JP2004020212A - 表面性状測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】参照体の軸ずれを精度よく調整することで、測定精度を向上し測定作業を能率化する。
【解決手段】ダイアモンド圧子１６の先端部からの反射光と、参照体６６からの反射光とを干渉させ、生じた干渉縞をＣＣＤカメラ４４で観測することにより先端部の表面性状を測定すると共に、参照球７０からの反射光に基づいて参照球７０の曲率半径を測定する構成において、参照体６６を干渉光学系から参照体６６への照射光路に対し交差方向に移動させる参照体位置調整機構８８を、参照体位置制御部が参照体６６からの反射光に基づいて制御する。参照体６６の軸ずれを精密に調整でき、測定精度の向上と作業の能率化を実現できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面性状測定器に関し、特に曲率を有する表面を備えた被検体の表面性状を測定する表面性状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検体表面の粗さ、うねり、形状等の表面性状を測定するために、様々な光学機器が利用されている。代表的なものは、着目している被検体の表面部分に対して参照面を用意し、前記表面部分と参照面からの反射光により生成される干渉縞を利用して、着目している被検体の表面性状を測定するものである。
【０００３】
被検体の一例として、機械部品等の硬度測定に使用されるダイアモンド圧子があげられる。ロックウエル硬さ試験機はダイアモンド圧子を試験体に押し込み、そのくぼみの寸法により試験体の硬度を測定するものである。圧入されるダイアモンド圧子は、先端部の頂部を曲率半径０．２ｍｍの球面に加工した頂角１２０°の円錐形状のものが使用される。この円錐形状の頂角及び曲率半径の誤差は硬度測定の結果に大きく影響するため、硬度測定を行う前にそれらの誤差を正確に見積もる必要がある。
【０００４】
円錐形状の頂角の測定装置として知られているリンニク（Ｌｉｎｎｉｋ）顕微干渉光学系（計量研究所報告　Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，８７ｐ）では、参照平面と円錐の母線との干渉縞に基づいて頂角を求めている。
【０００５】
先端球面の曲率半径の測定に関しては、干渉計を用いた方法以外に、例えば計量研究所報告（　Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，７９ｐ　）に示されている顕微コリメータ法が知られている。顕微コリメータ法は、球面の先端と曲率中心とに光源の像を結像した場合に観察される光量がピークになることを利用したものである。
【０００６】
すなわち、図８（ｂ）に示すように、被検体側対物レンズ内のレンズ１４ａにより集光された光の反射光を検出しながら、被検体を照射光路に沿って接近させていくと、観測される光強度は徐々に変化し、ダイアモンド圧子の頂点７０ｂに合焦する配置の場合（図８（ａ）中、Ｚ３の位置に頂点７０ｂがある場合）に第一のピークＰ１として現れ、一旦減少して極小点を経た後再び上昇し始め、照射光が曲率中心で結像する配置（図８（ａ）中、Ｚ４の位置に頂点７０ｂがある場合）において第二のピークＰ２を持つ（図８（ａ）参照）。後者は、レンズ１４ａから入射してきた光線が入射方向と逆向きに反射（正反射）されるためである。こうして得られたピークＰ１，Ｐ２間の距離をリニアエンコーダを使用して精密測定することにより、先端部の頂部の曲率半径の値を測定することができる。
【０００７】
ところで、上述のダイアモンド圧子の測定において曲率半径と円錐形状の頂角の測定を行うには、それぞれ別個の装置を使用しなければならなかった。それゆえ、測定毎に新たにダイアモンド圧子を各々の装置にセッティングしなければならず、また、測定毎にそのセッティング誤差を評価しなければならない等、段取りや測定にかなりの時間を要していた。
【０００８】
このため出願人は、単一の装置により、被検体と参照体からの各々の反射光による干渉縞に基づく被検体の表面性状測定と、顕微コリメータ法による被検体の曲率半径測定とを行うようにした測定器を提案している（特開２００２−５４９１０号公報）。この構成によれば、被検体の表面性状を能率よく測定でき、またセッティング誤差も僅少で済むという利点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、顕微コリメータ法による被検体の曲率半径測定を行う場合に、集光レンズによる照射光路が参照体の軸から大きく外れると、上記第２のピークが検出できず曲率半径を測定できなくなるおそれがあり、また干渉縞による表面性状の測定精度も低下してしまう。
