JP4998738B2 - 寸法測定装置及び寸法測定方法 - Google Patents
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Description
そのコントローラは、第1の干渉信号及び第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、そのピーク位置に対する第2の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
そのコントローラは、第1の干渉信号及び第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、ピーク位置に対する移動鏡の位置と、予め定められた移動鏡の基準位置との差を計算することにより、測定対象寸法を求める寸法決定部とを有する。
係る寸法測定方法は、第1の干渉信号と位相が90度異なる第2の干渉信号を生成するステップと、第1の干渉信号及び第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出するステップと、リサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡の位置を白色干渉縞のピーク位置として決定するステップと、そのピーク位置に対する第2の光路差を計算することにより、測定対象寸法を求めるステップとを有する。
なお、上記の各実施態様において、白色光源とは、可視光域において広帯域発光する光源に限られず、所定の波長を中心波長とした一定の波長帯域の光を放射する光源をいう。
本発明の第1の実施形態に係る内径測定装置は、白色光源からの光を第1の干渉計に入射させ、第1の干渉計で、被測定物の内径に対応する光路差を有する二つの光束を生成する。その二つの光束を第2の干渉計に入射して、上記光路差とほぼ等しい光路差を生じる二つの光路に光束を分割して干渉させることにより、白色干渉縞を生じさせる。そして、検出器で白色干渉縞の振幅が最大となる位置、すなわち白色干渉縞のピーク位置を検出して第2の干渉計の二つの光路間の光路差を測定することにより、被測定物の内径を求める。その際、内径測定装置は、第2の干渉縞において互いに位相が90度ずれた二つの干渉縞を生成し、それら二つの干渉縞からリサージュ波形信号を求める。そして、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する位置を白色干渉縞のピーク位置として、被測定物の内径寸法を求める。
一方、第2の光路には、その光路に沿って移動可能な移動鏡45が設けられる。そして、第2の光路へ向かう光束B12、B22は、移動鏡45で反射されてビームスプリッタ42へ戻り、その一部はビームスプリッタ42で反射されて、B11、B21とともに検出器5a、5bへ向かう。
なお、移動鏡45を移動させつつ、その移動の間に連続的に干渉信号を測定する場合には、ピエゾ微動ステージ47及びピエゾコントローラ51を省略してもよい。
また、検出器5a及び5bは、コントローラ6と電気的に接続され、検出した光量に対応する電気信号を、コントローラ6へ送信する。そして検出器5aは、光束B11、B21の一部の光束のうち、1/8波長板44を透過した光束と、光束B12、B22の間で生じる白色干渉縞を検出する。一方、検出器5bは、光束B11、B21の一部の光束のうち、1/8波長板44を透過しなかった光束と、光束B12、B22の間で生じる白色干渉縞を検出する。ここで上記のように、1/8波長板44を透過した光束B11、B21の一部は、1/8波長板44を透過しない光束B11、B21の他の一部に対して、位相が90度ずれる。そのため、検出器5aにて検出される白色干渉縞と、検出器5bにて検出される白色干渉縞とは、互いに位相が90度ずれたものとなる。このように、1/8波長板44と検出器5aは、位相シフト信号生成部として機能する。
コントローラ6は、いわゆるPCで構成され、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等からなる記憶部61と、RS232C、イーサネット(登録商標)などの通信規格にしたがって構成された電子回路及びデバイスドライバなどのソフトウェアからなる通信部62を有する。
さらにコントローラ6は、図示していないCPU、ROM、RAM及びその周辺回路と、CPU上で実行されるコンピュータプログラムによって実現される機能モジュールとして検出器5a及び検出器5bでそれぞれ取得された白色干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部63と、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡45の位置を、白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部64と、そのピーク位置から被測定物10の内径Dを求める寸法決定部65と、コントローラ6の各部、位置計測用干渉計50、ピエゾコントローラ51、ステージコントローラ52及び検出器5a、5bなど、コントローラ6に接続された機器を制御する制御部66とを有する。
白色光源2からの光は、コヒーレンス長が短いため、光路差がほぼ等しい場合にのみ干渉縞を生じる。ここで、第2の干渉計4の第1の光路における、ビームスプリッタ42から参照鏡43までの距離がL1であり、第2の光路における、ビームスプリッタ42から移動鏡45までの距離がL2であるとすると、第3の光束と第4の光束との間に、2(L2−L1)の光路差が生じる(ただし、L2>L1とする)。このとき、(L2−L1)とDが等しければ、第1の干渉計3において、被測定物10の内面S1、S2で反射された光束B1のうち、第2の干渉計4において、第1の光路を通った光束B11と、第1の干渉計3においてビームスプリッタ33を素通りした光束B2のうち、第2の干渉計4において、第2の光路を通った光束B22との光路差が0となる。そのため、干渉縞の振幅が最大となる。そして、(L2−L1)とDとの差が大きくなるにつれて、干渉縞の振幅の大きさは急激に低下する。したがって、干渉縞の振幅が最大となるときの(L2−L1)を計測することにより、被測定物10の内径Dを求めることができる。
