(57)【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、
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、前記第１の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第３の光束と該移動鏡に向かう第４の光束に分岐させる光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、
前記第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
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、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第２の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
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】
前記位相シフト信号生成部は、前記参照鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第３の光束の一部を透過させて、該光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、該位相が９０度遅れた第３の光束の一部と前記第４の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有する、請求項１に記載の寸法測定装置。
【請求項３】
前記位相シフト信号生成部は、前記移動鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第４の光束の一部を透過させて、該光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、該位相が９０度遅れた第４の光束の一部と前記第３の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有する、請求項１に記載の寸法測定装置。
【請求項４】
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、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の光束に分岐する光束分割部とを有し、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、
前記干渉計から出射した前記第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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、
前記第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
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、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記移動鏡の位置と、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、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
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５】
前記位相シフト信号生成部は、前記被測定物と前記光束分割部の間に配置され、前記第１の光束の一部を透過させて、該第１の光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、該位相が９０度遅れた第１の光束の一部と前記第２の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有する、請求項４に記載の寸法測定装置。
【請求項６】
前記位相シフト信号生成部は、前記移動鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第２の光束の一部を透過させて、該第２の光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、該位相が９０度遅れた第２の光束の一部と前記第１の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有する、請求項４に記載の寸法測定装置。
【請求項７】
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、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の光束に分岐する光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、
前記第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
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、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第１の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
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８】
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、
参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記第１の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第３の光束と該移動鏡に向かう第４の光束に分岐させる光束分割部とを有し、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、
前記参照鏡に取り付けられ、前記参照鏡を前記第３の光束に沿って前後に振動させる変調器と、
前記変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を前記変調器へ入力して、該所定の発振周波数で前記変調器を振動させる高周波発振器と、
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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞が前記所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、
前記検出器及び前記高周波発振器と接続され、前記検出器から入力された前記高周波変調干渉信号の位相と、前記高周波発振器から入力された前記発振信号の位相を比較することにより、前記白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が９０度ずれた第１及び第２の干渉信号を出力する位相検波器と、
