JP4947301B2 - Dimension measuring apparatus and dimension measuring method - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a dimension measuring apparatus and a dimension measuring method, and more particularly to a dimension measuring apparatus and a dimension measuring method using white interference.
従来より、加工部品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。例えば、白色干渉を用いて、デジタルカメラのフランジバックを測定する測定装置が知られている(特許文献1参照)。特許文献1に記載された測定装置では、白色光源から放射された光を、ビームスプリッタで第1の光路と第2の光路に分割する。そして、第1の光路に向かった光は、第1の光路に沿って移動可能な長さ測定用の参照鏡で反射される。一方、第2の光路に向かった光は、カメラのフランジと接触可能な基準面に、固定的に取り付けられたカメラの撮像素子で反射される。参照鏡及び撮像素子で反射された光は、ビームスプリッタで一つに合わせられ、検出器で検出される。ここで、参照鏡を第1の光路に沿って移動させることにより、第1の光路を通った光と第2の光路を通った光の白色干渉縞の最大光量となる参照鏡の位置を検出する。そして、その参照鏡の位置に基づいて、フランジから撮像素子までの長さを検出する。
Conventionally, a method using the principle of white interference has been proposed as a method for accurately measuring the dimension or surface roughness of a processed part in a non-contact manner. For example, a measuring apparatus that measures the flange back of a digital camera using white light interference is known (see Patent Document 1). In the measuring apparatus described in
また、被測定物からの弱い反射光を高感度で検出するために、干渉縞を走査する干渉計と計測用の干渉計とを別個に設ける測定方法も開発されている(特許文献2参照)。 In addition, in order to detect weak reflected light from the object to be measured with high sensitivity, a measurement method in which an interferometer that scans interference fringes and an interferometer for measurement are separately provided has been developed (see Patent Document 2). .
上記のような白色干渉を用いた測定方法では、正確な測定を行うために、白色干渉縞の最大光量となる位置、すなわち、白色干渉縞のピーク位置を高精度で検出することが必要となる。しかし、実際の測定においては、光束を反射する被測定物の表面状態、例えば、表面粗さ、その表面に存在する水分の量による位相染み込みなどの条件が異なることにより、そのピーク位置が変動する。そのため、被測定物の寸法を高精度で求めるためには、被測定物の表面状態を考慮する必要がある。 In the measurement method using white interference as described above, in order to perform accurate measurement, it is necessary to detect the position of the white interference fringe with the maximum light amount, that is, the peak position of the white interference fringe with high accuracy. . However, in actual measurement, the peak position fluctuates due to different conditions such as the surface state of the object to be measured that reflects the light beam, for example, the surface roughness, phase penetration due to the amount of moisture present on the surface, and the like. . Therefore, in order to obtain the dimension of the measurement object with high accuracy, it is necessary to consider the surface state of the measurement object.
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、被測定物の表面状態によらず、測定対象寸法を正確に測定できる寸法測定装置及び寸法測定方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a dimension measuring apparatus and a dimension measuring method capable of accurately measuring a dimension to be measured regardless of the surface state of an object to be measured in dimension measurement using white interference. There is.
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、放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、白色光源ユニット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、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、干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、干渉信号から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の中心波長または第2の中心波長について、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長または第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第2の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値または第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部とを有する。
なお、被測定物の測定対象寸法の真値とは、測定光の中心波長に依存しない、したがって、光の染み込みなどがないとした場合の、測定対象寸法の値をいう。
According to one embodiment of the present invention, a dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured is provided. Such a dimension measuring apparatus is configured to measure a white light source unit capable of setting a central wavelength of emitted light to at least one of a first central wavelength and a second central wavelength, and light emitted from the white light source unit. A first optical path that branches into a first light beam and a second light beam that are directed toward the object, reflects the first light beam on the object to be measured, and corresponds to a measurement target dimension of the object to be measured between the second light beam and the second light beam A first interferometer that generates a difference and emits the first and second light beams in accordance with one light beam, a reference mirror having a fixed position, and a movable mirror that is movable along the optical path A second interferometer having the first interferometer splitting the light beam emitted from the first interferometer into a third light beam directed toward the reference mirror and a fourth light beam directed toward the movable mirror; A second interferometer that produces a second optical path difference with the four light fluxes, and receives the third and fourth light fluxes. , Detecting an interference signal generated when the first optical path difference and the second optical path difference are substantially equal, outputting a signal corresponding to the interference signal, and obtaining a measurement target dimension of the object to be measured from the interference signal Has a controller.
The controller includes a peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength, and the first center measured by the peak position measuring unit. Wavelength dependent dimension determination for obtaining the first measurement value or the second measurement value of the measurement target dimension of the object to be measured by calculating the second optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the wavelength or the second center wavelength And the true value of the measurement target dimension of the object to be measured in accordance with the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimension of the object to be measured from the first measurement value or the second measurement value obtained by the wavelength dependent dimension determination unit. A size estimation unit for estimation.
The true value of the measurement target dimension of the object to be measured refers to the value of the measurement target dimension when it does not depend on the center wavelength of the measurement light and therefore there is no light penetration.
また、係る寸法測定装置は、第1の干渉計と第2の干渉計との間に配置される光ファイバをさらに有し、第1の干渉計を出射した光束は、光ファイバを通じて第2の干渉計に入射することが好ましい。 The dimension measuring apparatus further includes an optical fiber disposed between the first interferometer and the second interferometer, and the light beam emitted from the first interferometer is transmitted through the optical fiber through the second optical fiber. It is preferably incident on the interferometer.