【００１０】
そこで本発明の目的は、参照体の軸ずれを精度よく調整することで、測定精度を向上し測定作業を能率化することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、請求項１に記載のとおり、光源からの光により照射された被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、前記参照体からの反射光を集光する集光光学系と、前記参照体を並進移動させて前記集光光学系により集光された光の変化に基づいて前記参照体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、を備えた表面性状測定器において、前記参照体を前記干渉光学系から参照体への照射光路に対し交差方向に移動させる参照体位置調整機構と、前記参照体位置調整機構を前記参照体からの反射光に基づいて制御する参照体制御部と、を更に備えた表面性状測定器である。
【００１２】
第１の本発明では、参照体を干渉光学系から参照体への照射光路に対し交差方向に移動させる参照体位置調整機構を、参照体制御部が参照体からの反射光に基づいて制御するので、参照体の軸ずれを精密に調整でき、測定精度の向上と作業の能率化を実現できる。
【００１３】
第２の本発明は、請求項２に記載のとおり、請求項１に記載の表面性状測定器において、前記参照体における合焦点が前記参照体における合焦基準点から所定範囲内となるように、前記参照体制御部が前記参照体位置調整機構を制御することを特徴とする表面性状測定器である。
【００１４】
第２の本発明では、参照体における合焦点が参照体における合焦基準点から所定範囲内となるように、参照体制御部が参照体位置調整機構を制御するので、参照体の軸ずれ補正を簡易な構成により実現できる。
【００１５】
第３の本発明は、請求項３に記載のとおり、請求項２に記載の表面性状測定器において、前記合焦基準点が、前記参照体における光源への最近点であることを特徴とする表面性状測定器である。
【００１６】
第３の本発明では、光源への最近点を合焦基準点としたので、光源に向けて凸な形状の参照体において軸ずれ調整を好適に実行できる。
【００１７】
第４の本発明は、請求項４に記載のとおり、請求項１ないし３のいずれか１に記載の表面性状測定器において、前記参照体を前記照射光路と同方向に並進移動させる並進機構を更に備えた表面性状測定器である。前記並進機構は、ステッピングモータを含む粗動機構と、インチワームモータを含む微動機構から構成することができる。
【００１８】
第４の本発明では、参照体に非平行光を照射する場合に、並進機構によって参照体を照射光路と同方向に並進移動させることにより、参照体の表面における照度が変化するため、これを参照体の軸ずれ補正に利用することができる。
【００１９】
第５の本発明は、請求項５に記載のとおり、請求項１ないし４のいずれか１に記載の表面性状測定器において、前記被検体からの反射光を集光する集光光学系と、前記被検体を並進移動させて前記集光光学系により集光された光の変化に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、を更に備えた表面性状測定器である。
【００２０】
第５の本発明では、被検体を並進移動させた際の反射光の変化に基づいて、曲率半径測定部が被検体の曲率半径を測定するので、被検体の曲率半径測定をも実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）につき、図面に従って説明する。図１において、本実施形態に係る表面性状測定器１０は、被検体として用いられるダイアモンド圧子１６の先端部の表面性状、円錐形状の頂角、および円錐形状の先端部の曲率半径を測定するものであり、光学系１、光源としてのレーザヘッド２、圧子位置調整機構８６、および参照体位置調整機構８８を含んで構成されている。
【００２２】
圧子位置調整機構８６は、ダイアモンド圧子１６の位置および姿勢を調整するものであり、ＸＹステージ８６ａ、並進機構８６ｂ、回転機構８６ｃおよび傾斜機構８６ｄを含んで構成されている。
【００２３】