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、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第２の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
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９】
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、
参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、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の光束に分岐する光束分割部とを有し、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、
前記参照鏡に取り付けられ、前記参照鏡を前記第１の光束に沿って前後に振動させる変調器と、
前記変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を前記変調器へ入力して、該所定の発振周波数で前記変調器を振動させる高周波発振器と、
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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞が前記所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、
前記検出器及び前記高周波発振器と接続され、前記検出器から入力された前記高周波変調干渉信号の位相と、前記高周波発振器から入力された前記発振信号の位相を比較することにより、前記白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が９０度ずれた第１及び第２の干渉信号を出力する位相検波器と、
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、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第２の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
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１０】
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、第２の干渉計であって、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、前記第１の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第３の光束と該移動鏡に向かう第４の光束に分岐する光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第１の干渉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、
前記第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成するステップと、
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出するステップと、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するステップと、
前記ピーク位置に対する前記第２の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法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、加工部品など、被測定物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。このような方法では、白色光源から放射された測定光を、二つの光束に分割し、一方を被測定物で反射させ、他方を参照鏡で反射させて、それら光束を一つに合わせて干渉を生じさせる。このとき、二つの光束間の光路長が略等しいときに、白色干渉縞が観測される。その白色干渉縞では、二つの光束間の光路差が０となる場合に最も振幅が大きくなり、光路差が大きくなるにつれて急激に振幅が減少する。また白色干渉縞は、測定光の中心波長に依存した周期（例えば、中心波長の１／２倍の周期）で振動する。そこで、白色干渉縞の振幅が最大となるピーク位置を測定することにより、被測定物の測定対象寸法が求められる。したがって、この測定方法では、被測定物の測定対象寸法を正確に測定するために、観測される白色干渉縞のピーク位置を正確に求めることが必要となる。そのために、観測された白色干渉縞の包絡線を求め、求めた包絡線の最大値となる位置を、白色干渉縞のピーク位置とすることが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６５９７４６０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
白色干渉縞の包絡線を求める際、測定光の波長に依存した干渉縞の振動成分を除去するために、干渉縞を検出器で電気信号に変換した干渉信号をローパスフィルタに通して、その高周波成分を除去する。しかし、ローパスフィルタのカットオフ周波数を、干渉縞の周期及び干渉縞を取得する際のサンプリングピッチに対して適切に設定しなければ、干渉信号から高周波成分を除去しきれない。図１に、そのような場合の干渉信号を示す。図１において、横軸は光路差を表し、縦軸は、干渉縞の強度を表す。図１に示すように、検出された白色干渉信号１００に対し、理想的な包絡線１０１は、白色干渉縞の振幅の増減にのみに依存して、信号値が変動する。そのため、包絡線１０１の最大信号値の位置は、光路差が０となる位置と非常に精度よく一致する。しかし、ローパスフィルタのカットオフ周波数を適切に設定することは困難であった。そしてカットオフ周波数を適切に設定できなかったために、白色干渉縞の高周波成分が除去しきれない場合の包絡線１０２は、白色干渉縞の振動周期にも依存して信号値が変動する。そのため、このような包絡線１０２から、精度よく光路差が０となる位置を求め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、白色干渉を用いた寸法測定において、干渉縞のピーク位置を正確に検出して、精度よく寸法を測定することが可能な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】
【０００６】
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２の干渉計であって、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、第１の干渉計から出射した光束を、参照鏡に向かう第３の光束と移動鏡に向かう第４の光束に分岐させる光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、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、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、そのピーク位置に対する第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を求める寸法決定部とを有する。