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、放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、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の光束と前記第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、干渉信号から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の中心波長または第2の中心波長について、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長または第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第1の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値または第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部とを有する。
According to another embodiment of the present invention, a dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured is provided. Such a dimension measuring device includes a white light source unit capable of setting the central wavelength of emitted light to at least one of the first central wavelength and the second central wavelength, a reference mirror having a fixed position, and an optical path. A first movable interferometer having a movable mirror, wherein the light emitted from the white light source is branched into a first light beam directed toward the reference mirror and a second light beam directed toward the movable mirror, A first interferometer that generates a first optical path difference between the first light flux and the second light flux, and the first light flux and the second light flux emitted from the first interferometer are measured. A second optical path that branches into a third light beam and a fourth light beam that are directed toward the object, reflects the third light beam on the object to be measured, and corresponds to the measurement target dimension of the object to be measured between the fourth light beam and the fourth light beam A second interferometer that produces a difference so that the third and fourth light beams are emitted in accordance with one light beam; A detector that receives the fourth light flux, detects an interference signal that is generated when the first optical path difference and the second optical path difference are substantially equal, and outputs a signal corresponding to the interference signal; A controller for obtaining a measurement target dimension of the object to be measured;
The controller includes a peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength, and the first center measured by the peak position measuring unit. Wavelength-dependent dimension determination for obtaining the first measurement value or the second measurement value of the measurement target dimension of the object to be measured by calculating the first optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the wavelength or the second center wavelength And the true value of the measurement target dimension of the object to be measured in accordance with the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimension of the object to be measured from the first measurement value or the second measurement value obtained by the wavelength dependent dimension determination unit. A size estimation unit for estimation.
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、放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、白色光源ユニット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の光束に分岐して、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、干渉計を出射した第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、その間賞信号から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の中心波長または第2の中心波長について、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長または第2の中心波長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、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値または第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部とを有する。 According to still another embodiment of the present invention, a dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured is provided. Such a dimension measuring apparatus has a white light source unit capable of setting the center wavelength of emitted light to at least one of the first center wavelength and the second center wavelength, and a movable mirror movable along the optical path. An interferometer that splits the light emitted from the white light source unit into a first light beam directed to the object to be measured and a second light beam directed to the moving mirror, and reflects the first light beam by the object to be measured. An interferometer that generates an optical path difference between the first light flux and the second light flux, and the first light flux and the second light flux emitted from the interferometer, and the optical path length of the first light flux, A detector for detecting an interference signal generated when the optical path lengths of the second light flux are substantially equal, and outputting a signal corresponding to the interference signal; and a controller for obtaining a measurement target dimension of the object to be measured from the award signal . The controller includes a peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength, and the first center measured by the peak position measuring unit. By calculating the difference between the position of the movable mirror with respect to the wavelength or the second central wavelength and the reference position of the predetermined movable mirror, the first measurement value or the second measurement of the measurement target dimension of the object to be measured The wavelength-dependent dimension determining unit for obtaining the value, and the first measured value or the second measured value obtained by the wavelength-dependent dimension determining unit according to the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimension of the measured object. A dimension estimation unit that estimates the true value of the measurement target dimension.
また、本発明によれば、コントローラは、被測定物として基準用被測定物を用い、基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、異なる中心波長を持つ複数の白色光で基準用被測定物の測定対象寸法を測定して得られるそれぞれの波長依存寸法と中心波長とを関連付けて記録することにより、基準用被測定物の測定対象寸法の波長依存特性を表す参照テーブルを記憶した記憶部をさらに有し、寸法推定部は、記憶部に記憶された参照テーブルを参照して、第1の中心波長に対する基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法を求め、第1の測定値と第1の波長依存寸法との差を算出し、基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、差を加えた値を被測定物の測定対象寸法の真値とすることが好ましい。 Further, according to the present invention, the controller uses the reference measurement object as the measurement object, and the reference measurement object includes a true value of the measurement target dimension of the reference measurement object and a plurality of white lights having different center wavelengths. A memory that stores a reference table that represents the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimensions of the reference measurement object by associating and recording the respective wavelength-dependent dimensions obtained by measuring the measurement target dimensions of the measurement object and the center wavelength. The dimension estimating unit refers to the reference table stored in the storage unit to obtain a first wavelength-dependent dimension of the measurement target dimension of the reference measurement object with respect to the first center wavelength; The difference between the measured value of 1 and the first wavelength-dependent dimension is calculated, and the value obtained by adding the difference to the true value of the measurement target dimension of the reference measurement object is the true value of the measurement target dimension of the measurement object. It is preferable.