まず、コントローラ6の信号合成部63は、白色干渉縞の振幅が最大となる移動鏡45の位置、すなわち白色干渉縞のピーク位置を正確に検出するために、検出器5aから得た干渉信号Ia(x)と検出器5bから得た干渉信号Ib(x)とに基づいて、リサージュ波形信号Ilis(x)を求める(ステップS101)。なお、各信号Ia(x)、Ib(x)、Ilis(x)において、xは移動鏡45の位置を表す変数である。それら二つの干渉信号Ia(x)、Ib(x)は、互いに対して位相が90度ずれているが、周期及び振幅に関しては同一である。そのため、信号合成部63は、以下の式により、リサージュ波形信号Ilis(x)を求めることができる。
測定が開始されると、最初に初期化手順として、移動鏡45の基準位置、すなわち、第2の干渉計4の第1の光路と第2の光路間の光路差が0となる移動鏡45の位置を決定する(ステップS201)。そのために、内径測定装置1の第1の干渉計3に、被測定物10を設置せず、第2の干渉計4で干渉縞の検出される位置を求める。このとき、被測定物10の内面で反射される光束は存在しないから、第1の干渉計3から出射する光束は、全てB2となる。そのため、第2の干渉計4では、第1の光路におけるビームスプリッタ42から参照鏡43までの距離L1と、第2の光路におけるビームスプリッタ42から移動鏡45までの距離L2との差が0のとき、観測される干渉縞の振幅は最大となる。そこで、コントローラ6の制御部66は、ピエゾコントローラ51を通じてピエゾ微動ステージ47を駆動し、移動鏡45を移動させる。このとき、コントローラ6は、検出器5a及び5bから、白色干渉縞に対応する干渉信号をそれぞれ取得する。そして、上記の手順にしたがってリサージュ波形信号を生成する。コントローラ6は、リサージュ波形信号が最大値となったときの移動鏡45の位置を、位置計測用干渉計50から受信し、L1=L2となる位置X0として、コントローラ6の記憶部61に記憶する。なお、この基準位置は、一度測定すればよく、2回目以降の測定時にはステップS201の手順を省略してもよい。
白色干渉縞のピーク位置に対応する移動鏡45の位置Xpが求まると、コントローラ6の寸法決定部65は、記憶部61からL1=L2のときの移動鏡45の位置X0を読み出してXp−X0の値を計算し、被測定物10の内径Dの測定値を得る(ステップS204)。
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。
図8に、本発明の第2の実施形態に係る内径測定装置1'の第2の干渉計4の概略構成図を示す。なお、図8において、図4に示された各部と同一の参照番号を有するものは、図4においてその同一の参照番号を有するものと同一の機能を有する。また、図8に示されていない内径測定装置1'の他の構成(白色光源2、第1の干渉計3など)については、第1の実施形態に係る内径測定装置1と同様の構成を有し、かつ同様の機能を果たすので、以下では説明を省略する。
また、位相検波器55は、二つの入力端子を有する。一方の入力端子には、検出器5から出力された高周波変調された白色干渉縞に対応する干渉信号が入力される。他方の入力端子には、高周波発振器54から出力された高周波発振信号が参照信号として入力される。このとき、位相検波器55は、干渉信号の位相と参照信号の位相を比較することにより、参照信号と同じ周波数を有する信号成分のみを抽出し、その正弦波と余弦波を出力する。そこで、コントローラ6は、位相検波器55からそれら二つの出力信号を受け取って、二乗平均することにより、白色干渉縞に対応するリサージュ波形信号を得る。
図9に、マイケルソン型の干渉計を一つのみ使用する寸法測定装置11の構成の概略構成図を示す。この構成では、白色光源12から出射された測定光を、ビームスプリッタ13で被測定物10'に向かう第1の光束と、光路に沿って移動可能な移動鏡15に向かう第2の光束とに分割する。また、ビームスプリッタ13と被測定物10'の間には、1/8波長板14が配置される。そして、第1の光束の一部は、ビームスプリッタ13から被測定物10'へ向かう際と、被測定物10'で反射されて逆にビームスプリッタ13へ向かう際の2度に渡って1/8波長板14を透過する。第1の光束の他の一部は、1/8波長板14を透過しない。なお、図4と同様に、図9についても、理解を容易にするために、1/8波長板14を透過する光束と1/8波長板14を透過しない光束とを分けて図示した。そのため、第1の光束には、互いに位相が90度ずれた二つの光束が含まれる。この第1の光束と移動鏡15で反射された第2の光束とを、ビームスプリッタ13で再度一つの光束とする。そして、ビームスプリッタ13を出射した光束は、光線分割鏡16により、第1の光束のうちの1/8波長板14を透過した光束及び第2の光束の一部と、第1の光束のうちの1/8波長板14を透過しなかった光束及び第2の光束の他の一部とに分岐される。それぞれの光束は、検出器17a、検出器17bで検出され、互いに位相が90度ずれた干渉信号が検出される。検出器17a、17bから出力された信号は、それぞれコントローラ18に送信される。コントローラ18は、上記の実施形態におけるコントローラ6と同様の構成を有する。そして、コントローラ18は、上記の第1の実施形態について説明したように、各干渉信号からリサージュ波形信号を求める。そしてコントローラ18は、そのリサージュ波形信号の最大値に対応する移動鏡15の位置Xpで、第1の光束と第2の光束との光路差が0となると推定する。最後に、被測定物10'との関係で予め定められた移動鏡15の基準位置X0と、求めた移動鏡14の位置Xpとの差を計算することにより、被測定物10'の寸法(例えば、表面高さなど)を求める。
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。
11 寸法測定装置
10、10' 被測定物
2、12 白色光源
3、4 干渉計
5、5a、5b、17a、17b 検出器
6、18 コントローラ
31、41 コリメータレンズ
32、34 ウェッジプリズム