ＸＹステージ８６ａは、照射光軸に対して直交方向の面内（以下、直交面内）にダイアモンド圧子１６を移動させる機構であり、水平方向および鉛直方向を動作方向とし、各方向についてそれぞれ粗動機構と微動機構とを備えている。粗動機構にはステッピングモータとマイクロメータ機構の組み合わせが使用されており、その可動範囲は５ｍｍである。微動機構には圧電素子が使用されており、その可動範囲は２０μｍである。ＸＹステージ８６ａは、後述する位置制御部８２の制御により、０．０１μｍの分解能で直交面内の移動を制御できる。
【００２４】
並進機構８６ｂは、ダイアモンド圧子１６を照射光軸と同方向に並進移動させる機構であり、ステッピングモータとマイクロメータ機構の組み合わせからなる粗動機構と、インチワームモータ５２からなる微動機構とを備えている。並進機構８６ｂは、後述する位置制御部８２の制御により、ダイアモンド圧子１６の並進移動位置を０．０１μｍの分解能で制御できる。
【００２５】
回転機構８６ｃは、ダイアモンド圧子１６をその軸線を中心として回転させる機構であり、ステッピングモータが使用されている。この回転機構８６ｃにより、ダイアモンド圧子１６の表面の任意の母線に光を照射することができる。
【００２６】
傾斜機構８６ｄは、照射光軸に直交する軸を中心としてダイアモンド圧子１６を傾斜させる機構であり、圧電素子が使用されている。この傾斜機構８６ｄにより、ダイアモンド圧子１６は照射光軸に対してピッチ方向に±３０°まで傾斜することができ、これによってダイアモンド圧子１６の姿勢を微調整できる。
【００２７】
参照体位置調整機構８８は、参照体６６の位置を調整するものであり、圧子位置調整機構８６におけるものとそれぞれ略同様のＸＹステージ８８ａ、並進機構８８ｂ、回転機構８８ｃおよび傾斜機構８８ｄを含んで構成されている。
【００２８】
すなわち、ＸＹステージ８８ａは、照射光軸に対して直交方向の面内（以下、直交面内）に参照体６６を移動させる機構であり、水平方向および鉛直方向を動作方向とし、各方向についてそれぞれ粗動機構と微動機構とを備えている。粗動機構にはステッピングモータとマイクロメータ機構の組み合わせが使用されており、その可動範囲は５ｍｍである。微動機構には圧電素子が使用されており、その可動範囲は２０μｍである。ＸＹステージ８８ａは、後述する位置制御部８２の制御により、０．０１μｍの分解能で直交面内の移動を制御できる。
【００２９】
並進機構８８ｂは、参照体６６を照射光軸と同方向に並進移動させる機構であり、ステッピングモータとマイクロメータ機構の組み合わせからなる粗動機構と、インチワームモータ１５２からなる微動機構とを備えている。並進機構８８ｂは、後述する位置制御部８２の制御により、参照体６６の並進移動位置を０．０１μｍの分解能で制御できる。
【００３０】
回転機構８８ｃは、参照体６６をその軸線を中心として回転させる機構であり、ステッピングモータが使用されている。この回転機構８８ｃにより、参照体６６を任意の姿勢に保持することができる。
【００３１】
傾斜機構８８ｄは、照射光軸に直交する軸を中心として参照体６６を傾斜させる機構であり、圧電素子が使用されている。この傾斜機構８８ｄにより、参照体６６は照射光軸に対してピッチ方向に±３０°まで傾斜することができ、これによって参照体６６の姿勢を微調整できる。
【００３２】
リニアエンコーダ５４，１５４は、ダイアモンド圧子１６または参照体６６の照射光軸方向の移動距離を読み取るために使用される。ロータリエンコーダ８０，１８０は、ダイアモンド圧子１６または参照体６６を照射光軸に直交する軸を中心として回転させたときの回転角度を読み取るために使用される。
【００３３】
図２は光学系１の内部構造を示し、特に、顕微コリメータ光学系により、集光光学系を利用して、ダイアモンド圧子１６の先端部の曲率半径を測定する場合の使用状態を示す。
【００３４】
レーザヘッド２（図１参照）から光ファイバ１８を通じて入射するレーザ光は、ピンホール１２から出射し、被検体側対物レンズ１４によって集光され、ダイアモンド圧子１６の先端部１７に照射される。
【００３５】
ここで、光ファイバ１８からの光は光アイソレータ１９を挟むレンズ２０，２２により集光され、その後、回転拡散板２４により拡散される。光アイソレータ１９は偏光板１９ａとλ／４板１９ｂとから構成されており、光アイソレータ１９を回転させることにより光量の調節が行える。また回転拡散板２４は干渉ノイズ低減のために設けられる。拡散された光はレンズ２６，２８によってピンホール１２に集光され、その後、レンズ３０により平行光束となりビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２により反射された光束は被検体側対物レンズ１４によってダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。
