JP5366112B2 - 内径測定装置 - Google Patents

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本発明は、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

ところで、近年の微細加工技術の進展により、内径が非常に小さい、場合によっては、内径が1mm以下しかない部品が様々な製品に使用されるに至っている。このような部品についても、加工精度の確認などのために、内径を精度良く計測することについての要望がある。そのような要望に応えるために、上記の干渉計を用いて円筒状の部品の内径を測定しようとすれば、その内径よりも小さいハーフミラーを使用することが必要となる。さらに、ハーフミラーをその部品の円筒内部に位置固定するために、ハーフミラーの保持用部材もその円筒内部に配置することが必要となる。しかし、ハーフミラー及びその保持用部材を小型化するには限界があるため、内径があまりに小さくなると、ハーフミラー及びその保持用部材を円筒内部に配置することが困難となる。そのため、このような内径の小さい部品の内径寸法を精度良く測定することは困難であった。

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、小さな内径を有する被測定物についても内径を測定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、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入射光から分割された第1の光束を被測定物で反射させ、入射光から分割された第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る表面反射素子と、位置が固定された固定鏡と、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、表面反射素子から出射した第1及び第2の光束を、それぞれ固定鏡に向かう第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、検出された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、被測定物の内径を求めるコントローラとを有する。

また、本発明によれば、表面反射素子は球体であり、表面反射素子は、入射光の一部をその表面反射素子の表面で反射して、被測定物の内面に略垂直に入射させることにより第1の光束を形成し、かつ、入射光の他の一部を表面反射素子の白色光源側の頂点あるいは表面反射素子が設置された設置台の表面で反射することにより第2の光束を形成することが好ましい。

さらに、本発明によれば、表面反射素子は、被測定物の軸を含む平面における断面形状が台形となる形状を有し、表面反射素子は、入射光の一部をその表面反射素子の側面で反射して、被測定物の内面に略垂直に入射させることにより第1の光束を形成し、かつ、入射光の他の一部を表面反射素子の頂面あるいは表面反射素子が設置された設置台の表面で反射することにより第2の光束を形成することが好ましい。

また、本発明によれば、白色光源から放射された光を第1の光束と第2の光束に分割する光束分割素子をさらに有することが好ましい。

また、本発明の他の実施態様によれば、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干渉計と、干渉計から出射された第1の光束及び第2の光束から分割された第3の光束を被測定物で反射させ、第1の光束及び第2の光束から分割された第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る表面反射素子と、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、検出された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、被測定物の内径を求めるコントローラと、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、小さな内径を有する被測定物についても内径を測定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、被測定物の略中心に配置した球体の表面反射素子に入射させる。その表面反射素子は、入射光の一部を頂点で垂直反射するとともに、入射光の他の一部を、球表面の頂点と異なる位置で、被測定物の内面に対して略垂直な方向に反射することにより、白色光源からの光を、被測定物の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束に分割する。そして、内径測定装置は、それぞれの光束を、別途用意された干渉計に入射させる。干渉計では、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。

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、被測定物の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束を生じさせる表面反射素子3と、表面反射素子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干渉計4と、干渉計4で発生した干渉縞を検出する検出器5と、各部の制御を行い、かつ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からの光を表面反射素子3に伝える光ファイバ7と、表面反射素子3から出射した光束を干渉計4へ伝える光ファイバ8と、その光束の向きを変えて光ファイバ8に入射させるためのビームスプリッタ9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に、被測定物10と、表面反射素子3の概略配置図を示す。被測定物10は、XYZステージ14上に配置される。また、XYZステージ14の略中央部に設けられた穴を通じて、設置台16が設置される。そして、被測定物10の筒内部に位置するように、その設置台16の上に、表面反射素子3が設置される。表面反射素子3は、被測定物10の内径に応じて定まる光路差を有する二つの光束B1、B2を生成する。白色光源2から放射された光は、第1の光ファイバ7、コリメータレンズ11、ビームスプリッタ9及びウェッジプリズム12を経て表面反射素子3に導かれる。なお、コリメータレンズ11は、入射した光を平行光とする。そして、ウェッジプリズム12は、コリメータレンズ11を経て入射した平行光の位置を調整して出射する。そして、ウェッジプリズム12から出射した光は、被測定物10の内径の略中心に配置された表面反射素子3に入射する。

