JP2008309655A - 内径測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、干渉縞の測定に用いる測定光を効率良く利用可能な内径測定装置を提供する。
【解決手段】内径測定装置１は、白色光源２からの光を、被測定物に向かう第１及び第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内径に対応する第１の光路差を生じさせる光束分割手段３４と、白色光源２からの光に、光束分割手段３４上で焦点を結ばせる結像レンズ３２を有する第１の干渉計３と、第１の干渉計３を出射した光束を、第３の光束と移動鏡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の光束を受光する検出器５と、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の最大値に対応する移動鏡４４の位置を測定して第２の光路差を計算することにより、被測定物の内径を求めるコントローラ６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒状の被測定物の内径を測定する内径測定装置に関し、特に、白色干渉を用いた内径測定装置に関する。

従来より、円筒状の部品を、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、シリンダの内径を測定するための干渉計が知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された干渉計では、白色光源から放射された光を、コリメータで平行光とし、シリンダ内に配置されたハーフミラーで二つの光束に分割する。そして、それらの光束は、シリンダの内面または平面鏡で反射された後、例えばシリンダの内径の２倍に相当する光路差を生じて再度ハーフミラーで結合されてシリンダ内から出射する。そして、シリンダ内から出射した光束を、別途設けられた干渉計で再度二つの光束に分割し、シリンダ内で生じた光路差と略等しい光路差を生じさせることにより、白色干渉縞を生じさせる。白色干渉縞は、シリンダ内で生じた光路差と干渉計側で生じさせた光路差とが等しい場合に最大振幅を有するので、干渉計側で生じさせた二つの光束の光路差を測定することにより、正確にシリンダの内径を測定することができる。

植木、大岩、「シリンダの内径測定用干渉計」、計量研究所報告、昭和６３年１月、第３７巻、第１号、p.53-57

ここで、シリンダ内で分岐する二つの光束は、ハーフミラーを複数回透過するかまたは反射されるため、光強度が大きく低下する。さらに、シリンダの内面は、シリンドリカル状の反射面となるため、平行光束が入射すると、シリンダの軸方向に直交する円筒断面内ではそのシリンダの直径によって定まる収束点に集まる収束光として反射される。そして、その光束は、収束点を過ぎると発散光となる。そのため、シリンダの内面で反射された光束の一部しか干渉計に導くことができず、白色干渉を形成するために利用可能な光量がわずかしかないため、干渉縞の観察が難しいという問題点があった。

上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、干渉縞の測定に用いる測定光を効率良く利用可能な内径測定装置を提供することにある。

本発明の一つの実施態様によれば、円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置が提供される。係る内径測定装置は、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内径に対応する第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光束分割手段と、白色光源から放射された光に、光束分割手段上に焦点を結ばせる結像レンズとを有する第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、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移動鏡の位置を測定し、その位置から第２の光路差を計算することにより、被測定物の内径の測定値を求めるコントローラと、を有することを特徴とする。

また、本発明によれば、光束分割手段は半透過面を有し、その半透過面は、白色光源から放射された光のうち、半透過面で反射された光束が第１の光束となり、白色光源から放射された光のうち、半透過面を透過した光束が第２の光束となるように、白色光源から放射された光の光路に対して傾斜して配置され、結像レンズは、第１の光束が半透過面で反射された後に被測定物の円周断面内で発散するように、光束分割手段の半透過面の傾斜方向と被測定物の軸方向を含む面内においては白色光源からの光に焦点を結ばせず、傾斜方向と略直交し、被測定物の軸方向を含む面内においては白色光源からの光に焦点を結ばせるシリンドリカルレンズであることが好ましい。

あるいは、本発明によれば、光束分割手段は、被測定物と対向する面の少なくとも何れかに、光束分割手段を出射する第１の光束を被測定物の軸方向面内において平行光にするシリンドリカルレンズ面を有することが好ましい。
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。

また、本発明の他の実施態様によれば、円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置が提供される。係る内径測定装置は、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内径に対応する第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光束分割手段と、第１の干渉計から出射された第１の光束及び第２の光束に、光束分割手段上に焦点を結ばせる結像レンズとを有する第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、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定し、その位置から第１の光路差を計算することにより、被測定物の内径の測定値を求めるコントローラとを有する。

本発明によれば、白色干渉を用いた円筒状の被測定物の内径寸法測定において、干渉縞の測定に用いる測定光を効率良く利用可能な内径測定装置を提供することが可能となった。

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。ここで、第１の干渉計は、白色光源からの測定光を平行光にするコリメータレンズと、その測定光を被測定物の内側面へ向かう光束と、そのまま直進する光束の二つに分岐させる半透過面を有する光束分割手段であるビームスプリッタと、白色光源からの測定光にビームスプリッタ上で焦点を結ばせる結像レンズであるシリンドリカルレンズを有する。そのシリンドリカルレンズは、ビームスプリッタの半透過面が、白色光源からの測定光の光路に対して傾斜する方向と略直交する方向に対して、その測定光に焦点を結ばせるように配置される。係る構成により、ビームスプリッタの半透過面で反射され、被測定物の内面へ向かう光束は、被測定物の円筒断面内ではビームスプリッタ上の反射面を中心として広がる発散光となり、被測定物の内面で反射されるとビームスプリッタ上に結像する収束光となる。一方、被測定物の軸方向に平行な面内においては、その光束は平行光となる。そのため、被測定物で反射された光のうち、ビームスプリッタを通らない光をなくすことができるので、白色光源からの測定光を、干渉縞を生成するために有効に利用することができる。

