JP2011232198A - 斜入射干渉計を用いた測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高さ方向の異なる位置に配置された複数の面の形状を一括でかつ高精度に測定できる斜入射干渉計を用いた測定方法を提供する。
【解決手段】 斜入射干渉計を用いた測定方法は、被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程Ｓ１と、複数の面で反射された測定光を利用して複数の面の形状を測定する面形状測定工程Ｓ２とを備える。また、複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きを測定する傾き測定工程Ｓ３を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、斜入射干渉計を用いて、被測定物を構成する面の形状などを測定する測定方法に関する。

従来、斜入射干渉計を用いて、被測定物の１つの表面の形状を測定する測定方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１の測定方法では、光源からの測定光が被測定物の表面に対して所定の入射角度で入射され、その表面で反射された測定光を利用して表面の干渉縞が得られ、その干渉縞の情報に基づいてその表面の形状が測定される。

ここで、例えば、貫通した貫通穴部を内部に有する軸受け部材のように、測定光の入射面における法線方向（以下、高さ方向という）の異なる位置に略平行に配置された複数の面を有する被測定物においては、貫通穴部を構成する内面の形状と、この内面と高さ方向に異なる位置に略平行に配置された軸受け部材の外面の形状とを一括でかつ高精度に測定したいという要求がある。

さらに、例えば、内部に軸部材が貫通して挿入配置され、その軸部材に対して相対移動する軸受け部材のように、高さ方向の異なる位置に略平行に配置されて互いに相対移動する複数の面を有する被測定物においては、軸部材の外面の形状と、軸部材の外面と高さ方向の異なる位置に略平行に配置されて相対移動する軸受け部材の外面の形状とを一括でかつ高精度に測定したいという要求がある。

特開２０１０−３２３４２号公報

しかし、特許文献１に記載の測定方法は単一の面の形状を測定する測定方法であり、高さ方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面の形状を測定することはできない。
また、貫通穴部を構成する内面の形状を測定するときには、貫通穴部の貫通方向に延びる棒状の支持部を有し、支持部が固定部に片持ち支持され、支持部の先端に接触式のプローブが設けられた検出器が用いられる。そうすると、内面形状の測定の際に、支持部がたわみ、検出器がたわむなどして測定誤差が生じる。
さらに、互いに相対移動する軸受け部材の外面と軸部材の外面とについて、それらの外面形状を高精度に測定することは難しく、測定誤差が生じる。

本発明の目的は、高さ方向の異なる位置に配置された複数の面の形状を一括でかつ高精度に測定できる斜入射干渉計を用いた測定方法を提供することである。

本発明の斜入射干渉計を用いた測定方法は、被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、前記複数の面で反射された測定光を利用して前記複数の面の形状を測定する面形状測定工程と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面の形状を一括でかつ高精度に測定できる。例えば、被測定物が、貫通した貫通穴部を内部に有する軸受け部材の場合には、貫通穴部を構成する内面の形状と、軸受け部材の外面の形状とを一括でかつ高精度に測定できる。また、例えば、被測定物が、内部に軸部材が貫通して挿入配置され、その軸部材に対して相対移動する軸受け部材の場合には、軸受け部材の外面の形状と軸部材の外面の形状とを一括でかつ高精度に測定できる。

本発明の斜入射干渉計を用いた測定方法は、被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、前記複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きを測定する傾き測定工程と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きを一括でかつ高精度に測定できる。

本発明の斜入射干渉計を用いた測定方法は、互いに相対移動する被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置されて互いに相対移動する複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、前記被測定物が相対移動しているときの、前記複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きの変化を測定する傾き変化測定工程と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、互いに相対移動する被測定物において、測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きの変化を一括でかつ高精度に測定できる。