表面反射素子3は球体で構成され、ウェッジプリズム12を経て入射した光を、その表面で反射する。そして、その光の一部は、表面反射素子3の頂点で垂直反射してビームスプリッタ9へ向かう光束B2となる。また、ウェッジプリズム12から出射した光の他の一部は、表面反射素子3の表面の別の位置で反射され、被測定物10の内面S1に向かう。そしてその光のうち、被測定物10の内面S1に対して垂直に入射した光は、その内面S1で反射された後、再度表面反射素子3の表面で反射されて、ビームスプリッタ9へ向かう光束B1となる。

なお、表面反射素子3は、例えば、金属、光学ガラス、あるいは光学プラスチックからなる。また表面反射素子3の表面には、白色光源2から発する光の波長に対応した反射膜が形成されていてもよい。さらに、表面反射素子3は、設置台16に対して、接着剤などで固定される。あるいは、表面反射素子3の半径が事前に測定されている場合、設置台16の表面に窪みを設け、その窪みに表面反射素子3を設置してもよい。

XYZステージ14は、被測定物10の軸方向(すなわち、図2及び図3における垂直方向)、被測定物10の軸方向に直交する円筒断面内で互いに直交する2方向に移動可能であり、ステージコントローラ15により駆動される。またステージコントローラ15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。そして、ステージコントローラ15は、コントローラ6からの制御信号に基づいてXYZステージ14を駆動し、表面反射素子3と被測定物10の位置関係を調節する。

図3を参照しつつ、光束B1と光束B2の間に生じる光路差について説明する。この実施形態では、ウェッジプリズム12から出射された光は平行光であり、被測定物10の内面S1に対して略平行に、上方から表面反射素子3へ入射する。また、表面反射素子3は、被測定物10の内径の中心軸上に、表面反射素子3の中心Oが位置するように配置されているものとする。このとき、その入射光の一部の光束B2は、表面反射素子3のウェッジプリズム側の頂点aで垂直反射され、入射方向と逆方向に出射する。一方、入射光の他の一部の光束B1は、表面反射素子3の上方から、その表面上の点bに対して45°の角度で入射する。そのため、その光束B1は、表面反射素子3で、水平方向、すなわち、被測定物10の内面S1に対して垂直な方向に沿って反射される。そして、その光束B1は、被測定物の内面S1で垂直反射され、その後表面反射素子3の表面上の点bで再度反射されて、上方へ向けて出射する。なお、設置台16の表面からの高さが、点bと等しい、表面反射素子3の他の部分で反射された光も、点bで反射される光と同様に、被測定物10の内面S1での垂直反射及び表面反射素子3での再度の反射を経て、上方へ向けて出射する。したがって光束B1は、リング状の光束となる。

ここで、表面反射素子3の半径をrとする。このとき、光束B1が反射する表面反射素子3の表面上の点bにおける、表面反射素子3の表面に対する法線bOが、表面反射素子3の頂点aと中心Oを通る線aO(すなわち、被測定物10の内径の軸)となす角は、45°である。したがって、頂点aと点bとの高さの差Δhは、r(1−1/√2)となる。一方、点bと線aOまでの距離は、r/√2となる。そこで、被測定物10の内径をDとすると、点bから被測定物10の内面S1までの距離Δdは、D/2−r/√2となる。したがって、光束B1と光束B2の光路差Δlは、以下の式で求められる。
Δl=2(Δh+Δd)=(2−2√2)r+D (1)