33、42、13 ビームスプリッタ
35 集光レンズ
36 XYZステージ
37 ステージコントローラ
43 参照鏡
44、14 1/8波長板
45、15 移動鏡
46 支持部材
47 ピエゾ微動ステージ
48 粗動ステージ
49 コーナーキューブ
50 位置計測用干渉計
51 ピエゾコントローラ
52 ステージコントローラ
53、16 光線分割鏡
54 高周波発振器
55 位相検波器
56 変調器
61 記憶部
62 通信部
63 信号合成部
64 ピーク位置決定部
65 寸法決定部
66 制御部
7,8 光ファイバ
Claims (10)
- 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
前記白色光源から放射された光を、前記被測定物に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、該第1の光束を前記被測定物で反射させて該第2の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせ、該第1の光束と該第2の光束を一つの光束に合わせて出射させる第1の干渉計と、
位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記第1の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第3の光束と該移動鏡に向かう第4の光束に分岐させる光束分割部とを有し、該第3の光束と該第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第1の干渉信号を出力する検出器と、
前記第1の干渉信号と位相が90度異なる第2の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第2の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 前記位相シフト信号生成部は、前記参照鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第3の光束の一部を透過させて、該光束の一部の位相を90度遅らせる波長板と、該位相が90度遅れた第3の光束の一部と前記第4の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第2の干渉信号として検出する第2の検出器とを有する、請求項1に記載の寸法測定装置。
- 前記位相シフト信号生成部は、前記移動鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第4の光束の一部を透過させて、該光束の一部の位相を90度遅らせる波長板と、該位相が90度遅れた第4の光束の一部と前記第3の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第2の干渉信号として検出する第2の検出器とを有する、請求項1に記載の寸法測定装置。
- 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記白色光源から放射された光を、前記被測定物に向かう第1の光束と前記移動鏡に向かう第2の光束に分岐する光束分割部とを有し、該第1の光束を前記被測定物で反射させて該第1の光束と該第2の光束との間に光路差を生じさせる干渉計と、
前記干渉計から出射した前記第1の光束と前記第2の光束を受光し、前記第1の光束についての光路長と前記第2の光束についての光路長とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第1の干渉信号を出力する検出器と、
前記第1の干渉信号と位相が90度異なる第2の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記移動鏡の位置と、予め定められた前記移動鏡の基準位置との差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 前記位相シフト信号生成部は、前記被測定物と前記光束分割部の間に配置され、前記第1の光束の一部を透過させて、該第1の光束の一部の位相を90度遅らせる波長板と、該位相が90度遅れた第1の光束の一部と前記第2の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第2の干渉信号として検出する第2の検出器とを有する、請求項4に記載の寸法測定装置。
- 前記位相シフト信号生成部は、前記移動鏡と前記光束分割部の間に配置され、前記第2の光束の一部を透過させて、該第2の光束の一部の位相を90度遅らせる波長板と、該位相が90度遅れた第2の光束の一部と前記第1の光束との間に生じた白色干渉縞に対応する干渉信号を前記第2の干渉信号として検出する第2の検出器とを有する、請求項4に記載の寸法測定装置。
- 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記白色光源から放射された光を、該参照鏡に向かう第1の光束と、該移動鏡に向かう第2の光束に分岐する光束分割部とを有し、該第1の光束と該第2の光束との間に第1の光路差を生じさせる第1の干渉計と、
前記第1の干渉計から出射された前記第1の光束及び第2の光束を、前記被測定物に向かう第3の光束と第4の光束に分岐し、該第3の光束を前記被測定物で反射させて該第4の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第2の光路差を生じさせ、該第3の光束と該第4の光束を一つの光束に合わせて出射させる第2の干渉計と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第1の干渉信号を出力する検出器と、
前記第1の干渉信号と位相が90度異なる第2の干渉信号を生成する位相シフト信号生成部と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第1の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