あるいは、コントローラは、被測定物として基準用被測定物を用い、基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、異なる中心波長を持つ複数の白色光で基準用被測定物の測定対象寸法を測定して得られるそれぞれの波長依存寸法と中心波長とを関連付けて記録することにより、基準用被測定物の測定対象寸法の波長依存特性を表し、第1の光束が反射する基準用被測定物の面の状態に応じて作成された複数の参照テーブルを記憶した記憶部をさらに有し、寸法推定部は、第1の測定値と第2の測定値の差を第1の変化量として算出し、複数の参照テーブルのそれぞれについて、第1の中心波長及び第2の中心波長のそれぞれに対する基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法及び第2の波長依存寸法の差を第2の変化量として算出し、複数の参照テーブルのそれぞれについて算出された第2の変化量のうち、第1の変化量との差が最も少ないものに対応する参照テーブルを選択し、第1の測定値と選択された参照テーブルについて求めた第1の波長依存寸法との差を算出し、基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、差を加えた値を被測定物の測定対象寸法の真値とすることが好ましい。 Alternatively, the controller uses the reference measurement object as the measurement object, and the measurement target dimension of the reference measurement object with a plurality of white lights having different center wavelengths from the true value of the measurement target dimension of the reference measurement object By recording the wavelength-dependent dimensions obtained by measuring the wavelength and the center wavelength in association with each other, the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimensions of the reference measurement object are represented, and the reference measurement object reflected by the first light flux is displayed. The apparatus further includes a storage unit that stores a plurality of reference tables created according to the state of the surface of the object, and the size estimation unit uses a difference between the first measurement value and the second measurement value as a first change amount. The difference between the first wavelength-dependent dimension and the second wavelength-dependent dimension of the measurement target dimension of the reference object to be measured for each of the first center wavelength and the second center wavelength is calculated for each of the plurality of reference tables. Is calculated as the second change amount Among the second change amounts calculated for each of the plurality of reference tables, a reference table corresponding to the one having the smallest difference from the first change amount is selected, and the first measurement value and the selected reference table are selected. The difference from the first wavelength-dependent dimension obtained with respect to is calculated, and a value obtained by adding the difference to the true value of the measurement target dimension of the reference measurement object is the true value of the measurement target dimension of the measurement object. preferable.
また、本発明のさらに他の実施態様によれば、放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニット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、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、干渉信号に対応する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が提供される。
係る寸法測定方法は、第1の中心波長及び第2の中心波長のそれぞれについて、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するステップと、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長及び第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第2の光路差をそれぞれ計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値及び第2の測定値を求めるステップと、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値及び第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定するステップと、を有することを特徴とする。
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。
According to still another embodiment of the present invention, the light emitted from the white light source unit capable of setting the central wavelength of the emitted light to at least either the first central wavelength or the second central wavelength is used. The first light beam and the second light beam that are directed to the object to be measured are branched into the first light beam, the first light beam is reflected by the object to be measured, and the second light beam corresponds to the measurement target dimension of the object to be measured. A first interferometer that generates an optical path difference of 1 and emits a first light beam and a second light beam in accordance with one light beam, a reference mirror having a fixed position, and a movable movement along the optical path A second interferometer having a mirror, wherein the light beam emitted from the first interferometer is branched into a third light beam directed toward the reference mirror and a fourth light beam directed toward the movable mirror, A second interferometer that produces a second optical path difference between the luminous flux and the fourth luminous flux; and the third interferometer and the fourth luminous flux. Then, there is provided an object to be measured in a measurement system having a detector that detects an interference signal generated when the first optical path difference and the second optical path difference are substantially equal and outputs a signal corresponding to the interference signal. The
The dimension measuring method includes a step of measuring the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for each of the first center wavelength and the second center wavelength, and the first position measured by the peak position measuring unit. Obtaining a first measurement value and a second measurement value of the measurement target dimension of the object to be measured by calculating a second optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the center wavelength and the second center wavelength, respectively. The true value of the measurement target dimension of the object to be measured is estimated from the first measurement value and the second measurement value obtained by the wavelength dependent dimension determination unit according to the wavelength dependency characteristic of the measurement object dimension of the measurement object. And a step.
In each of the above embodiments, the white light source is not limited to a light source that emits light in a broad band in the visible light range, but a light source that emits light in a certain wavelength band with a predetermined wavelength as a center wavelength.
本発明によれば、白色干渉を用いた寸法測定において、被測定物の表面状態によらず、測定対象寸法を正確に測定できる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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it became possible to provide the dimension measuring apparatus and dimension measuring method which can measure a measuring object dimension correctly irrespective of the surface state of a to-be-measured object in the dimension measurement using white interference.
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、白色光源ユニットからの光を第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。その際、内径測定装置は、白色光源ユニットから出射される光の中心波長を変化させ、各中心波長について干渉縞が最大信号値となる移動鏡の位置を求めて、中心波長に依存した内径の測定値を算出する。そして、算出したそれらの測定値から、その波長依存特性にしたがって、被測定物の内径の真値を推定する。
Hereinafter, embodiments in which the present invention is applied to an inner diameter measuring device that measures the inner diameter of a cylindrical object to be measured, such as a ring gauge and a cylinder, will be described with reference to the drawings.
An inner diameter measuring apparatus to which the present invention is applied causes light from a white light source unit to enter a first interferometer, and the first interferometer generates two light beams having an optical path difference corresponding to the inner diameter of the object to be measured. To do. The two light beams are incident on the second interferometer, and the light beams are divided and interfered with each other in two optical paths that generate an optical path difference substantially equal to the optical path difference, thereby generating white interference fringes. Then, the inner diameter of the object to be measured is obtained by detecting the maximum signal value of the white interference fringe with a detector and measuring the optical path difference between the two optical paths of the second interferometer. At that time, the inner diameter measuring device changes the center wavelength of the light emitted from the white light source unit, obtains the position of the movable mirror where the interference fringe becomes the maximum signal value for each center wavelength, and determines the inner diameter depending on the center wavelength. Calculate the measured value. Then, the true value of the inner diameter of the object to be measured is estimated from the calculated measurement values according to the wavelength dependence characteristics.