(1)式より、被測定物10の内径Dを測定するためには、表面反射素子3の半径rを正確に知ることが必要である。ここで、表面反射素子3の半径rは、公知の様々な方法を用いて、事前に測定しておくことができる。あるいは、図3に示すように、表面反射素子3が設置される設置台16の上面で垂直反射される光束B3と、光束B2との光路差を、干渉計4を用いて測定し、求められた光路差の1/4を表面反射素子3の半径rとすることができる。なお、光束B2と光束B3の光路差を測定する際には、被測定物10をXYZステージ14から除去することが好ましい。干渉計4にて観測可能な干渉縞を生じさせる光束を、光束B2とB3に限定することにより、誤測定の可能性を減らすことができるためである。

さらに、表面反射素子3が、被測定物10に対して偏心して配置される場合(すなわち、表面反射素子3の中心Oが、被測定物10の軸上に存在しない場合)も想定される。この場合、点bと同じ高さの表面反射素子3の表面上の点から被測定物10の内面S1までの距離は、その表面上の点の位置によって異なる。さらに、表面反射素子3によって偏心方向と平行でない方向へ反射された光は、被測定物10の軸と直交する面内において、内面S1に対して斜入射となり、内面S1で垂直反射される場合よりも光路が長くなる。そのため、光束B1は、表面反射素子3における反射位置によって光路長が異なり、光束B2との光路差も、その反射位置によって異なる。

このような場合、検出器5で観測される白色干渉縞の振幅は、表面反射素子3の偏心量が増大するほど減少し、また干渉縞を観測できる範囲は広くなる。そこで、以下の手順により、表面反射素子3が被測定物10の内径に対して偏心していない位置を決定する。
まず、表面反射素子3と被測定物10の位置関係を、被測定物10の軸方向に直交する円筒断面内で、特定の方向にずらしながら干渉縞の測定を繰り返す。そして、得られた干渉縞の振幅の測定値が最大となるときの表面反射素子3の位置を決定する。その後、上記の特定方向と直交する方向に、同様に表面反射素子3を移動させつつ、干渉縞の振幅が最大となる位置を求める。最終的に、最も干渉縞の振幅が大きくなった時、表面反射素子3は、被測定物10の内径に対して偏心なく配置されていると判断する。

図4(a)及び(b)を参照しつつ、表面反射素子3が被測定物10に対して偏心している場合における、被測定物10の内径Dの別の測定方法を示す。図4(a)は、被測定部10と表面反射素子3の位置関係を示す概略側面断面図であり、図4(b)は、その表面反射素子3に入射する光束を制限するシャッタ素子31の平面図である。
図4(a)に示すように、この測定方法では、光束B1のうち、表面反射素子3の表面上の一点(例えば、点b)で反射される部分と表面反射素子3の頂点aで垂直反射される光束B2のみが透過可能な、スリット状の開口32を有するシャッタ素子31を、ウェッジプリズム12と表面反射素子3の間に配置する。その開口32の長手方向の長さは、例えば表面反射素子3の半径rとほぼ等しい。さらにシャッタ素子31は、開口32の長手方向に沿って移動可能に構成される。この場合、図4(a)及び(b)に示すように、スリット状の開口32の長手方向と、表面反射素子3の被測定物10に対する偏心方向が略平行な場合にのみ、光束B1がその開口を通過することができる。そこで、まず、このシャッタ素子31を配置した状態で、観測された白色干渉縞に基づいて光束B1(例えば、点bで反射された光束)とB2の光路差Δl1を測定する。その後、表面反射素子3上の反射位置を、最初の反射位置bに対して頂点aと表面反射素子3の中心Oを結ぶ直線を中心とした軸対称の位置(例えば、図4(a)における点c)になるように、シャッタ素子31をスリットの長手方向に沿って平行に移動する。そして、再度光束B1とB2の光路差Δl2を測定する。そして、測定された光路差Δl1、Δl2の平均値を、表面反射素子3が偏心していないときの光路差Δlとすることができる。