【００３６】
次に、ダイアモンド圧子１６の先端部１７により反射された光は、被検体側対物レンズ１４に戻り、レンズ３６によりフォトセンサ４２に集光され、更にレンズ３８，４０によりＣＣＤカメラ４４に集光される。
【００３７】
その際、被検体側対物レンズ１４からの光束はビームスプリッタ４６により分割され、一方はレンズ３６によってピンホール４８に集光された後、フォトセンサ４２にて検出される。検出光は電気信号に変化され解析部５０（図５参照）に送られる。分割されたもう一方の光束はレンズ３８及びレンズ４０により集光されＣＣＤカメラ４４にて測定される。
【００３８】
虹彩絞り５６は可変であり、ダイアモンド圧子１６の頂部の曲率を有する領域の大きさに応じて開口数を調整することが可能であり、本実施形態においては最大０．６５に設定可能である。
【００３９】
他方、ビームスプリッタ３２により分割された光のうち参照体側対物レンズ５８に向かう光束は、シャッタ６０により選択的に遮光可能とされている。シャッタ６０は、入射する光束が反射されて被検体側対物レンズ１４からの光束と干渉しない様に、吸収効率の高い材質で構成される。後述するように、干渉光学系により圧子の表面性状を測定する場合は、このシャッタ６０は開いて使用される。すなわち、シャッタ６０は曲率半径測定用の集光光学系と表面性状測定用の干渉光学系の測定を切換える役割の一部を果たしている。なお、簡略化のため図示していないが、被検体または参照体の位置調整及び測定を行う場合、調整／測定を行う側の他方はシャッタを閉じておくため、虹彩絞り５６の前、すなわちビームスプリッタ３２と虹彩絞り５６との間の光路上にもシャッタを設けることが好適である。
【００４０】
図３（ａ）はダイアモンド圧子１６の側面図であり、図３（ｂ）はダイアモンド圧子１６の先端部１７の一部（図３（ａ）における点線囲み部）を拡大した図である。ダイアモンド圧子１６は周知のロックウエルダイアモンド圧子であり、その先端部１７は略円錐形状をなし、且つその頂部１７ａが所定の曲率半径をもつ球面の一部となるように加工されている。円錐形状の頂角は略１２０°であり、頂部１７ａの曲率半径は略０．２ｍｍである。
【００４１】
図４（ａ）は参照体６６の側面図であり、図４（ｂ）は参照体６６の正面図である。参照体６６は、円盤状の基盤６８における平坦面の略中央部に、参照球７０を接着してなる。基盤６８において参照球７０を囲む領域に、参照平面７２が形成されている。後述するように、参照球７０はダイアモンド圧子１６の頂部１７ａの曲率半径を測定する場合に使用され、また参照平面７２は、ダイアモンド圧子１６の先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合に使用される。
【００４２】
図５は本実施形態に係る制御系の概念図である。位置制御部８２は、圧子位置調整機構８６及び参照体位置調整機構８８に接続されている。圧子位置調整機構８６及び参照体位置調整機構８８に配設されているロータリエンコーダ８０，１８０およびリニアエンコーダ５４，１５４の出力は、それぞれ位置制御部８２に入力され、ダイアモンド圧子１６と参照体６６との現在位置および姿勢が常時検出可能となっている。また位置制御部８２には、例えばキーボードおよびマウスからなる入力装置８５が接続されている。
【００４３】
解析部５０は、フォトセンサ４２およびＣＣＤカメラ４４に接続されており、これによりフォトセンサ４２からの光強度信号、ＣＣＤカメラ４４により検出された干渉縞の画像情報等が解析部５０に入力される。また解析部５０の出力側は位置制御部８２及び表示装置８４に接続されており、例えば光信号の強度変化や、干渉縞の画像等を出力可能となっている。
【００４４】
なお、解析部５０、位置制御部８２、表示装置８４および入力装置８５は、これらの機能を実行するコンピュータハードウェアおよびプログラムとして周知のパーソナルコンピュータに実装されている。
【００４５】
本実施形態では、ダイアモンド圧子１６の頂部１７ａの表面性状測定と、円錐形状の頂角の測定とに対する測定切換に対応して、参照球７０及び参照平面７２の切換操作が行われるが、この切換操作は参照体位置調整機構８８を介して位置制御部８２で行われる。
【００４６】
なお解析部５０は、ダイアモンド圧子１６の位置と光信号の強度の相関を示すグラフ（図８（ａ）参照）、ＣＣＤカメラ４４からの干渉縞の位相情報データに基づいて解析した頂部１７ａの曲率半径、表面性状及び円錐形状の頂角等を、表示装置８４に出力して表示させる。