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。

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。

図２（ａ）に、第１の干渉計３の概略側面図を示す。また図２（ｂ）に、第１の干渉計３に設置された被測定物１０の概略平面図を示す。第１の干渉計３では、ＸＹＺステージ３８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で平行光とする。その平行光は、第１のシリンドリカルレンズ３２に入射する。シリンドリカルレンズ３２は、入射した平行光の一方向について、後述するビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ上に焦点を結ばせる。シリンドリカルレンズ３２を出射した光は、出射する位置を調整する第１のウェッジプリズム３３に入射する。そして、ウェッジプリズム３３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３４に入射する。その入射光は、ビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ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３４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３４に戻る。ビームスプリッタ３４に戻った光束の一部は、ビームスプリッタ３４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３４に戻る。ビームスプリッタ３４に戻った光束の一部は、ビームスプリッタ３４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３４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３４を出射した後、位置調整用の第２のウェッジプリズム３５に入射し、第２のシリンドリカルレンズ３６に入射するように位置調整される。ウェッジプリズム３５を出射した光束Ｂ１及びＢ２は、シリンドリカルレンズ３６及び集光レンズ３７を経て集光されて第１の干渉計を出射し、光ファイバ８に入射する。

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。
ここで、第１のシリンドリカルレンズ３２は、白色光源２から放射された測定光について、半透過面ＨＭがその測定光の光路に対して傾斜する方向には平行光とし、その傾斜方向と略直交する方向にはビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ上に焦点を結ばせる。すなわち、第１のシリンドリカルレンズ３２は、半透過面ＨＭが白色光源２のからの測定光の光路に対して傾斜する方向と平行な方向の光束には平板ガラスとして機能し、半透過面ＨＭの傾斜方向と略直交する方向の光束には凸レンズとして機能するように配置される。そのため、図２（ｂ）に示すように、光束Ｂ１は、ビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭで反射された後、被測定物１０の軸方向に直交する円筒断面内では、その焦点を中心として発散する発散光となる。そして、光束Ｂ１は、非測定物１０の内面Ｓ１に対してほぼ垂直に入射するので、その内面Ｓ１で反射された後、ビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ上の焦点に収束する収束光となる。そして、ビームスプリッタ３４を透過した後、再びその焦点を中心として発散する発散光となる。その後、光束Ｂ１は、非測定物１０の内面Ｓ２に対してほぼ垂直に入射するので、光束Ｂ１は、その内面Ｓ２で反射された後、再びビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ上の焦点に収束する収束光となる。

一方、図２（ａ）に示すように、被測定物１０の軸方向に平行な面内では、光束Ｂ１は平行光となる。また、その軸方向面内では、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２もそれぞれ平面であるため、光束Ｂ１は、その内面Ｓ１、Ｓ２で反射されても平行光のままである。
したがって、光束Ｂ１は、被測定物１０の円筒断面内においても、軸方向面内においても、ビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭから外れることがない。そのため、光束Ｂ１について、光量低下を抑制することができ、干渉縞の生成に有効に利用できる。

ビームスプリッタ３４を出射した光束Ｂ１は、半透過面ＨＭの傾斜方向と略直交する面内では発散光となる。そこで、光束Ｂ１の半透過面ＨＭの傾斜方向と略直交する方向についても平行光として、光ファイバ８に集光できるように、第２のシリンドリカルレンズ３６を使用する。この第２のシリンドリカルレンズ３６も、第１のシリンドリカルレンズ３２と同様に、半透過面ＨＭが白色光源２のからの測定光の光路に対して傾斜する方向と平行な方向の光束には平板ガラスとして機能し、半透過面ＨＭの傾斜方向と略直交する方向の光束には凸レンズとして機能するように配置される。
また、ビームスプリッタ３４を出射した光束Ｂ２についても、半透過面ＨＭの傾斜方向と略直交する面内では発散光となる。そのため、光束Ｂ２も、第２のシリンドリカルレンズ３６を透過することにより、その面内で平行光となる。したがって、第２のシリンドリカルレンズ３６を透過した光束Ｂ１、Ｂ２ともに、集光レンズ３７で光ファイバ８に良好に入射させることができる。

なお、ＸＹＺステージ３８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３９により駆動される。またステージコントローラ３９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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、被測定物１０の内径Ｄを求めたり、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とを有する。

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３４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。

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３４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。

図４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は、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。そして、コントローラ６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の記憶部に記憶する。

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は、上記と同様に、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、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Ｓ１０２）。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Ｓ１０３）。そして、コントローラ６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とする（ステップＳ１０４）。

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として求めてもよい。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Ｄを求める場合、基準位置Ｐ１と位置Ｐ２の差に基づいて内径Ｄ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。