本発明の実施形態に係る測定方法において使用される斜入射干渉計を示す概略図。 本発明の第１実施形態に係る測定方法において被測定物となる軸受け部材を示す斜視図。 軸受け部材の内側下面の干渉縞画像と外側上面の干渉縞画像の様子を模式的に示す図、 本発明の第１実施形態に係る測定方法を示すフローチャート、 本発明の第１実施形態に係る測定方法において被測定物となる軸受け部材の変形例を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る測定方法において被測定物となる軸受け部材を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る測定方法を示すフローチャート。 （Ａ）は図６に示す軸受け部材が移動する前の状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態のときの、軸部材の外面の干渉縞画像と軸受け部材の外面の干渉縞画像の様子を模式的に示す図。 （Ａ）は図６に示す軸受け部材が移動した後の状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態のときの、軸部材の外面の干渉縞画像と軸受け部材の外面の干渉縞画像の様子を模式的に示す図。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、各実施形態において、同一の構成部分には同じ符号を付すとともに、それらの説明を省略または簡略化する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、斜入射干渉計１は、光源１１と、コリメータ１２と、ビームスプリッタ１３，１６と、反射ミラー１４，１５と、検出器１７とから構成され、本実施形態では、光源１１から出射された光によって被測定物としての軸受け部材１００の内側下面１０１の形状および外側上面１０２の形状などが測定される。よって、内側下面１０１と外側上面１０２とは、後述する測定光Ｌ２が入射される入射面である。

図２に示すように、軸受け部材１００は四角形の断面を有する略直方体で、内部に、軸受け部材１００の長手方向に貫通して形成され、図示しない軸部材などが挿入配置される貫通穴部としての受け部１０３を有する。軸受け部材１００は、外側上面１０２を取り付け面として、図示しない機器などに取り付けられる。受け部１０３を構成する内面のうち、図２中下側にある面が内側下面１０１であり、軸受け部材１００の外面のうち、図２中上側にある面が外側上面１０２である。内側下面１０１と外側上面１０２とは、後述する測定光Ｌ２の入射面の法線方向（以下、高さ方向という。）の異なる位置に略平行に配置されている。本実施形態では、内側下面１０１と外側上面１０２とが図１において略水平となるように軸受け部材１００が配置される。

図１に戻って、光源１１は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ等であり、ビームスプリッタ１３に向かって可干渉光を出射する。光源１１から出射された光は、コリメータ１２によってビーム径がより大きな平行光Ｌ１とされた後、ビームスプリッタ１３に入射される。なお、以下では、図１において、光Ｌ１のうち、内側下面１０１に入射する光を一点鎖線で示す光Ｌ１１とし、外側上面１０２に入射する光を点線で示す光Ｌ１２とする。後述する測定光Ｌ２についても同様にする。

ビームスプリッタ１３は、光Ｌ１を測定光Ｌ２と参照光Ｌ３とに分割する。すなわち、光Ｌ１１は測定光Ｌ２１と参照光Ｌ３１とに分割され、光Ｌ１２は測定光Ｌ２２と参照光Ｌ３２とに分割される。
測定光Ｌ２は反射ミラー１４に向かって直進し、参照光Ｌ３はビームスプリッタ１６に向かって進む。

反射ミラー１４は、軸受け部材１００の内側下面１０１と外側上面１０２に対して設置角度θ１だけ傾けられて設置されており、入射された測定光Ｌ２を内側下面１０１と外側上面１０２に向けて反射させる。反射ミラー１４は図示しない回動装置によって回動可能であり、この回動装置によって反射ミラー１４が回動させられて設置角度θ１が変化させられる。
反射ミラー１４で反射された測定光Ｌ２のうち、測定光Ｌ２１が内側下面１０１の法線に対して入射角度θ２で内側下面１０１に入射され、測定光Ｌ２２が外側上面１０２の法線に対して入射角度θ２で外側上面１０２に入射される。
軸受け部材１００の内側下面１０１に入射された測定光Ｌ２１と外側上面１０２に入射された測定光Ｌ２２とは反射ミラー１５に向けて反射される。

反射ミラー１５は、軸受け部材１００の内側下面１０１と外側上面１０２に対して設置角度θ３だけ傾けられて設置されており、内側下面１０１で反射された測定光Ｌ２１および外側上面１０２で反射された測定光Ｌ２２を反射してビームスプリッタ１６に入射させる。反射ミラー１５は図示しない回動装置によって回動可能であり、この回動装置によって反射ミラー１５が回動させられて設置角度θ３が変化させられる。設置角度θ３を変化させることにより、内側下面１０１で反射された測定光Ｌ２１および外側上面１０２で反射された測定光Ｌ２２をビームスプリッタ１６に確実に入射させることができる。