表面反射素子3で反射され、入射方向と逆方向に出射した光束B1及びB2は、再度ウェッジプリズム12を通った後、ビームスプリッタ9で反射されて、光ファイバ8に入射する。そして、その光束B1及びB2は、光ファイバ8を通って、干渉計4へ入射する。

図5に、干渉計4の概略構成図を示す。光ファイバ8から出射した光束B1及びB2は、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、表面反射素子3から出射した光束B1のうち、干渉計4の第1の光路へ向かう光束を表し、光束B21は、表面反射素子3から出射した光束B2のうち、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、表面反射素子3から出射した光束B1のうち、干渉計4の第2の光路へ向かう光束を表し、光束B22は、表面反射素子3から出射した光束B2のうち、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。

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。
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。

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、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、光路差ΔL=2(L2−L1)が生じる(ただし、L2>L1とする)。このとき、光路差ΔLと、光束B1とB2の間に生じた光路差Δlが等しければ、表面反射素子3において、被測定物10の内面S1で反射された光束B1のうち、干渉計4において、第1の光路を通った光束B11と、表面反射素子3の頂点aで垂直反射された光束B2のうち、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、干渉計4で生じた光路差ΔLと光束B1とB2との間に生じた光路差Δl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。また、光束B1とB2との間に生じた光路差Δlに関しては、上記の(1)式で示したように、表面反射素子3の半径rと、被測定部10の内径Dに基づいて決定される。そこで、予め、あるいは、光路差ΔLの測定後、表面反射素子3の半径rを測定する。そして、(1)式のΔlに光路差ΔLの測定値を代入し、半径rにその測定値を代入することにより、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ΔL=2(L1−L2)が、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、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となったところでも、干渉縞を観測することができる(ただし、L1>L2である)。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で割った値を、上記のΔLとすることができる。

図6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。最初に事前準備として、表面反射素子3の半径rを測定し、コントローラ6の記憶部に記憶しておく。なお、その半径rの値は、上記のように、公知の測定方法を用いて、あるいは、光束B2とB3の光路差を測定することにより、測定することができる。
測定を開始すると、まず初期化手順として、移動鏡44の基準位置、すなわち、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に、被測定物10を設置せず、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、表面反射素子3から出射する光束は、全てB2となる。なお、設置台16の表面で垂直反射された光束B3と光束B2との干渉縞の発生を避けるために、光ファイバ7から表面反射素子3までの間に絞りを設け、表面反射素子3にのみ光が照射されるようにしてもよい。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、表面反射素子3が被測定物10の円筒内部に位置するように、被測定物10をXYZステージ14上に設置する。このとき、上述したように、白色干渉縞は、光束B1とB2との間に生じる光路差Δlと、ΔL=2(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、干渉計4の移動鏡44を白色干渉縞が観測されるようになるまで後退させる。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、光路差ΔL=2(L2−L1)を求める(ステップS104)。干渉計4で生じる光路差が求まると、コントローラ6は、記憶部から、表面反射素子3の半径rの値を読み出す(ステップS105)。そして、被測定物10について求めた光路差ΔLと、その半径rの値から、(1)式にしたがって、被測定物10の内径Dを求める(ステップS106)。

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ΔLとしてもよい。

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、被測定物10の円筒内部に、表面反射素子3を配置することで、被測定物10の内径に応じた光路差を有する二つの光束を生成し、その光路差に対応する白色干渉縞の生成を可能とする。また、公知の製造技術を使用して、直径1mm以下のサイズであっても、真球度の高い表面反射素子を製造することができるため、内径測定装置1は、被測定物10の内径が小さい場合でも、その内径寸法を正確に測定することができる。さらに、表面反射素子3は、入射光を第1の光束と第2の光束に分割する際に表面で入射光を反射し、その内部に侵入した光を使用しないので、屈折率分散による光路差を生じない。そのため、内径測定装置1は、被測定物10の内径を正確に測定することができる。