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、放射する光の中心波長を変更可能な白色光源ユニット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。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an inner
白色光源ユニット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。また、白色光源ユニット2は、放射する光の中心波長を複数の波長の中から選択可能に構成される。そのために、白色光源ユニット2は、中心波長の異なる複数の白色光源と、それらの白色光源のうち、コントローラ6からの制御信号に基づいて選択した光源のみを発光させる制御回路などで構成される。白色光源ユニット2を構成する白色光源として、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。本実施形態では、白色光源ユニット2を構成する白色光源として、中心波長が1550nm、1200nmの2種類の赤外LEDを用いた。
The white
図2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を出射する際に合わさって出射する。光束B1と光束B1は、ビームスプリッタ33を出射した後、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の干渉計を出射し、光ファイバ8に入射する。
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the first interferometer 3. In the first interferometer 3, two
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。
At this time, since the light beam B1 emitted from the first interferometer 3 reciprocates between the inner surfaces S1 and S2 of the object to be measured 10, if the inner diameter of the object to be measured 10 is D, the light beam B1 and the light beam B2 2D, a 2D optical path difference occurs. Then, the
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の円筒面内で光束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。
The
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。
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the second interferometer 4. The light beams B1 and B2 emitted from the
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。
A
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。
The movable mirror 44 is attached to the
If the interference signal is continuously measured during the movement while moving the movable mirror 44, the piezo
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。
A
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。
The detector 5 outputs the detected light quantity as an electrical signal. As the detector 5, for example, a semiconductor detection element such as a photodiode, CCD, or C-MOS can be used. In this embodiment, a detector in which CCD elements are arranged in a two-dimensional array is used as the detector 5.
The detector 5 is electrically connected to the
図4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、検出された光量及び移動鏡44の位置に基づいて、干渉信号の最大値に対応する移動鏡44の位置を測定するピーク位置測定部63と、測定された移動鏡44の位置から、測定光の中心波長に対応する被測定物10の内径Dの測定値を求める波長依存寸法測定部64と、その測定値から、内径Dの真値を推定する寸法推定部65と、コントローラの各部、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66とを有する。
FIG. 4 shows a functional block diagram of the
The
Further, the
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、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。
Hereinafter, an operation for measuring the inner diameter of the
Since the light from the
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。
Further, when the moving mirror 44 is brought closer to the
ここで、被測定物10の内面S1、S2の表面では、光束B1が反射する際、光の染み込みが生じる。その染み込みの程度によって、光束B1とB2との光路差、すなわち、内径Dの測定値が変動する。
図5に示すグラフ501は、内径Dの測定値についての、白色光源ユニット2から放射される光の中心波長に対する波長依存特性の概要を表す。図5において、横軸は中心波長を表し、縦軸は内径Dの測定値を表す。図5に示すように、中心波長が長くなるほど染み込み量が少なくなるので、中心波長が長くなるほど内径Dの測定値は減少する。そして、中心波長の長さがある値以上となると、光は被測定物10の内面S1、S2においてほとんど染み込まなくなるので、内径Dの測定値は一定の値に収束する。この収束した値が、内径Dの真値であると考えられる。なお、波長依存特性は、内面S1、S2の表面粗さ、表面に含有される水分の量などによって変動する。
Here, on the surfaces of the inner surfaces S1 and S2 of the
A
そこで、このような光の染み込みによる内径Dの測定誤差を補正するために、被測定物10の基準品であるマスタについて、予め様々な中心波長を有する白色光を用いて内径Dを測定し、中心波長と内径Dの関係を測定する。そして、その測定結果を表した参照テーブル及びマスタの内径Dの真値を、記憶部61に記憶しておく。
被測定物10の測定を行う際、内径測定装置1は、白色光源ユニット2において、中心波長の異なる光を用いてそれぞれ被測定物10の内径Dを測定する。そして、それらの測定結果と、参照テーブルに記録されたマスタの内径の測定値とを比較する。内径測定装置1は、その比較結果に基づいて、光の染み込みがない場合における被測定物10の内径Dの測定値、すなわち内径Dの真値を推定する。
Therefore, in order to correct the measurement error of the inner diameter D due to such light penetration, the inner diameter D is measured in advance using white light having various center wavelengths with respect to the master which is the reference product of the device under
When measuring the device under
なお、参照テーブルは、内面S1、S2の表面粗さ、表面に含有される水分の量を様々に変化させた状態に応じて複数作成される。例えば、表面粗さについて、内面S1、S2を製品仕様を満たす範囲でそれぞれ異なる状態に加工した被測定物10のマスタを3種類準備する。そして、測定環境の湿度を40%、60%、80%の3段階に設定し、各段階ごとに3種類のマスタのそれぞれについて内径を測定し、合計9種類の参照テーブルを作成しておく。この参照テーブルの作成時においては、光の染み込みのない、内径Dの真値を得るために、測定に使用する白色光源として、内径測定装置1で使用する光源と同等の中心波長を有するものだけでなく、さらに中心波長の長いものを用いることが好ましい。また、そのような長波長の光源を使用するために、参照テーブルの作成時においては、第1の干渉計3と第2の干渉計4との間を光ファイバで接続せず、第1の干渉計3を出射した光束が直接第2の干渉計4に入射するように構成してもよい。作成された参照テーブルでは、測定光の中心波長と、その中心波長に対応する内径の測定値とが、例えば2次元配列を用いて一対のデータとして表現される。
また、上記のように、複数の中心波長で各マスタを測定することにより、測定光学系の波長による測定誤差も含めて評価することができる。例えば、ビームスプリッタ34が、1辺10mmの立方体であり、光学ガラスの一種であるBK7で作成されており、1.5μmの中心波長を有する測定光と1.3μmの中心波長を有する測定光でマスタを測定する場合を考える。BK7の屈折率は、1.5μmの波長の光に対するよりも、1.3μmの波長の光に対する方が、約0.0004だけ大きい。ここで、光束B1は、光束B2よりもビームスプリッタ34を2回多く透過する。そのため、1.5μmの中心波長を有する測定光と、1.3μmの中心波長を有する測定光でマスタの内径を測定した場合、1.3μmの中心波長を有する測定光で測定を行った方が、約8μm測定値が大きくなる。
測定光の中心波長の差に応じて生じる測定光学系の誤差は、被測定物10の測定時にも同様に生じる。そのため、上記のような、測定光学系で生じる誤差を含んだ参照テーブルを作成しておけば、測定光学系の誤差の影響を排除することができる。