ビームスプリッタ１６は、反射ミラー１５で反射された測定光Ｌ２をビームスプリッタ１３で分割された参照光Ｌ３と合成する。この合成によって光の干渉が起こり、干渉光Ｌ４が生成されて検出器１７に送られる。すなわち、測定光Ｌ２１と参照光Ｌ３１とが合成されて干渉光Ｌ４１が生成されて検出器１７に送られ、測定光Ｌ２２と参照光Ｌ３２とが合成されて干渉光Ｌ４２が生成されて検出器１７に送られる。
反射ミラー１５では、反射される測定光Ｌ２の光軸とビームスプリッタ１６で反射される参照光Ｌ３の光軸とが重なるように、軸受け部材１００の内側下面１０１と外側上面１０２とで反射された測定光Ｌ２が反射される。よって、ビームスプリッタ１６は、入射してくる測定光Ｌ２と参照光Ｌ３とを互いの光軸が重なるように合成して干渉光Ｌ４を生成する。

検出器１７は撮像素子であり、図３に示すように、検出器１７では、干渉光Ｌ４１によって内側下面１０１の干渉縞画像１０１ａが検出され、同時に、干渉光Ｌ４２によって外側上面１０２の干渉縞画像１０２ａが検出される。
検出器１７では、干渉縞画像１０１ａと干渉縞画像１０２ａとに基づいて、内側下面１０１の形状および外側上面１０２の形状などが算出される。

次に、図４に基づいて、以上のような斜入射干渉計１によって、軸受け部材１００の内側下面１０１の形状および外側上面１０２の形状と、外側上面１０２に対する内側下面１０１の傾きとを測定する本実施形態の測定方法を説明する。以下では、各測定動作をＳ１，Ｓ２，Ｓ３で示す。

まず、Ｓ１の測定光入射工程では、反射ミラー１４の設置角度θ１を所定角度に設定し、光源１１から可干渉光を出射させる。これにより、反射ミラー１４で反射された測定光Ｌ２１が内側下面１０１に入射角度θ２で入射し、反射ミラー１４で反射された測定光Ｌ２２が外側上面１０２に入射角度θ２で入射する。すると、図３に示すように、検出器１７によって、内側下面１０１の干渉縞画像１０１ａと外側上面１０２の干渉縞画像１０２ａとが同時に検出される。

そして、Ｓ２の面形状測定工程で、検出器１７で検出された干渉縞画像１０１ａと干渉縞画像１０２ａとに基づいて、内側下面１０１の形状と外側上面１０２の形状とを算出する。その後、Ｓ３の傾き測定工程で、検出器１７で検出された干渉縞画像１０１ａと干渉縞画像１０２ａとに基づいて、内側下面１０１の代表面および外側上面１０２の代表面を算出する。この代表面は、干渉縞画像１０１ａと干渉縞画像１０２ａとに基づいて、例えば最小二乗法によって算出される最小二乗平面である。そして、外側上面１０２の代表面に対する内側下面１０１の代表面の傾きを算出して外側上面１０２に対する内側下面１０１の傾きを算出する。なお、Ｓ２の工程の前にＳ３の工程を行ってもよい。

以上のような本実施形態の斜入射干渉計１を用いた測定方法では、以下の効果がある。
本実施形態の測定方法では、Ｓ１の測定光入射工程とＳ２の面形状測定工程とを備えているため、高さ方向の異なる位置に略平行に配置された内側下面１０１の形状と外側上面１０２の形状とを一括でかつ高精度に測定できる。
また、Ｓ１の測定光入射工程とＳ３の傾き測定工程とを備えているため、外側上面１０２に対する内側下面１０１の傾きも一括でかつ高精度に測定できる。