【０００７】
また、本発明において、位相シフト信号生成部は、参照鏡と光束分割部の間に配置され、第３の光束の一部を透過させて、その光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、位相が９０度遅れた第３の光束の一部と第４の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有することが好ましい。
【０００８】
あるいは、本発明において、位相シフト信号生成部は、移動鏡と光束分割部の間に配置され、第４の光束の一部を透過させて、その光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、位相が９０度遅れた第４の光束の一部と第３の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有することが好ましい。
【０００９】
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、干渉計であって、光路に沿って移動可能な移動鏡と、白色光源から放射された光を、被測定物に向かう第１の光束と移動鏡に向かう第２の光束に分岐する光束分割部とを有し、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、干渉計から出射した第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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、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、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、ピーク位置に対する移動鏡の位置と、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、測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
【００１０】
また、本発明において、位相シフト信号生成部は、被測定物と光束分割部の間に配置され、第１の光束の一部を透過させて、その第１の光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、位相が９０度遅れた第１の光束の一部と第２の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有することが好ましい。
【００１１】
あるいは、本発明において、位相シフト信号生成部は、移動鏡と光束分割部の間に配置され、第２の光束の一部を透過させて、その第２の光束の一部の位相を９０度遅らせる波長板と、位相が９０度遅れた第２の光束の一部と第１の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を第２の干渉信号として検出する第２の検出器とを有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明のさらに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、第１の干渉計であって、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、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の光束に分岐する光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞に対応する第１の干渉信号を出力する検出器と、第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、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、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、そのピーク位置に対する第１の光路差を計算することにより、測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
【００１３】
また、本発明のさらに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、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、その第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２の干渉計であって、参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、第１の干渉計から出射した光束を、参照鏡に向かう第３の光束と移動鏡に向かう第４の光束に分岐させる光束分割部とを有し、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、参照鏡に取り付けられ、参照鏡を前記第３の光束に沿って前後に振動させる変調器と、変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を変調器へ入力して、その所定の発振周波数で変調器を振動させる高周波発振器と、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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞が所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、検出器及び高周波発振器と接続され、検出器から入力された高周波変調干渉信号の位相と、高周波発振器から入力された発振信号の位相を比較することにより、白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が９０度ずれた第１及び第２の干渉信号を出力する位相検波器と、第１及び第２の干渉信号に基づいて被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラとを有する。そのコントローラは、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、ピーク位置に対する第２の光路差を計算することにより、測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
【００１４】