Note that a plurality of reference tables are created in accordance with the state in which the surface roughness of the inner surfaces S1 and S2 and the amount of moisture contained on the surface are variously changed. For example, with respect to the surface roughness, three types of masters of the
Further, as described above, by measuring each master at a plurality of center wavelengths, it is possible to evaluate including measurement errors due to wavelengths of the measurement optical system. For example, the
An error in the measurement optical system that occurs according to the difference in the center wavelength of the measurement light also occurs during measurement of the
参照テーブルを作成すると、測定光の中心波長と、その中心波長に対応する内径の測定値との関係を、最小二乗法、スプライン補間などの方法を用いて外挿し、被測定物10のマスタの内径Dについての測定値が、中心波長が変化しても変わらなくなる値(収束値)を求める。そして、その収束値を、被測定物10のマスタの内径Dの真値として、参照テーブルに関連付けて記憶部10に記憶しておく。なお、被測定物10のマスタの内径Dの真値は、別の方法、例えば、接触式の寸法測定装置などを用いて求めてもよい。
When the reference table is created, the relationship between the center wavelength of the measurement light and the measured value of the inner diameter corresponding to the center wavelength is extrapolated using a method such as least squares or spline interpolation, and the master of the object to be measured 10 is A value (convergence value) at which the measured value for the inner diameter D does not change even when the center wavelength changes is obtained. Then, the convergence value is stored in the
図6及び図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。
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46を駆動し、移動鏡44を移動させる。そして、コントローラ6のピーク位置測定部63は、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。その際、ピーク位置測定部63は、各測定点における検出器5からの出力信号に対して、時間平均値または移動平均値を求めてその測定点の出力信号としてもよい。そして、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。ピーク位置測定部63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61に記憶する。
6 and 7 show operation flowcharts of the inner
First, as an initialization procedure, the reference position of the movable mirror 44, that is, the position of the movable mirror 44 at which the optical path difference between the first optical path and the second optical path of the second interferometer 4 becomes 0 is determined ( Step S101). Therefore, the position where the object to be measured 10 is not installed in the first interferometer 3 of the inner
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。そして、コントローラ6の制御部66は、白色光源ユニット2が有する光源のうち、第1の中心波長(本実施態様では、1550nm)の光を放射する光源を選択する(ステップS102)。そして、白色光源ユニット2に対して、その選択した光源に対して電流を供給して発光させる。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46を駆動し、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る。その際、コントローラ6の制御部66は、各測定点における検出器5からの出力信号に対して、時間平均値または移動平均値を求めてその測定点の出力信号とする(ステップS103)。そして、コントローラ6のピーク位置測定部63は、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S104)。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S105)。そして、コントローラ6の波長依存寸法決定部64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、第1の中心波長に対する被測定物10の内径Dの測定値(以下、第1の測定値という)を得る(ステップS106)。
Next, the
次に、コントローラ6の制御部66は、白色光源ユニット2の全ての光源に対して、被測定物10の内径の測定値を得たか否か判断する(ステップS107)。そして、まだ測定を行っていない光源がある場合、未測定の光源、すなわち、第2の中心波長(本実施態様では、1200nm)の光を放射する光源に切り換えて、上記のステップS102〜S106の処理を繰り返す。そして、第2の中心波長に対する被測定物10の内径Dの測定値(以下、第2の測定値という)を得る。一方ステップS107において、全ての光源について被測定物10の内径Dの測定値を得た場合、コントローラ6の制御部66は、制御をステップS108へ移行する。
Next, the
ここで、干渉信号が最大値となる位置を検出する際のコントローラ6の動作について説明する。上述したように、実際の測定においては、空気擾乱、測定系の機械振動などの影響により、ノイズが加わり、検出器5で検出される光量は、時間的に変動する。そこで、本実施形態では、移動鏡44を、干渉信号が観測される範囲内で移動させつつ取得した測定信号を複数回取得し、それらを時間平均することにより、干渉信号を求める。ノイズ成分は、時間平均することによってほぼ0となるため、上記のように干渉信号を求めることにより、干渉信号が最大となる位置を正確に検出することができる。
Here, the operation of the
次に、コントローラ6は、得られた測定結果を、被測定物10の内面S1、S2の状態を考慮して補正するために、被測定物10の内面S1、S2の表面状態(表面粗さ、含有水分量)と最も近いと想定される内面の表面状態を有するマスタについて、中心波長の内径Dとの関係を表す参照テーブルを選択する。
図7に示すように、第1の中心波長(1550nm)及び第2の中心波長(1200nm)に対する被測定物10の内径Dの第1及び第2の測定値が得られると、コントローラ6の寸法推定部65は、記憶部61から、上記の各参照テーブルを読み込む(ステップS108)。次に、寸法推定部65は、第1の測定値と第2の測定値との差(以下、被測定物変化量という)を求める(ステップS109)。同様に、寸法推定部65は、各参照テーブルについても、第1の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値と、第2の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値との差(以下、マスタ変化量という)を求める(ステップS110)。寸法推定部65は、各参照テーブルについて求めたマスタ変化量のうち、被測定物変化量との差が最も小さいものを検出する(ステップS111)。そして、被測定物変化量との差が最も小さいマスタ変化量に対応する参照テーブルを選択する(ステップS112)。
Next, the
As shown in FIG. 7, when the first and second measured values of the inner diameter D of the
参照テーブルが選択されると、コントローラ6は、その参照テーブルを用いて、内径Dの測定値に対する補正値を求め、その補正値を用いて測定値を修正することにより、内径Dの真値を推定する。
そのために、コントローラ6の寸法推定部65は、上記の第1の測定値と、選択した参照テーブルから抽出した第1の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値との差を補正値として求める(ステップS113)。最後に、寸法推定部65は、その選択された参照テーブルに関連付けて記憶されたマスタの内径Dの真値に、求めた補正値を加え、被測定物10の内径Dの真値とする(ステップS114)。
When the reference table is selected, the
Therefore, the
なお、被測定物10の内面S1、S2の表面粗さや水分含有量に関する情報を、別の方法で取得できる場合には、それらの情報に基づいて参照テーブルを選択してもよい。その場合には、上記のステップS108〜S112の手順を省略することができる。
In addition, when the information regarding the surface roughness and water content of the inner surfaces S1 and S2 of the