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、上記の実施形態において、ウェッジプリズム12と表面反射素子3の間に集光レンズを配置して、収束光を表面反射素子3に入射させるようにしてもよい。例えば、表面反射素子3への入射光が設置台16の表面で焦点を結ぶように、集光レンズが構成されている場合について説明する。この場合、表面反射素子3の中心Oと頂点aとを結ぶ線と、その中心Oにて60度の角をなす法線が通る表面反射素子3の表面上の点cに、線aOに対して30度の角をなす光線が入射すると、表面反射素子3で反射されて被測定物10の円筒断面に対して平行な光となる(すなわち、光束B1となる)。

図7を参照しつつ、この場合における光束B1と、表面反射素子3の頂点aで反射される光束B2の光路差Δl'について説明する。まず、表面反射素子3が設置されていない場合における、収束光の等位相面70から設置台16表面の焦点fまでの光路長をLとする。この場合、光束B1に関して、表面反射素子3の中心Oを通る線aOから点cまでの距離は、r√3/2である。そこで、点cから被測定物10の内面S1までの距離Δd'は、D/2−r√3/2となる。また、点cから焦点fまでの距離は、√3rとなる。したがって、光束B1の、等位相面70から点c、内面S1を経由して再度等位相面70に到達するまでの光路長l1は、
1=2L−2×√3r+2Δd'=2L+D−3√3r (2)
となる。一方、光束B2の、等位相面70から頂点aで反射されて再び等位相面に到達するまでの光路長l2は、頂点aから焦点fまでの距離が2rであるから、
2=2L−2×2r=2L−4r (3)
となる。したがって、光束B1と光束B2の光路差Δl'は、(2)、(3)式より、以下のようになる。
Δl'=l1−l2=D+(4−3√3)r (4)

なお、表面反射素子3への入射光が焦点を結ぶ位置を調節することにより、表面反射素子3の他の位置で反射する光を、光束B1とすることができる。
また、光束B2として、表面反射素子3の頂点で垂直反射される光束の代わりに、設置台16の表面で垂直反射される光束を用いて、被測定物の内径Dを測定することができる。この場合、光束B1とB2との光路差Δl"は、例えば表面反射素子3への入射光が平行光の場合、(1)式より、Δl"=Δl−2・2r=D−(2+2√2)rとなる。

さらに、ウェッジプリズム12と表面反射素子3の間に、光束B1と光束B2のみを通すように構成されたマスク素子を配置してもよい。このようにマスク素子を配置することにより、白色干渉縞の生成と関係しない光が干渉計4に伝播することを防止できるので、検出器5により検出される干渉縞のS/N比を改善することができる。なお、このようなマスク素子は、光束B1あるいは光束B2が通る部分のみを透明あるいは中空とし、他の部分を不透明な部材で構成するか、その他の部分の表面に不透明な膜を設けることにより形成できる。

さらに、表面反射素子3に入射する前に、表面反射素子3の頂点aに垂直入射する光束と、表面反射素子3の他の位置に入射する光束とを分割してもよい。このような構成の例を図8(a)及び(b)に示す。図8(a)及び(b)では、理解を容易にするために、被測定物10と表面反射素子3、及びそれらに入射する光束の位置関係の説明に必要な構成要素のみを図示している。
図8(a)に示すように、白色光源からの光は、ハーフミラー81により、光束B1とB2に分割される。光束B1は、ミラー82でさらに反射されて表面反射素子3へ向かう。そして、その光束B1は、表面反射素子3で反射された後、被測定物10の内面S1で反射され、再度表面反射素子3で反射されて、元の入射方向と反対向きに進む。一方、光束B2は、ハーフミラー81で反射された後、表面反射素子3の頂点aで垂直反射されて、元の入射方向と反対向きに進む。この場合における、光束B1とB2の光路差は、表面反射素子3の半径rと、ハーフミラー81とミラー82間の距離と、光束B1が表面反射素子3へ入射する入射角と、被測定物10の内径Dに基づいて決定することができる。