【００４７】
以上のとおり構成された実施形態の動作について説明する。本実施形態の表面性状測定器１０によって、ダイアモンド圧子１６の頂部１７ａの曲率半径を求める場合には、その測定に先立って、参照体６６の位置調整を行う。すなわち、図６に示すように、いま、参照体６６を照射光路と同方向に並進移動させると、フォトセンサ４２で検出される光量が変化する。図６（ａ）において、縦軸は参照球７０の頂点７０ｂ（すなわち、参照球７０における光源への最近点）の位置を、また横軸はフォトセンサ４２が検出する光の強度を表す。図６（ｂ）は参照体側対物レンズ５８により集光された光が、参照球７０の頂点７０ｂに結像する様子を示している。
【００４８】
すなわち、照射光が参照体側対物レンズ５８内部のレンズ５８ａにより、参照球７０の頂点７０ｂに結像する配置の場合（図６（ａ）中、Ｚ１の位置に頂点７０ｂがある場合）、頂点７０ｂで反射された光は、参照球７０が理想的な球面形状であると仮定すると全てレンズ５８ａに戻るため、フォトセンサ４２により観測される光強度はその位置で極大となり、第一のピークＰ１として現れる（図６（ａ）参照）。
【００４９】
次に、参照球７０をレンズ５８ａ側に向けて更に移動すると（図６（ｂ）矢印参照）、光の強度は一旦減少するが極小点を経た後、再び上昇し始め、照射光が参照球７０の曲率中心７０ｃで結像する配置（図６（ａ）中、Ｚ２の位置に頂点７０ｂがある場合）において第二のピークＰ２を持つ（図６（ａ）参照）。これは、レンズ５８ａから入射してきた光線が入射方向と逆向きに反射（正反射）されるためである。ピークＰ１とＰ２間の距離を、リニアエンコーダ１５４（図１参照）を使用して精密測定することにより、参照球７０の曲率半径の値を測定することができる。
【００５０】
以上は、参照球７０の頂点７０ｂが照射光路の光軸Ａ上に正確に配置されている場合である。しかしながら実際には、参照体６６をセットした時点で参照球７０の頂点７０ｂが光軸Ａ上に正確に配置されることはまれであり、通常は図７に示すとおり、Ｘ方向およびＹ方向のわずかの誤差を含むことになる。そこで本実施形態では、参照体６６からの反射光に基づいて位置制御部８２が参照体位置調整機構８８を制御し、参照体６６を照射光路に対して交差方向（図中ＸＹ方向）に移動させ、参照球７０における合焦点を、参照球７０における合焦基準点としての頂点７０ｂと一致（ないし、所定の許容範囲内で一致）させる。
【００５１】
このうち、参照体６６のＸＹ方向の軸ずれ調整に係る制御は、具体的には例えば、ＣＣＤカメラ４４から得られる画像データにパターンマッチングなどの所定の画像処理を施して、参照球７０の現在のＸＹ方向の軸ずれ量を求め、これらが０になるようにＸＹステージ８６ａを駆動することで実現できる。また参照体６６のＺ方向の制御は、例えば参照球７０上の照射面積ないし照射面の直径を画像処理により求め、この値が所定値以内になるように、並進機構８６ｂを駆動することで実現できる。このようにして参照球７０の頂点７０ｂを、図６（ｂ）のように照射光路の光軸に一致させたのち、上述の方法によって参照球７０の曲率半径の値を測定することになる。
【００５２】
以上のとおり参照体６６の位置調整を完了させ、次にダイアモンド圧子１６の測定を行う。図８に示すように、いま、ダイアモンド圧子１６を照射光路と同方向に並進移動させると、フォトセンサ４２で検出される光量が変化する。図８（ａ）において、縦軸はダイアモンド圧子１６の頂点７０ｂの位置を、また横軸はフォトセンサ４２が検出する光の強度を表す。図８（ｂ）は被検体側対物レンズ１４により集光された光が、ダイアモンド圧子１６の頂部７０ｂに結像する様子を示している。
【００５３】
すなわち、照射光が被検体側対物レンズ１４内部のレンズ１４ａにより、ダイアモンド圧子１６の頂点７０ｂに結像する配置の場合（図８（ａ）中、Ｚ３の位置に頂点７０ｂがある場合）、頂点７０ｂで反射された光は、頂部７０ｂが理想的な球面形状であると仮定すると全てレンズ１４ａに戻るため、フォトセンサ４２により観測される光強度はその位置で極大となり、第一のピークＰ１として現れる（図８（ａ）参照）。
【００５４】
次に、ダイアモンド圧子１６をレンズ１４ａ側に向けて移動すると（図８（ｂ）矢印参照）、光の強度は一旦減少するが極小点を経た後、再び上昇し始め、照射光が曲率中心で結像する配置（図８（ａ）中、Ｚ４の位置に頂点７０ｂがある場合）において第二のピークＰ２を持つ（図８（ａ）参照）。これは、レンズ１４ａから入射してきた光線が入射方向と逆向きに反射（正反射）されるためである。ピークＰ１とＰ２間の距離を、リニアエンコーダ５４（図１参照）を使用して精密測定することにより、頂部７０ｂの曲率半径の値を測定することができる。