また、本発明のさらに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、第１の干渉計であって、参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、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の光束に分岐する光束分割部とを有し、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、参照鏡に取り付けられ、参照鏡を前記第１の光束に沿って前後に振動させる変調器と、変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を変調器へ入力して、その所定の発振周波数で変調器を振動させる高周波発振器と、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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞が所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、検出器及び高周波発振器と接続され、検出器から入力された高周波変調干渉信号の位相と、高周波発振器から入力された発振信号の位相を比較することにより、白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が９０度ずれた第１及び第２の干渉信号を出力する位相検波器と、第１及び第２の干渉信号に基づいて被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラとを有する。そのコントローラは、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、ピーク位置に対する第２の光路差を計算することにより、測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
【００１５】
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２の干渉計であって、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、第１の干渉計から出射した光束を、参照鏡に向かう第３の光束と移動鏡に向かう第４の光束に分岐する光束分割部とを有し、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白色干渉縞を検出し、その白色干渉縞に対応する第１の干渉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が提供される。
係る寸法測定方法は、第１の干渉信号と位相が９０度異なる第２の干渉信号を生成するステップと、第１の干渉信号及び第２の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出するステップと、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するステップと、そのピーク位置に対する第２の光路差を計算することにより、測定対象寸法を求めるステップとを有する。
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】
【００１６】
本発明によれば、白色干渉を用いた寸法測定において、干渉縞のピーク位置を正確に検出して、精度よく寸法を測定することが可能な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】
【００１７】
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第１の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
本発明の第１の実施形態に係る内径測定装置は、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振幅が最大となる位置、すなわち白色干渉縞のピーク位置を検出して第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２の干渉縞において互いに位相が９０度ずれた二つの干渉縞を生成し、それら二つの干渉縞からリサージュ波形信号を求める。そして、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する位置を白色干渉縞のピーク位置として、被測定物の内径寸法を求める。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る内径測定装置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、互いに位相が９０度ずれた二つの白色干渉縞を発生させる第２の干渉計４と、それぞれの白色干渉縞を検出する検出器５ａ及び５ｂと、各部の制御を行い、かつ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から出射した光を第２の干渉計へ伝える光ファイバ８を有する。
【００１９】
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。
【００２０】
図３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から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から出射した後、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３から出射し、光ファイバ８に入射する。
【００２１】
このとき、第１の干渉計３から出射する光束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に入射する。
【００２２】
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の軸方向に直交する円筒断面内で光束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。
【００２３】
図４に、第２の干渉計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、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に入射する。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から出射した光束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から出射した光束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から出射した光束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から出射した光束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。
【００２４】
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。また、参照鏡４３とビームスプリッタ４２の間に、光束Ｂ１１及びＢ２１の一部のみが透過するように、１／８波長板４４が配置される。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。その際、光束Ｂ１１、Ｂ２１の一部は、１／８波長板４４を２度透過することにより、１／８波長板４４を透過しない光束Ｂ１１、Ｂ２１の他の一部に対して、位相が９０度ずれる。なお、図４では、理解を容易にするために、１／８波長板４４を透過する光束と、１／８波長板４４を透過しない光束とを分けて図示した。