斜入射干渉計１によって測定される被測定物としての軸受け部材は、図２に示す軸受け部材１００には限定されない。
図５の（Ａ）に示すように、貫通した受け部１１１が内部に形成された円筒形状の軸受け部材１１０であってもよい。この場合には、内側下面１１２の形状および内側下面１１２と高さ方向に異なる位置に略平行に配置された外側上面１１３の形状と、外側上面１１３に対する内側下面１１２の傾きが算出される。なお、内側下面１１２と外側上面１１３とは曲面であるが、斜入射干渉計１では、内側下面１１２の局所的な平面形状と外側上面１１３の局所的な平面形状とが測定される。

または、図５の（Ｂ）に示すように、右側方が開放されて貫通した受け部１２１が形成され、コの字形状の断面を有する軸受け部材１２０であってもよい。この場合には、内側下面１２２の形状および内側下面１２２と高さ方向に異なる位置に略平行に配置された外側上面１２３の形状と、外側上面１２３に対する内側下面１２２の傾きが算出される。

あるいは、図５の（Ｃ）に示すように、上側の一部分が開放されて貫通した受け部１３１が形成され、略Ｃ字形状の断面を有する軸受け部材１３０であってもよい。この場合には、内側下面１３２の形状および内側下面１３２と高さ方向に異なる位置に略平行に配置された外側上面１３３の形状と、外側上面１３３に対する内側下面１３２の傾きが算出される。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の斜入射干渉計１を用いた測定方法について説明する。
本実施形態では、図６に示すように、被測定物は、軸部材２００と、内部に軸部材２００が貫通して挿入配置され、固定された軸部材２００に沿って軸部材２００に対して図６中左右方向の所定の移動範囲を移動可能とされた軸受け部材２０１とである。
本実施形態では、図１に示す斜入射干渉計１を用いて、軸部材２００の外側上面２０２の形状および外側上面２０２と高さ方向に異なる位置に略平行に配置された軸受け部材２０１の外側上面２０３の形状と、軸受け部材２０１が移動しているときの外側上面２０２に対する外側上面２０３の傾きの変化が測定される。

図７に示すように、まず、Ｓ４の測定光入射工程では、反射ミラー１４の設置角度θ１を所定角度に設定し、軸受け部材２０１を図８の（Ａ）に示すような軸受け部材２００における図６中左側に配置し、光源１１から可干渉光を出射させる。これにより、反射ミラー１４で反射された測定光Ｌ２１が軸部材２００の外側上面２０２に入射角度θ２で入射し、反射ミラー１４で反射された測定光Ｌ２２が軸受け部材２００の外側上面２０３に入射角度θ２で入射する。そして、軸受け部材２０１を図８の（Ａ）に示す位置から図８中右方向に移動させる。

このとき、検出器１７では、図８の（Ｂ）や図９の（Ｂ）に示すように、所定の時間間隔で連続して外側上面２０２の干渉縞画像２０２ａと外側上面２０３の干渉縞画像２０３ａとが同時に検出される。例えば、軸受け部材２０１が図８の（Ａ）に示す位置にあるときは、図８の（Ｂ）に示すように干渉縞画像２０２ａと干渉縞画像２０３ａとが同時に検出される。そして、軸受け部材２０１が図８の（Ａ）に示す位置から図９の（Ａ）に示す位置に移動されると、軸部材２００は動かないため干渉縞画像２０２ａも動かないが、干渉縞画像２０３ａは、図８の（Ｂ）に示す位置から図９の（Ｂ）に示す位置に移動される。

その後、Ｓ５の面形状測定工程で、検出器１７で検出された干渉縞画像２０２ａと干渉縞画像２０３ａとに基づいて、外側上面２０２の形状と外側上面２０３の形状とを算出する。また、Ｓ６の傾き変化測定工程では、まず、検出器１７で検出された干渉縞画像２０２ａと干渉縞画像２０３ａとに基づいて、所定の時間間隔ごとの外側上面２０２の代表面および外側上面２０３の代表面を算出する。そして、所定の時間間隔ごとの外側上面２０２の代表面に対する外側上面２０３の代表面の傾きを算出し、軸受け部材２０１が図８中右方向に移動しているときの外側上面２０２に対する外側上面２０３の傾きの変化を算出する。
なお、図８の（Ｂ）や図９の（Ｂ）に示される黒い部分は、軸受け部材２０１があることにより、軸部材２００の外側上面２０２からの干渉光Ｌ４１の一部が検出器１７には入射しないため影となっている部分である。しかし、図８の（Ｂ）や図９の（Ｂ）に白抜きで示されるように、軸部材２００の外側上面２０２からの干渉光Ｌ４１の他の一部が検出器１７に入射するため、その入射する干渉光Ｌ４１に基づいて干渉縞画像２０２ａが検出器１７で検出される。よって、Ｓ５の面形状測定工程やＳ６の傾き変化測定工程では、干渉縞画像２０２ａを用いることが可能となっている。また、Ｓ５の工程の前にＳ６の工程を行ってもよい。