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、白色光源２からの測定光を、コリメータレンズ３１で平行光とし、シリンドリカルレンズ３２でビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭの測定光の光路に対して傾斜する方向と略直交する面内において、半透過面ＨＭ上の焦点を結ばせる。そのため、半透過面ＨＭで反射され、被測定物１０に向かう光束Ｂ１は、被測定物１０の円筒断面内においては被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射された後、半透過面ＨＭ上に焦点を結ぶように戻る。また、被測定物１０の軸方向面内においては、光束Ｂ１は、内面Ｓ１、Ｓ２で反射されても平行光のまま半透過面ＨＭに戻る。そのため、光束Ｂ１は、ビームスプリッタ３４から外れることがなく、第１の干渉計３から第２の干渉計４へ向けて出射させられるため、白色干渉縞の生成に有効に利用することができる。したがって、観察し易い白色干渉縞を得ることが可能となる。

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、第１の干渉計３のビームスプリッタ３４の代わりに、ハーフミラーを用いてもよい。また、シリンドリカルレンズ３２の代わりに、光軸対称な通常のレンズを用い、白色光源２からの光が、半透過面ＨＭの傾斜方向についても半透過面ＨＭ上に焦点を結ぶようにしてもよい。この場合、ビームスプリッタ３４の被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２に対向する面に、半透過面ＨＭ上の上記の焦点から拡散する光を、被測定物１０の軸方向面内において平行光にするシリンドリカルレンズ面を設けることが好ましい。このように構成することにより、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記の実施形態において、第１のシリンドリカルレンズ３２と第１のウェッジプリズム３３の配置順序を入れ替えてもよい。同様に、第２のウェッジプリズム３５と第２のシリンドリカルレンズ３６の配置順序を入れ替えてもよい。あるいは、コリメータレンズ３１と第１のシリンドリカルレンズ３２を一体に形成してもよく、同様に、第２のシリンドリカルレンズ３６と集光レンズ３７を一体に形成してもよい。さらに、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。

さらに、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３４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。ここで、第１の干渉計３において、シリンドリカルレンズ３６は、被測定物１０の内面Ｓ１、Ｓ２で反射される光束を、ビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭで反射された後に円周断面内で発散光にする。具体的には、シリンドリカルレンズ３６は、光ファイバから出射した二つの光束を、半透過面ＨＭがその測定光の光路に対して傾斜する方向には平行光とし、その傾斜方向と略直交する方向にはビームスプリッタ３４の半透過面ＨＭ上に焦点を結ばせる。このように構成することで、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。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。

本発明を適用した内径測定装置の概略構成図である。 （ａ）は内径測定装置を構成する第１の干渉計の概略側面図であり、（ｂ）は第１の干渉計に設置された被測定物の概略平面図である。 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。 内径測定装置の動作フローチャートである。

符号の説明

１ 内径測定装置
１０ 被測定物
２ 白色光源
３、４ 干渉計
５ 検出器
６ コントローラ
３１ コリメータレンズ
３２、３６ シリンドリカルレンズ
３３、３５ ウェッジプリズム
３４、４２ ビームスプリッタ
３７ 集光レンズ
３８ ＸＹＺステージ
３９ ステージコントローラ
４３ 参照鏡
４４ 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
７，８ 光ファイバ
ＨＭ 半透過面

Claims (4)

1. 円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置であって、
   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内径に対応する第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光束分割手段と、前記白色光源から放射された光に、該光束分割手段上に焦点を結ばせる結像レンズとを有する第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、
   前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定し、該位置から前記第２の光路差を計算することにより、前記被測定物の内径の測定値を求めるコントローラと、
   を有することを特徴とする内径測定装置。
2. 前記光束分割手段は半透過面を有し、該半透過面は、前記白色光源から放射された光のうち、該半透過面で反射された光束が前記第１の光束となり、前記白色光源から放射された光のうち、該半透過面を透過した光束が前記第２の光束となるように、前記白色光源から放射された光の光路に対して傾斜して配置され、
   前記結像レンズは、前記第１の光束が前記半透過面で反射された後に前記被測定物の円周断面内で発散するように、前記半透過面の前記傾斜方向と前記被測定物の軸方向を含む面内においては前記白色光源からの光に焦点を結ばせず、前記傾斜方向と略直交し、前記被測定物の軸方向を含む面内においては前記白色光源からの光に焦点を結ばせるシリンドリカルレンズである、請求項１に記載の内径測定装置。
3. 前記光束分割手段は、前記被測定物と対向する面の少なくとも何れかに、前記光束分割手段を出射する前記第１の光束を前記被測定物の軸方向面内において平行光にするシリンドリカルレンズ面を有する、請求項１に記載の内径測定装置。
4. 円筒状の被測定物の内径寸法を測定する内径測定装置であって、
   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内径に対応する第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光束分割手段と、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の光束に、該光束分割手段上に焦点を結ばせる結像レンズとを有する第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、
   前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定し、該位置から前記第１の光路差を計算することにより、前記被測定物の内径の測定値を求めるコントローラと、
   を有することを特徴とする内径測定装置。

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