さらに、図8(b)に示すように、ハーフミラー81よりも白色光源側に、もう一つのハーフミラー83を設置して、光束B1が反射される位置と同じ高さで、かつ、表面反射素子3の表面に対してなす角が光束B1と同一となる光束B3を生成してもよい。この場合、表面反射素子3が、被測定物10の内径に対して白色光源からの光と平行な方向に偏心して設置されていても、光束B1とB2間の光路差、及び光束B3とB2間の光路差を別途測定することにより、被測定物10の内径Dを測定することができる。

また、本発明において、被測定物の円筒内部に配置される表面反射素子は、球体に限られない。図9に、本発明の内径測定装置において、上記の表面反射素子3の代わりに使用可能な表面反射素子90の概略側面断面図を示す。図9では、理解を容易にするために、被測定物10と表面反射素子90、及びそれらに入射する光束の位置関係の説明に必要な構成要素のみを図示している。図9に示すように、この表面反射素子90は、三角プリズムの頂点近傍を、底面と平行な面で切り取った形状を有する。すなわち、表面反射素子90は、被測定物の軸方向に沿った断面における断面形状が台形となるように形成されている。頂面93を挟んで対称に形成される側面91、92は、その断面内で90°の角度をなすように、すなわち、底面と45度の角をなすように形成される。そして、表面反射素子90は、その底面が設置台16上に面し、頂面93が白色光源からの光が入射する側に位置し、側面91、92が被測定物10の軸に対してそれぞれ45°傾斜するように配置される。

この場合、白色光源からの光を平行光にして、被測定物10の軸に沿って表面反射素子の頂点及び側面91、92に入射する。このとき、頂面93で垂直反射される光束B2と、側面91、92で反射され、被測定物10の内面S1またはS2で垂直反射された後、再度その側面で反射される光束B1、B1'とが得られる。そして、光束B1とB2の光路差、及び光束B1'とB2の光路差を干渉計で測定することにより、被測定物10の内径を測定することができる。この場合における、光束B1と光束B2の光路差について、以下に説明する。

図9に示すように、側面91と92を仮想的に延長した場合に交わる点を点aとする。また、点aから被測定物10の内面S1までの距離をd1とする。また、表面反射素子90の底面の長さをxとし、頂面93から底面までの高さをhとする。なお、底面の長さxは、既知の長さ測定方法を用いて予め測定される。このとき、側面91及び92は被測定物10の軸に対して45°の角度をなしているので、点aから頂面93までの距離は(x/2−h)となる。したがって、光束B1と光束B2の光路差は、2(d1−(x/2−h))となる。同様に、光束B1'と光束B2の光路差は、点aから被測定物10の内面S2までの距離d2とすると、2(d2−(x/2−h))となる。したがって、被測定物10の内径Dは、d1、d2をそれぞれ上記の図6に示した手順に従って測定した後、d1とd2を合計することにより求められる。なお、光束B1とB2の光路差、及び光束B1'とB2の光路差を別個に測定するために、上述したシャッタ素子31を用いてもよい。
また、表面反射素子90の高さhは、設置台16の表面で反射される光束B3と、表面反射素子90の頂面93で反射される光束B2の光路差を、上記の手順に従ってこの内径測定装置1で測定することにより求められる。あるいは、その高さhを予め別の方法を用いて測定しておいてもよい。さらに、光束B2の代わりに、設置台16の表面で垂直反射される光束B3を用いて、被測定物の内径Dを測定することができる。この場合、光束B1、B1'とB3との光路差は、それぞれ、2d1−x、2d2−xとなる。

なお、表面反射素子として、上記の三角プリズムの頂点を切り取った形状のものを用いる代わりに、円錐あるいは多角錐の頂点を底面と平行な面で切り取った形状を有するものを用いることもできる。この場合でも、被測定物の軸を含む断面内において、頂面を挟んで対向する位置にある各側面は、それぞれ底面と45°の角度をなすように形成される。そして、表面反射素子は、その底面が設置台16上に面し、頂面が白色光源からの光が入射する側に位置し、各側面が被測定物10の軸に対してそれぞれ45°傾斜するように配置される。そして、白色光源からの光をその頂面に入射することにより、頂面で垂直反射される光束と、表面反射素子の側面で反射され、被測定物10の内面で垂直反射された後、再度その側面で反射される光束とを得る。そして、それら二つの光束の光路差を、干渉計で測定することにより、被測定物10の内径を測定することができる。