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の円筒面内で光束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。
Further, in the first interferometer 3, when the position of the
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。
Therefore, once the
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。なお、ビームスプリッタ33について、一度被測定物10の中心に位置決めされると、以後の測定においては、被測定物10を交換しない限り、上記のビームスプリッタ33の位置決め手順を省略することができる。
On the other hand, when the measured value of the inner diameter measured first is equal to or larger than the measured value measured next, the
In this way, by searching for the maximum measured value of the inner diameter D while changing the positional relationship between the object to be measured 10 and the
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、各中心波長に対して、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、それぞれ(P2−P3)/2の値を計算し、その値を、各中心波長に対する被測定物10の内径の測定値としてもよい。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の内径の測定値を求める場合、基準位置P1と位置P2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。
Instead of measuring the reference position P1 of the movable mirror 44 in step S101, as described above, the movable mirror 44 is moved closer to the
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、白色光源ユニット2から出射される光の中心波長を変化させて、その中心波長に依存した被測定物10の内径Dの測定値を算出する。そして、算出したそれらの測定値と、被測定物10のマスタの内径Dの測定値の波長依存特性を表す参照テーブルから補正値を求めて、その測定値を修正することにより、被測定物の内径の真値を高精度で推定することができる。さらに、内径測定装置1は、マスタの反射面の表面状態を様々に変化させ、各状態に対応する上記の参照テーブルを予め記憶しておく。そして、実際の測定の際には、各参照テーブルに示されたマスタの内径の測定値の波長依存特性と被測定物10の内径Dの測定値の波長依存特性との比較を行って、最も波長依存特性の近い参照テーブルを選択する。そのため、内径測定装置1は、被測定物10の内面の表面状態によらず、被測定物10の内径Dの真値を正確に推定することができる。また、実際の測定の際には、参照テーブルを利用することにより、少ない波長数での測定結果に基づいて、内径Dの真値を推定できるので、1回の測定に要する時間を短くすることができる。さらに、上記の実施例のように、白色光源として、光ファイバによる減衰が少ない波長域の光を発する光源を選択できるので、第1の干渉計3と第2の干渉計4とを遠隔地に配置することができる。そのため、内径測定装置1を、その運用に合わせて柔軟に構成することができる。
As described above, the inner
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、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。さらに、白色光源ユニット2に使用する光源の数は、2種類に限られず、3種類以上使用してもよい。さらにまた、コントローラ6は、被測定物10の内径Dの測定値の波長依存特性を表す参照テーブルを用いる代わりに、中心波長を様々に変えてその内径Dを測定した測定値を、最小二乗法、スプライン補間などを用いて外挿することにより、その測定値の波長依存特性を求めてもよい。この場合、外挿によって中心波長が変化しても変化しない内径Dの値を、その真値とする。なお、外挿の精度を高めるために、互いに中心波長の異なる3種類以上の測定光を用いて被測定物10の内径Dを測定することが好ましい。
In addition, this invention is not limited to said embodiment. For example, the device under test is not limited to a cylindrical one. The measuring apparatus of the above embodiment can be applied as it is when measuring the distance between two opposing surfaces of an object to be measured. In the measurement apparatus of the above embodiment, the second interferometer may be a Fizeau interferometer. Furthermore, the number of light sources used in the white
また、本発明は、特許文献1に記載された測定装置のように、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8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14に向かう第2の光束とに分割する。そして、被測定物10’で反射された第1の光束と移動鏡14で反射された第2の光とを、ビームスプリッタ13で再度一つの光束とし、検出器15でその干渉信号を検出する。検出器15から出力された信号は、コントローラ16に送信される。そして、コントローラ16は、干渉信号がピークとなる位置を求め、第1の光束と第2の光束との光路差が0となる移動鏡14の位置を求める。そして、被測定物10’との関係で予め定められた移動鏡14の基準位置と、求めた移動鏡14の位置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。
The present invention can also be applied to a configuration in which only one Michelson interferometer is used as in the measurement apparatus described in
FIG. 8 shows a schematic configuration diagram of a configuration of the dimension measuring apparatus 11 using only one Michelson interferometer. In this configuration, the measurement light emitted from the
コントローラ16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、上記の実施形態と同様の手順により、被測定物10’の寸法の真値を推定する。すなわち、予め、被測定物10’のマスタについて、白色光源ユニット12からの測定光の中心波長、その測定光を反射する反射面の状態を変えて、被測定物10’のマスタの寸法の波長依存特性を表した参照テーブル及びマスタの寸法の真値を記憶しておく。そして、実際の測定の際には、コントローラ16は、白色光源ユニット12からの測定光の中心波長を変えて測定した被測定物10’の波長依存寸法から求めたその寸法の波長による変化量と、各参照テーブルに示されたマスタの寸法の変化量とを比較する。そして、被測定物10’の寸法の変化量と最も近い変化量となる参照テーブルを選択する。最後に、コントローラ16は、所定の中心波長を持つ測定光による被測定物10’の寸法測定値と、選択した参照テーブルから抽出した、その所定の中心波長を持つ測定光によるマスタの寸法測定値との差を補正値として求め、その参照テーブルに関連付けて記憶されたマスタの寸法の真値に加えることにより、被測定物10’の寸法の真値を求める。
The controller 16 has the same configuration as the
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ユニットと、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。
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。
Further, in the embodiment using two interferometers, the white light source unit arranged on the first interferometer 3 side and the detector arranged on the second interferometer 4 side may be interchanged. Good. In this case, two light beams having an optical path difference corresponding to the measurement target dimension of the object to be measured are generated in advance on the second interferometer 4 side, and these light beams are sent to the first interferometer 3 side through the optical fiber. In the first interferometer 3, the received two light beams are further divided into a light beam reflected by the
As described above, various modifications can be made within the scope of the present invention according to the embodiment to be implemented.