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４５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４５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５ａ、５ｂへ向かう。
【００２５】
移動鏡４５は、支持部材４６に取り付けられる。そして、移動鏡４５及び支持部材４６は、移動範囲が狭いものの、移動鏡４５の位置の微調整が可能なピエゾ微動ステージ４７の上に設置される。また、移動鏡４５及び支持部材４６は、ピエゾ微動ステージ４７とともに、移動範囲が相対的に大きく、移動鏡４５の位置を大まかに決定する粗動ステージ４８上に設置される。ピエゾ微動ステージ４７及び粗動ステージ４８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４７及び粗動ステージ４８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４５を第２の光路に沿って移動させる。
なお、移動鏡４５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４７及びピエゾコントローラ５１を省略してもよい。
【００２６】
また、支持部材４６の背面には、コーナーキューブ４９が取り付けられる。さらに、支持部材４６よりも後方（すなわち、支持部材４６を中心として、ビームスプリッタ４２の反対側）には、移動鏡４５の位置計測用干渉計５０が設置される。そして、位置計測用干渉計５０は、コーナーキューブ４９へ向けて照射され、コーナーキューブ４９で反射されて位置計測用干渉計５０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４５の移動量を計測することができる。
【００２７】
光線分割鏡５３は、ビームスプリッタ４２に対して頂点を向けた三角プリズム状の形状を有しており、ビームスプリッタ４２と検出器５ａ、５ｂの間に配置される。光線分割鏡５３は、頂点を挟んで二つの反射面５３ａ、５３ｂを有している。そして光線分割鏡５３は、一方の反射面５３ａにて、光束Ｂ１１、Ｂ２１の一部の光束のうち、１／８波長板４４を透過した光束と、光束Ｂ１２、Ｂ２２の一部を検出器５ａへ向けて反射する。また、光線分割鏡５３は、他方の反射面５３ｂにて、１／８波長板４４を透過しなかった光束Ｂ１１、Ｂ２１の他の一部と、光束Ｂ１２、Ｂ２２の他の一部を検出器５ｂへ向けて反射する。
【００２８】
検出器５ａ及び５ｂ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５ａ及び５ｂ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５ａ及び５ｂ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５ａ及び５ｂ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。そして検出器５ａは、光束Ｂ１１、Ｂ２１の一部の光束のうち、１／８波長板４４を透過した光束と、光束Ｂ１２、Ｂ２２の間で生じる白色干渉縞を検出する。一方、検出器５ｂは、光束Ｂ１１、Ｂ２１の一部の光束のうち、１／８波長板４４を透過しなかった光束と、光束Ｂ１２、Ｂ２２の間で生じる白色干渉縞を検出する。ここで上記のように、１／８波長板４４を透過した光束Ｂ１１、Ｂ２１の一部は、１／８波長板４４を透過しない光束Ｂ１１、Ｂ２１の他の一部に対して、位相が９０度ずれる。そのため、検出器５ａにて検出される白色干渉縞と、検出器５ｂにて検出される白色干渉縞とは、互いに位相が９０度ずれたものとなる。このように、１／８波長板４４と検出器５ａは、位相シフト信号生成部として機能する。
【００２９】
図５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器５ａ及び検出器５ｂでそれぞれ取得された白色干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部６３と、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡４５の位置を、白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部６４と、そのピーク位置から被測定物１０の内径Ｄを求める寸法決定部６５と、コントローラ６の各部、位置計測用干渉計５０、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５ａ、５ｂ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。
【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、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４５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、干渉縞の振幅が最大となる。そして、（Ｌ２−Ｌ１）とＤとの差が大きくなるにつれて、干渉縞の振幅の大きさは急激に低下する。したがって、干渉縞の振幅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。
【００３１】
また、移動鏡４５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縞の振幅が最大となる移動鏡４５の位置と、光束Ｂ１２と光束Ｂ２１との間で生じる干渉縞の振幅が最大となる移動鏡４５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。
【００３２】
以下、図６に示したフローチャートを参照しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となるときの移動鏡４５の位置を求める手順について説明する。
まず、コントローラ６の信号合成部６３は、白色干渉縞の振幅が最大となる移動鏡４５の位置、すなわち白色干渉縞のピーク位置を正確に検出するために、検出器５ａから得た干渉信号Ia(x)と検出器５ｂから得た干渉信号Ib(x)とに基づいて、リサージュ波形信号Ilis(x)を求める（ステップＳ１０１）。なお、各信号Ia(x)、Ib(x)、Ilis(x)において、xは移動鏡４５の位置を表す変数である。それら二つの干渉信号Ia(x)、Ib(x)は、互いに対して位相が９０度ずれているが、周期及び振幅に関しては同一である。そのため、信号合成部６３は、以下の式により、リサージュ波形信号Ilis(x)を求めることができる。
【数１】
0004998738.tif 000002
移動鏡４５を移動しつつ検出器５ａ、５ｂで干渉信号を検出する際、各検出器の信号取得周期と白色干渉縞の周期または位相のずれにより、白色干渉縞の強度が最大であるときの干渉信号を取得できない場合がある。特に、移動鏡４５を高速に移動させるほど、白色干渉縞に対する各信号取得点間の間隔が大きくなるので、白色干渉縞の強度が最大であるときの干渉信号を取得できない可能性が高くなる。しかし、リサージュ波形信号Ilis(x)は、そのような周期または位相のずれとは無関係に、移動鏡４５の各位置における白色干渉縞の振幅に相当する値をとる。そのため、リサージュ波形信号Ilis(x)の最大値は、正確に白色干渉縞の最大値と一致する。