【００５５】
以上は、ダイアモンド圧子１６の頂点７０ｂが照射光路の光軸Ｂ上に正確に配置されている場合である。ダイアモンド圧子１６をセットした時点で頂点７０ｂが光軸Ｂ上に正確に配置されていない場合には、先に参照球７０について行ったのと同様の方法により、測定前に予め、ＸＹ方向およびＺ方向の軸ずれ調整を行う必要がある。
【００５６】
次に、リンニク顕微干渉光学系により、参照球７０を利用して、ダイアモンド圧子１６の頂部７０ｂの表面性状を測定する場合の動作につき、図９に従って説明する。
【００５７】
図９において鎖線で囲まれた各部材は、曲率半径測定に使用された光学機器のうち、表面性状測定には使用されないものであるため、ここでは邪魔にならない適宜の位置に退避させる。なお、このように測定方法に応じて光学機器の配置を変更する操作や、前述のシャッタ６０の開閉などの操作は、手作業で行ってもよいし、これらを自動的に行うための操作機構を新たに設けてもよい。なお、干渉光学系による測定の際には、シャッタ６０は常に開いた状態で使用される。
【００５８】
この状態において、光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程は、図２についての説明箇所と同様である。ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、その後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射し、ダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照球７０の表面上に集光される。
【００５９】
ダイアモンド圧子１６の先端部１７への照射光は、被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照球７０への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束とは、いずれもレンズ６２，６４を通過してＣＣＤカメラ４４に入射する。そしてＣＣＤカメラ４４では、ダイアモンド圧子１６の頂部１７ａの曲率半径と参照球７０の曲率半径とがわずかに異なれば、曲率半径の違いに対応した干渉縞が観測される。
【００６０】
なお、干渉縞を利用して表面性状を測定する方法としては、フリンジスキャン法（縞走査干渉法）が知られており、この方法は、ＰＺＴ７４により参照体６６を照射光軸方向に微少振動させ、それにともなう干渉縞の変化を利用し、頂部１７ａの表面性状を計測するものである。
【００６１】
ＣＣＤカメラ４４で検出された表面性状のデータを解析部５０（図５参照）で解析することにより、例えば頂部１７ａの表面のうねり等の表面情報、頂部１７ａの各点の曲率等を知ることができる。また、解析部５０は各点の曲率に基づいて平均曲率を算出してもよい。
【００６２】
次に、リンニク顕微干渉光学系により、参照平面７２を利用して、先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合の動作につき、図１０に従って説明する。
【００６３】
図１０において鎖線で囲まれた各部材は、前述の参照球７０を用いた表面性状測定で使用されるが円錐形状の頂角の測定では使用されないものであるため、ここでは適宜の邪魔にならない位置に退避させる。
【００６４】
この状態において、光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程は、図２についての説明箇所と同様である。ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、レンズ３１により光束を適宜集光した後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射しダイアモンド圧子１６の先端部１７の円錐形状の母線部１７ｄ（図３（ｂ）参照）に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照平面７２に集光される。
【００６５】
参照体位置調整機構８８によって、照射対象として参照球７０または参照平面７２を選択することができ、参照体選択は参照体６６を照射光軸と交差する方向に移動する手段、すなわちＸＹステージ８８ａにより行う。ここでは頂角の測定のために、参照平面７２が選択される。
