるロータリーエンコーダからの回転角度情報に基づき、その際に反射光６０を反射しているボールレンズ２４を特定し、そのボールレンズ２４の位置に基づいて参照光の光路長を算出する。このようにボールレンズ２４を複数配置することにより、参照光５８の高速走査が可能となる。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…寸法測定装置、１２…光源、１４…共振器、１５…強度変調光、１６…サーキュレータ、１８…ビームスプリッタ、２０…測定物走査光学系、２２…参照光路長走査装置、２４…ボールレンズ、２４Ａ…入射面、２４Ｂ…反射面、２６…検出器、２８…周波数型増幅器、３０…コントローラ、３２、３４、３６、３８、４０、４２…光ファイバ、４４…被測定物、４６…レンズ、４８…コリメータレンズ、５０…反射板、５２…回転軸、５４…回転テーブル、５６…モータ、５８…参照光、６０…反射光、６２…反射コート
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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