【００３３】
次に、コントローラ６のピーク位置決定部６４は、信号合成部６３で得られたリサージュ波形信号の最大値を求める（ステップＳ１０２）。なお、リサージュ波形信号Ilis(x)は、各検出器で取得された白色干渉信号が離散的であれば、そのサンプリング間隔と同一の離散的な信号となる。そこでピーク位置決定部６４は、リサージュ波形信号に対してスプライン補間などの補間演算をおこなって、補間された波形信号に対して最大信号値を求めるようにしてもよい。そしてピーク位置決定部６４は、リサージュ波形信号の最大値となったときの移動鏡４５の位置を、位置計測用干渉計５０から取得する（ステップＳ１０３）。そしてピーク位置決定部６４は、取得した移動鏡４５の位置を、白色干渉縞のピーク位置とする。
【００３４】
図７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。
測定が開始されると、最初に初期化手順として、移動鏡４５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４５の位置を決定する（ステップＳ２０１）。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から出射する光束は、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４５までの距離Ｌ２との差が０のとき、観測される干渉縞の振幅は最大となる。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４７を駆動し、移動鏡４５を移動させる。このとき、コントローラ６は、検出器５ａ及び５ｂから、白色干渉縞に対応する干渉信号をそれぞれ取得する。そして、上記の手順にしたがってリサージュ波形信号を生成する。コントローラ６は、リサージュ波形信号が最大値となったときの移動鏡４５の位置を、位置計測用干渉計５０から受信し、Ｌ１＝Ｌ２となる位置Ｘ0として、コントローラ６の記憶部６１に記憶する。なお、この基準位置は、一度測定すればよく、２回目以降の測定時にはステップＳ２０１の手順を省略してもよい。
【００３５】
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４８を駆動し、第２の干渉計４の移動鏡４５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。その後、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４７を駆動し、移動鏡４５を移動させる。また、コントローラ６は、検出器５ａ及び５ｂから、白色干渉縞に対応する干渉信号をそれぞれ取得する（ステップＳ２０２）。
【００３６】
各干渉信号値を取得すると、コントローラ６は、図６に示した手順に従って、白色干渉縞のピーク位置に対応する移動鏡４５の位置Ｘpを求める（ステップＳ２０３）。
白色干渉縞のピーク位置に対応する移動鏡４５の位置Ｘpが求まると、コントローラ６の寸法決定部６５は、記憶部６１からＬ１＝Ｌ２のときの移動鏡４５の位置Ｘ0を読み出してＸp−Ｘ0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Ｓ２０４）。
【００３７】
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の軸方向に直交する円筒断面内で光束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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
なお、ステップＳ２０１で移動鏡４５の基準位置Ｘ0を測定する代わりに、移動鏡４５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との間で生じる白色干渉縞のピーク位置となる移動鏡４５の位置Ｘp'を、図６に示した手順にしたがって求めてもよい。そして、（Ｘp−Ｘp'）／２の値を計算し、その値を、被測定物１０の内径Ｄとしてもよい。基準位置Ｘ0で観測される干渉信号の強度と、位置Ｘpで観測される干渉信号の強度は、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光量の差のために大きく異なる。一方、位置Ｘpで観測される干渉信号と、位置Ｘp'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Ｘpと位置Ｘp'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Ｘ0と位置Ｘp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５ａ、５ｂ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、白色干渉縞の振幅が最大となる移動鏡４５の位置をより正確に特定することができる。
【００４１】
以上説明してきたように、本発明の第１の実施形態に係る内径測定装置１は、位相が互いに対して９０度ずれた二つの干渉信号を取得し、その二つの干渉信号のリサージュ波形信号を求め、そのリサージュ波形信号の最大信号値に対応する移動鏡４５の位置に基づいて被測定物１０の内径を測定する。そのため、白色干渉縞のサンプリング位置にかかわらず、白色干渉縞のピーク位置となる移動鏡４５の位置を正確に求めることができるので、精度よく被測定物の内径を測定することができる。また内径測定装置１は、干渉信号取得時における移動鏡４５の移動速度（すなわち、干渉信号の取得周期）を変えても、上記の構成を変更することなくリサージュ波形信号を算出することができるので、移動鏡４５の移動速度を速くして、被測定物１０の内径の測定に要する時間を短縮することができる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る内径測定装置１'について説明する。本発明の第２の実施形態に係る内径測定装置１'では、光学的に位相が互いに対して９０度ずれた二つの干渉信号を生成する代わりに、電気的にそのような二つの干渉信号を生成する。なお、以下では、第１の実施形態と相違する点についてのみ説明する。
図８に、本発明の第２の実施形態に係る内径測定装置１'の第２の干渉計４の概略構成図を示す。なお、図８において、図４に示された各部と同一の参照番号を有するものは、図４においてその同一の参照番号を有するものと同一の機能を有する。また、図８に示されていない内径測定装置１'の他の構成（白色光源２、第１の干渉計３など）については、第１の実施形態に係る内径測定装置１と同様の構成を有し、かつ同様の機能を果たすので、以下では説明を省略する。
【００４３】
図８に示すように、内径測定装置１'は、白色干渉縞を検出するために、一つの検出器５を使用する。また、内径測定装置１'は、高周波発振器５４と位相検波器５５と変調器５６をさらに有する。また、内径測定装置１'では、１／８波長板及び光線分割鏡は省略される。
【００４４】