以上のような本実施形態の斜入射干渉計１を用いた測定方法では、以下の効果がある。
本実施形態の測定方法では、Ｓ４の測定光入射工程とＳ５の面形状測定工程とＳ６の傾き変化測定工程とを備えているため、軸部材２００と軸受け部材２０１とが互いに相対移動していても、高さ方向に異なる位置に略平行に配置された外側上面２０２の形状および外側上面２０３の形状と、外側上面２０２に対する外側上面２０３の傾きの変化とを一括でかつ高精度に測定できる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、被測定物として軸受け部材について説明したが、高さ方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面を有するものであれば、軸受け部材以外の部材であってもよい。
また、前記実施形態では、高さ方向に異なる位置に略平行に配置された２つの面について説明したが、３つ以上の面であってもよい。

前記第２実施形態では、軸部材２００が固定され、軸部材２００に対して軸受け部材２０１が移動可能とされているが、逆に、軸受け部材２０１が固定され、軸受け部材２０１に対して軸部材２００が移動可能とされていてもよい。または、軸部材２００と軸受け部材２０１との両方が移動して相対移動していてもよい。
また、前記第２実施形態では、軸受け部材２０１を図８の（Ａ）に示すような軸受け部材２００における図６中左側に配置して、図８の（Ａ）に示す位置から図８中右方向に移動させているが、逆に、軸受け部材２０１を軸受け部材２００における図６中右側に配置して、その位置から図６中左側に移動させてもよい。
また、前記第２実施形態では、軸部材２００の外側上面２０２に対する軸受け部材２０１の外側上面２０３の傾きの変化を算出しているが、例えば、軸部材２００の左右両端側に真直基準器を配置し、真直基準器の上面の高さ位置を外側上面２０２の高さ位置と同じ位置として、この真直基準器の上面に対する外側上面２０３の傾きの変化を算出してもよい。
また、前記第２実施形態では、Ｓ５の面形状測定工程を行っているが、この工程を行わなくてもよい。

本発明は、斜入射干渉計を用いて、被測定物を構成する面の形状などを測定する測定方法に好適に利用することができる。

１…斜入射干渉計、
１００，１１０，１２０，１３０，２０１…軸受け部材（被測定物）、
１０１，１１２，１２２，１３２…内側下面（面）、
１０２，１１３，１２３，１３３，２０２，２０３…外側上面（面）、
２００…軸部材（被測定物）、
Ｌ２，Ｌ２１，Ｌ２２…測定光、
Ｓ１，Ｓ４…測定光入射工程、
Ｓ２，Ｓ５…面形状測定工程、
Ｓ３…傾き測定工程、
Ｓ６…傾き変化測定工程

Claims (3)

1. 被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、
   前記複数の面で反射された測定光を利用して前記複数の面の形状を測定する面形状測定工程と、を備えることを特徴とする斜入射干渉計を用いた測定方法。
2. 被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置された複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、
   前記複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きを測定する傾き測定工程と、を備えることを特徴とする斜入射干渉計を用いた測定方法。
3. 互いに相対移動する被測定物における測定光の入射面の法線方向の異なる位置に略平行に配置されて互いに相対移動する複数の面に測定光を入射させる測定光入射工程と、
   前記被測定物が相対移動しているときの、前記複数の面のいずれか１つの面に対する他の面の傾きの変化を測定する傾き変化測定工程と、を備えることを特徴とする斜入射干渉計を用いた測定方法。

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