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 白色光源ユニット
3、4 干渉計
5、15 検出器
6、16 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 移動鏡
45 支持部材
46、17 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
61 記憶部
62 通信部
63 ピーク位置測定部
64 波長依存寸法決定部
65 寸法推定部
66 制御部
7,8 光ファイバ
1 Inner Diameter Measuring Device (Dimension Measuring Device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
Claims (7)
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
前記白色光源ユニット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の中心波長または前記第2の中心波長について、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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第2の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
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。 A dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured,
A white light source unit capable of setting the central wavelength of the emitted light to at least one of the first central wavelength and the second central wavelength;
The light emitted from the white light source unit is branched into a first light beam and a second light beam that are directed toward the object to be measured, and the first light beam is reflected by the object to be measured to generate the second light beam. A first interferometer that causes a first optical path difference corresponding to a measurement target dimension of the object to be measured between the first and second light beams to emit in accordance with one light beam;
A second interferometer having a reference mirror having a fixed position and a movable mirror movable along the optical path, wherein the light beam emitted from the first interferometer is directed to the reference mirror. A second interferometer for branching into a light beam and a fourth light beam directed to the movable mirror to produce a second optical path difference between the third light beam and the fourth light beam;
The third light beam and the fourth light beam are received, an interference signal generated when the first optical path difference and the second optical path difference are substantially equal is detected, and a signal corresponding to the interference signal is output. A detector to
A controller for obtaining a measurement target dimension of the object to be measured,
A peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength;
By calculating the second optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the first center wavelength or the second center wavelength measured by the peak position measurement unit, the measurement target dimension of the object to be measured is calculated. A wavelength-dependent dimension determining unit for obtaining a first measurement value or a second measurement value;
From the first measurement value or the second measurement value obtained by the wavelength-dependent dimension determining unit, the true dimension of the measurement target dimension of the measurement object is determined according to the wavelength-dependent characteristic of the measurement target dimension of the measurement object. A size estimator for estimating the value;
A controller having
A dimension measuring apparatus comprising:
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
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の中心波長または前記第2の中心波長について、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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第1の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
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。 A dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured,
A white light source unit capable of setting the central wavelength of the emitted light to at least one of the first central wavelength and the second central wavelength;
A first interferometer having a reference mirror having a fixed position and a movable mirror movable along an optical path, wherein the light emitted from the white light source is directed to the reference mirror; A first interferometer for branching into a second light beam directed toward the movable mirror and causing a first optical path difference between the first light beam and the second light beam;
The first light beam and the second light beam emitted from the first interferometer are branched into a third light beam and a fourth light beam that are directed toward the object to be measured, and the third light beam is divided into the measured light. A second optical path difference corresponding to the measurement object size of the object to be measured is generated between the fourth light flux and the fourth light flux, and the third light flux and the fourth light flux are combined into one light flux. A second interferometer that emits together,
The third light beam and the fourth light beam are received, an interference signal generated when the first optical path difference and the second optical path difference are substantially equal is detected, and a signal corresponding to the interference signal is output. A detector to
A controller for obtaining a measurement target dimension of the object to be measured,
A peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength;
By calculating the first optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the first center wavelength or the second center wavelength measured by the peak position measuring unit, the measurement target dimension of the object to be measured is calculated. A wavelength-dependent dimension determining unit for obtaining a first measurement value or a second measurement value;
From the first measurement value or the second measurement value obtained by the wavelength-dependent dimension determining unit, the true dimension of the measurement target dimension of the measurement object is determined according to the wavelength-dependent characteristic of the measurement target dimension of the measurement object. A size estimator for estimating the value;
A controller having
A dimension measuring apparatus comprising:
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、前記白色光源ユニット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の光束に分岐して、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、
前記干渉計を出射した前記第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の中心波長または前記第2の中心波長について、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するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置と、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、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
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。 A dimension measuring device for measuring a dimension of an object to be measured,
A white light source unit capable of setting the central wavelength of the emitted light to at least one of the first central wavelength and the second central wavelength;
An interferometer having a movable mirror movable along an optical path, wherein the light emitted from the white light source unit is converted into a first luminous flux directed toward the object to be measured and a second luminous flux directed toward the movable mirror. An interferometer that branches and reflects the first light beam by the object to be measured to generate an optical path difference between the first light beam and the second light beam;
An interference signal generated when the first light flux and the second light flux emitted from the interferometer are received, and an optical path length for the first light flux is substantially equal to an optical path length for the second light flux. A detector for detecting and outputting a signal corresponding to the interference signal;
A controller for obtaining a measurement target dimension of the object to be measured,