【００６６】
ダイアモンド圧子１６の母線部１７ｄへの照射光は被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照平面７２への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。
【００６７】
ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束はレンズ３８，４０を通過した後、それらによる干渉縞がＣＣＤカメラ４４により観測される。
【００６８】
ＣＣＤカメラ４４において観測される干渉縞は図１１（計量研究所報告Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４　第８９頁）に示す様な細長い形状である。干渉縞の延びている方向に等間隔目盛が付されており、干渉縞の長さが測定できる。
【００６９】
ダイアモンド圧子１６を回転させ、前述の干渉縞が最も長くなる位置、すなわち照射光軸と母線部１７ｄのなす角度が略垂直になったときの配置をまず基点とする。次に、先ほどの回転方向とは逆にダイアモンド圧子１６を回転させ、基点で観測される干渉縞と同様に、干渉縞が最も長くなるような配置を終点として、基点から終点までの回転角をロータリエンコーダ８０を使って読み取る。その回転角に基づいて円錐形状の頂角が求められる。終点での配置は照射光軸と母線部１７ｅ（図３（ｂ）参照）のなす角度が略垂直になった場合に対応する。
【００７０】
以上のとおり、本実施形態では、参照体６６を干渉光学系から参照体６６への照射光路に対し交差方向に移動させる参照体位置調整機構８８を、参照体制御部としての位置制御部８２が参照体６６からの反射光に基づいて制御するので、参照体６６の軸ずれを精密に調整でき、測定精度の向上と作業の能率化を実現できる。
【００７１】
また本実施形態では、参照体６６における合焦点が参照体６６における合焦基準点から所定範囲内となるように、位置制御部８２が参照体位置調整機構８８を制御するので、参照体６６の軸ずれ補正を簡易な構成により実現できる。
【００７２】
また本実施形態では、参照体６６における光源への最近点を合焦基準点としたので、光源に向けて凸な形状の参照体において軸ずれ調整を好適に実行できる。
【００７３】
また本実施形態では、参照体６６に非平行光を照射する場合に、並進機構８８ｂによって参照体６６を照射光路と同方向に並進移動させることにより、参照体６６の表面における照度が変化するため、これを参照体６６の軸ずれ補正に利用することができる。
【００７４】
また本実施形態では、参照体６６を並進移動させた際の反射光の変化に基づいて、解析部５０が参照球７０の曲率半径を測定するので、干渉縞を利用した参照体６６の表面性状測定に加えて、参照体６６（参照球７０）の曲率半径測定をも実現できる。
【００７５】
また本実施形態では、被検体としてのダイアモンド圧子１６を並進移動させた際の反射光の変化に基づいて、解析部５０がダイアモンド圧子１６の先端の曲率半径を測定するので、被検体の曲率半径測定をも実現できる。
【００７６】
また本実施形態では、ダイアモンド圧子１６に照射される光の光軸が、曲率半径を測定する集光光学系のものと頂部１７ａの表面性状及び円錐形状の頂角を測定する干渉光学系のものと一致しているので、測定を連続して行う場合、一つの測定から次の測定に移行する際のセッティングに要する時間を大幅に短縮でき、また被検体のセッティングに係る誤差、光学系の部品点数等を軽減できる。
【００７７】
なお、上記実施形態では、参照体６６やダイアモンド圧子１６を照射する照射光路の光軸と、反射光の光軸とを一致させることとしたが、このような構成に代えて、照射光路の光軸と反射光の光軸とが交差する構成としてもよく、かかる構成によっても本発明に所期の効果を実現できる。
【００７８】
また、上記実施形態では、参照体６６における合焦基準点を頂点７０ｂとしたが、本発明における合焦基準点としては参照体６６における任意の点を選択できる。また、上記実施形態では参照体６６における参照面を球面および平面としたが、参照面の形状は、球面でなくても曲率を有する表面（すなわち、参照体の表面の一部であって近似的に球面の一部とみなせるもの）とするなど、任意の形状を選択できる。また上記実施形態では、表面性状としてダイアモンド圧子１６の頂角を求めることとしたが、本発明にいう表面性状とは、光学的に検出しうる被検体の表面のあらゆる情報を含み、例えば被検体の表面の粗さやうねりを表面性状として検出してもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、光源を単一のレーザヘッド２としたが、本発明では複数の光源を備えてこれらを測定の目的に応じて選択的に使用する構成としてもよい。例えば、被検体の表面性状のうち、粗さなどスケールが非常に小さい構造を測定する場合、目的に応じて波長及びコヒーレンスの程度が異なった光源を集光／干渉光学系それぞれ独立に用意することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の概略構成を示す平面図である。