高周波発振器５４は、コントローラ６からの制御信号にしたがって、参照鏡４３に取り付けられた変調器５６へ向けて高周波発振信号を出力する。そして、変調器５６は、白色干渉縞の測定中、その高周波発振信号の発信周波数で参照鏡４３を前後に移動させる。このとき、高周波発振信号の発信周波数は、検出器５で観測される白色干渉縞が、その干渉縞の形成周波数よりも高い周波数で高周波変調されるように設定される。例えば、移動鏡４５が白色光源２の中心波長λの半分に相当する距離を移動する間に、参照鏡４３が数回〜数十回程度前後に往復するよう、その発振周波数は設定される。また参照鏡４３の移動範囲は、λ／４〜λ／２０程度に設定される。なお、変調器５６は、例えば、ピエゾ素子などで構成される。
また、位相検波器５５は、二つの入力端子を有する。一方の入力端子には、検出器５から出力された高周波変調された白色干渉縞に対応する干渉信号が入力される。他方の入力端子には、高周波発振器５４から出力された高周波発振信号が参照信号として入力される。このとき、位相検波器５５は、干渉信号の位相と参照信号の位相を比較することにより、参照信号と同じ周波数を有する信号成分のみを抽出し、その正弦波と余弦波を出力する。そこで、コントローラ６は、位相検波器５５からそれら二つの出力信号を受け取って、二乗平均することにより、白色干渉縞に対応するリサージュ波形信号を得る。
【００４５】
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、１／８波長板４４を、ビームスプリッタ４２と参照鏡４３の間に配置する代わりに、ビームスプリッタ４２と移動鏡４５の間に配置してもよい。また、白色光源２から放出された光が直線偏光である場合、あるいは、第１の光束及び第２の光束が第２の干渉計４に入射する前に、直線偏光器を配置して、第２の干渉計４に入射する第１及び第２の光束を直線偏光とした場合には、光線分割鏡の代わりに、偏光ビームスプリッタを使用することができる。さらに、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。フィゾー型の干渉計を使用する場合、第２の干渉計で分割される光束のうちの一方のみが通る光路上に、その光束の一部のみが透過するように１／８波長板を配置すればよい。
【００４６】
さらに、本発明は、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９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１５に向かう第２の光束とに分割する。また、ビームスプリッタ１３と被測定物１０'の間には、１／８波長板１４が配置される。そして、第１の光束の一部は、ビームスプリッタ１３から被測定物１０'へ向かう際と、被測定物１０'で反射されて逆にビームスプリッタ１３へ向かう際の２度に渡って１／８波長板１４を透過する。第１の光束の他の一部は、１／８波長板１４を透過しない。なお、図４と同様に、図９についても、理解を容易にするために、１／８波長板１４を透過する光束と１／８波長板１４を透過しない光束とを分けて図示した。そのため、第１の光束には、互いに位相が９０度ずれた二つの光束が含まれる。この第１の光束と移動鏡１５で反射された第２の光束とを、ビームスプリッタ１３で再度一つの光束とする。そして、ビームスプリッタ１３を出射した光束は、光線分割鏡１６により、第１の光束のうちの１／８波長板１４を透過した光束及び第２の光束の一部と、第１の光束のうちの１／８波長板１４を透過しなかった光束及び第２の光束の他の一部とに分岐される。それぞれの光束は、検出器１７ａ、検出器１７ｂで検出され、互いに位相が９０度ずれた干渉信号が検出される。検出器１７ａ、１７ｂから出力された信号は、それぞれコントローラ１８に送信される。コントローラ１８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、コントローラ１８は、上記の第１の実施形態について説明したように、各干渉信号からリサージュ波形信号を求める。そしてコントローラ１８は、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡１５の位置Ｘpで、第１の光束と第２の光束との光路差が０となると推定する。最後に、被測定物１０'との関係で予め定められた移動鏡１５の基準位置Ｘ0と、求めた移動鏡１４の位置Ｘp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。
【００４７】
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。その際、検出器にロックインアンプを接続して、互いに対して位相が９０度ずれた二つの干渉信号を取得することができる。または、ビームスプリッタ３３から被測定物１０へ向かう光路上に、光束の一部のみが透過するように１／８波長板を配置し、その１／８波長板を透過した光束とビームスプリッタ３３を直進する光束との間で生成される白色干渉縞と、１／８波長板を透過しない光束とビームスプリッタ３３を直進する光束との間で生成される白色干渉縞とをそれぞれ別の検出器で取得して、互いに対して位相が９０度ずれた二つの干渉信号を取得するようにしてもよい。そして、上記の実施形態と同様にリサージュ波形信号を求めて、その最大信号値に基づいて内径Ｄを測定することができる。
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】
【００４８】
【図１】白色干渉縞及びその包絡線の概略を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る内径測定装置の概略構成図である。
【図３】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４】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５】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６】白色干渉縞の最大振幅に対応する移動鏡の位置を求める手順を示したフローチャートである。
【図７】内径測定装置の動作フローチャートである。
【図８】本発明を適用した第２の実施形態による寸法測定装置の概略構成図である。
【図９】本発明を適用した第３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】
【００４９】
１、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、５ａ、５ｂ、１７ａ、１７ｂ    検出器
６、１８    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
４３    参照鏡
４４、１４    １／８波長板
４５、１５    移動鏡
４６    支持部材
４７    ピエゾ微動ステージ
４８    粗動ステージ
４９    コーナーキューブ
５０    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
５３、１６    光線分割鏡
５４    高周波発振器
５５    位相検波器
５６    変調器
６１    記憶部
６２    通信部
６３    信号合成部
６４    ピーク位置決定部
６５    寸法決定部
６６    制御部
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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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