前記白色光源から放射された光を、前記被測定物に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、該第1の光束を前記被測定物で反射させて該第2の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせ、該第1の光束と該第2の光束を一つの光束に合わせて出射させる第1の干渉計と、
参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記第1の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第3の光束と該移動鏡に向かう第4の光束に分岐させる光束分割部とを有し、該第3の光束と該第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計と、
前記参照鏡に取り付けられ、前記参照鏡を前記第3の光束に沿って前後に振動させる変調器と、
前記変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を前記変調器へ入力して、該所定の発振周波数で前記変調器を振動させる高周波発振器と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞が前記所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、
前記検出器及び前記高周波発振器と接続され、前記検出器から入力された前記高周波変調干渉信号の位相と、前記高周波発振器から入力された前記発振信号の位相を比較することにより、前記白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が90度ずれた第1及び第2の干渉信号を出力する位相検波器と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第2の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
白色光源と、
参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記白色光源から放射された光を、該参照鏡に向かう第1の光束と、該移動鏡に向かう第2の光束に分岐する光束分割部とを有し、該第1の光束と該第2の光束との間に第1の光路差を生じさせる第1の干渉計と、
前記第1の干渉計から出射された前記第1の光束及び第2の光束を、前記被測定物に向かう第3の光束と第4の光束に分岐し、該第3の光束を前記被測定物で反射させて該第4の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第2の光路差を生じさせ、該第3の光束と該第4の光束を一つの光束に合わせて出射させる第2の干渉計と、
前記参照鏡に取り付けられ、前記参照鏡を前記第1の光束に沿って前後に振動させる変調器と、
前記変調器と接続され、所定の発振周波数を有する発振信号を前記変調器へ入力して、該所定の発振周波数で前記変調器を振動させる高周波発振器と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞が前記所定の発振周波数で高周波変調された高周波変調干渉信号を出力する検出器と、
前記検出器及び前記高周波発振器と接続され、前記検出器から入力された前記高周波変調干渉信号の位相と、前記高周波発振器から入力された前記発振信号の位相を比較することにより、前記白色干渉縞に対応し、互いに対して位相が90度ずれた第1及び第2の干渉信号を出力する位相検波器と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出する信号合成部と、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するピーク位置決定部と、
前記ピーク位置に対する前記第2の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求める寸法決定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 白色光源から放射された光を、被測定物に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、該第1の光束を該被測定物で反射させて該第2の光束との間に該被測定物の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせ、該第1の光束と該第2の光束を一つの光束に合わせて出射させる第1の干渉計と、第2の干渉計であって、位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡と、前記第1の干渉計から出射した光束を、該参照鏡に向かう第3の光束と該移動鏡に向かう第4の光束に分岐する光束分割部とを有し、該第3の光束と該第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計と、前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる白色干渉縞を検出し、該白色干渉縞に対応する第1の干渉信号を出力する検出器とを有する測定システムにおける被測定物の寸法測定方法であって、
前記第1の干渉信号と位相が90度異なる第2の干渉信号を生成するステップと、
前記第1の干渉信号及び前記第2の干渉信号に基づいて、リサージュ波形信号を算出するステップと、
前記リサージュ波形信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を前記白色干渉縞のピーク位置として決定するステップと、
前記ピーク位置に対する前記第2の光路差を計算することにより、前記測定対象寸法を求めるステップと、
を有することを特徴とする寸法測定方法。
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