A peak position measuring unit that measures the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for the first center wavelength or the second center wavelength;
By calculating a difference between the position of the movable mirror with respect to the first center wavelength or the second center wavelength measured by the peak position measurement unit and a predetermined reference position of the movable mirror, A wavelength-dependent dimension determining unit for obtaining a first measurement value or a second measurement value of a measurement target dimension of the measurement object;
From the first measurement value or the second measurement value obtained by the wavelength-dependent dimension determining unit, the true dimension of the measurement target dimension of the measurement object is determined according to the wavelength-dependent characteristic of the measurement target dimension of the measurement object. A size estimator for estimating the value;
A controller having
A dimension measuring apparatus comprising:
前記寸法推定部は、前記記憶部に記憶された前記参照テーブルを参照して、前記第1の中心波長に対する前記基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法を求め、前記第1の測定値と前記第1の波長依存寸法との差を算出し、前記基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、該差を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の寸法測定装置。 The controller uses a reference measurement object as the measurement object, and measures the reference measurement object with a plurality of white lights having different center wavelengths from the true value of the measurement target dimension of the reference measurement object. A storage unit storing a reference table that represents the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimensions of the reference measurement object by associating and recording the respective wavelength-dependent dimensions obtained by measuring the target dimensions and the center wavelength. In addition,
The dimension estimation unit refers to the reference table stored in the storage unit to obtain a first wavelength-dependent dimension of a measurement target dimension of the reference measurement object with respect to the first center wavelength, and The difference between the measurement value of 1 and the first wavelength-dependent dimension is calculated, and the value obtained by adding the difference to the true value of the measurement object dimension of the reference measurement object is the measurement object dimension of the measurement object. The dimension measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, which is a true value.
前記寸法推定部は、前記第1の測定値と前記第2の測定値の差を第1の変化量として算出し、前記複数の参照テーブルのそれぞれについて、前記第1の中心波長及び第2の中心波長のそれぞれに対する前記基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法と第2の波長依存寸法の差を第2の変化量として算出し、前記複数の参照テーブルのそれぞれについて算出された前記第2の変化量のうち、前記第1の変化量との差が最も少ないものに対応する参照テーブルを選択し、前記第1の測定値と選択された参照テーブルについて求めた前記第1の波長依存寸法との差を算出し、前記基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、該差を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の寸法測定装置。 The controller uses a reference measurement object as the measurement object, and measures the reference measurement object with a plurality of white lights having different center wavelengths from the true value of the measurement target dimension of the reference measurement object. Each wavelength-dependent dimension obtained by measuring the target dimension and the center wavelength are recorded in association with each other to represent the wavelength-dependent characteristics of the measurement target dimension of the reference measurement object, and the first light beam is reflected. A storage unit that stores a plurality of reference tables created according to the state of the surface of the reference measurement object;
The size estimation unit calculates a difference between the first measurement value and the second measurement value as a first change amount, and for each of the plurality of reference tables, the first center wavelength and the second measurement value are calculated. A difference between the first wavelength-dependent dimension and the second wavelength-dependent dimension of the measurement target dimension of the reference measurement object with respect to each of the center wavelengths is calculated as a second change amount, and is calculated for each of the plurality of reference tables. The reference table corresponding to the difference between the second change amount and the first change amount that is the smallest is selected, and the first measurement value and the selected reference table are obtained. A difference from the wavelength-dependent dimension of 1 is calculated, and a value obtained by adding the difference to a true value of the measurement target dimension of the reference measurement object is a true value of the measurement target dimension of the measurement object. The dimension measuring apparatus as described in any one of 1-4.
前記第1の中心波長及び前記第2の中心波長のそれぞれについて、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するステップと、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長及び前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第2の光路差をそれぞれ計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値及び第2の測定値を求めるステップと、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値及び第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定するステップと、
を有することを特徴とする寸法測定方法。 The light emitted from the white light source unit capable of setting the center wavelength of the emitted light to at least one of the first center wavelength and the second center wavelength is converted into the first light flux and the second light beam directed to the object to be measured. Branching into a light beam, reflecting the first light beam by the object to be measured, and generating a first optical path difference corresponding to the measurement object size of the object to be measured between the second light beam and the second light beam. A second interferometer having a first interferometer that emits one light beam and the second light beam in accordance with one light beam, a reference mirror having a fixed position, and a movable mirror movable along the optical path A light beam emitted from the first interferometer is split into a third light beam directed toward the reference mirror and a fourth light beam directed toward the movable mirror, and the third light beam and the first light beam A second interferometer that generates a second optical path difference with the four luminous fluxes, and receives the third luminous flux and the fourth luminous flux, A method for measuring a dimension of an object to be measured in a measurement system, comprising: a detector that detects an interference signal generated when an optical path difference of 1 and the second optical path difference are substantially equal, and outputs a signal corresponding to the interference signal. There,
Measuring the position of the movable mirror corresponding to the maximum value of the interference signal for each of the first center wavelength and the second center wavelength;
By measuring the second optical path difference from the position of the movable mirror with respect to the first center wavelength and the second center wavelength measured by the peak position measurement unit, the measurement target dimension of the object to be measured Determining a first measurement value and a second measurement value of
From the first measurement value and the second measurement value obtained by the wavelength-dependent dimension determination unit, the true value of the measurement target dimension of the measurement object according to the wavelength-dependent characteristic of the measurement target dimension of the measurement object Estimating
A dimension measuring method characterized by comprising:
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