【図２】光学系の構成であって、ダイアモンド圧子の先端部の曲率半怪を測定する場合の使用状態を示す説明図である。
【図３】ダイアモンド圧子を示し、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその要部拡大図である。
【図４】参照体を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図である。
【図５】制御系の概略構成を示すブロック図である。
【図６】（ａ）は検出される光の強度を示すグラフ、（ｂ）はこれに対応する参照球の位置を示す平面図である。
【図７】参照球の軸ずれが生じている場合の照射光路との関係を示す平面図である。
【図８】（ａ）は検出される光の強度を示すグラフ、（ｂ）はこれに対応するダイアモンド圧子の位置を示す平面図である。
【図９】光学系の構成であって、ダイアモンド圧子の先端部の表面性状を測定する場合の使用状態を示す説明図である。
【図１０】光学系の構成であって、ダイアモンド圧子の円錐形状の頂角を測定する場合の使用状態を示す説明図である。
【図１１】参照平面を使用した場合の干渉縞を示す図である。
【符号の説明】
１　光学系、１４　被検体側対物レンズ、１６　ダイアモンド圧子、１７　先端部、１８　光ファイバ、３６，３８，４０　レンズ、４２　フォトセンサ、４４　ＣＣＤカメラ、５２　インチワームモータ、５４　リニアエンコーダ、５８参照体側対物レンズ、６６　参照体、７０　参照球、７２　参照平面、７４　ＰＺＴ、８０　ロータリエンコーダ、８６　圧子位置調整機構、８８　参照体位置調整機構、８６ａ，８８ａ　ＸＹステージ、８６ｂ，８８ｂ　並進機構、８６ｃ，８８ｃ　回転機構、８６ｄ，８８ｄ　傾斜機構。

Claims (5)

1. 光源からの光により照射された被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、
   前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、
   前記参照体からの反射光を集光する集光光学系と、
   前記参照体を並進移動させて前記集光光学系により集光された光の変化に基づいて前記参照体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、
   を備えた表面性状測定器において、
   前記参照体を前記干渉光学系から参照体への照射光路に対し交差方向に移動させる参照体位置調整機構と、
   前記参照体位置調整機構を前記参照体からの反射光に基づいて制御する参照体制御部と、
   を更に備えた表面性状測定器。
2. 請求項１に記載の表面性状測定器において、
   前記参照体における合焦点が前記参照体における合焦基準点から所定範囲内となるように、前記参照体制御部が前記参照体位置調整機構を制御することを特徴とする表面性状測定器。
3. 請求項２に記載の表面性状測定器において、
   前記合焦基準点が、前記参照体における光源への最近点であることを特徴とする表面性状測定器。
4. 請求項１ないし３のいずれか１に記載の表面性状測定器において、
   前記参照体を前記照射光路と同方向に並進移動させる並進機構を更に備え、
   前記並進機構は、ステッピングモータを含む粗動機構と、インチワームモータを含む微動機構からなることを特徴とする表面性状測定器。
5. 請求項１ないし４のいずれか１に記載の表面性状測定器において、
   前記被検体からの反射光を集光する集光光学系と、
   前記被検体を並進移動させて前記集光光学系により集光された光の変化に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、
   を更に備えた表面性状測定器。

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