また、上記の実施形態の測定装置において、干渉計をフィゾー型の干渉計としてもよい。さらに、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。
さらに、表面反射素子側に配置された白色光源と、干渉計側に配置された検出器を入れ替えてもよい。この場合、干渉計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表面反射素子側へ送る。そして、表面反射素子では、受け取った二つの光束を、被測定物の内面で反射される光束と表面反射素子の頂点あるいは頂面で反射され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、干渉計側で発生させた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。 被測定物と表面反射素子の位置関係を示す概略配置図である。 表面反射素子により分割された二つの光束の光路差を示す図である。 (a)は、表面反射素子が被測定物に対して偏心している場合に被測定物の内径を測定するための構成を示す図であり、(b)はその構成で使用されるシャッタの平面図である。 内径測定装置を構成する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。 表面反射素子に収束光を入射した場合における、表面反射素子により分割された二つの光束の光路差を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ光束分割手段を用いて被測定物の内径に応じた光路差を有する複数の光束を生成する実施形態の概略側面図である。 表面反射素子の他の実施形態の概略側面断面図である。

符号の説明

1 内径測定装置
10 被測定物
2 白色光源
3 表面反射素子
4 干渉計
5 検出器
6 コントローラ
7、8 光ファイバ
9 ビームスプリッタ
11 コリメータレンズ
12 ウェッジプリズム
13 集光レンズ
14 XYZステージ
15 ステージコントローラ
16 設置台
31 シャッタ
32 開口
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
81、83 ハーフミラー
82 ミラー
90 表面反射素子

Claims (5)

  1. 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入射光から分割された第1の光束を前記被測定物で反射させ、前記入射光から分割された第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る表面反射素子と、
    位置が固定された固定鏡と、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、前記表面反射素子から出射した前記第1及び第2の光束を、それぞれ該固定鏡に向かう第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を求めるコントローラと、
    を有し、
    前記表面反射素子は前記入射光の一部を前記表面反射素子の表面の一部で反射して前記第1の光束を形成し、かつ、前記入射光の他の一部を前記表面反射素子の表面の他の一部で反射することにより前記第2の光束を形成することを特徴とする内径測定装置。
  2. 前記表面反射素子は球体であり、前記表面反射素子は、前記入射光の一部を該表面反射素子の表面の前記一部で反射して、前記被測定物の内面に略垂直に入射させることにより前記第1の光束を形成し、かつ、前記入射光の他の一部を前記表面反射素子の表面の前記他の一部である前記白色光源側の頂点で反射することにより前記第2の光束を形成する、請求項1に記載の内径測定装置。
  3. 前記表面反射素子は、前記被測定物の軸を含む平面における断面形状が台形となる形状を有し、前記表面反射素子は、前記入射光の一部を該表面反射素子の表面の前記一部である側面で反射して、前記被測定物の内面に略垂直に入射させることにより前記第1の光束を形成し、かつ、前記入射光の他の一部を前記表面反射素子の表面の前記他の一部である頂面で反射することにより前記第2の光束を形成する、請求項1に記載の内径測定装置。
  4. 前記白色光源から放射された光を前記第1の光束と前記第2の光束に分割する光束分割素子をさらに有する、請求項1〜3の何れか一項に記載の内径測定装置。
  5. 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干渉計と、
    前記干渉計から出射された前記第1の光束及び第2の光束から分割された第3の光束を前記被測定物で反射させ、前記第1の光束及び第2の光束から分割された第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る表面反射素子と、
    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を求めるコントローラと、
    を有し、
    前記表面反射素子は前記第1の光束及び第2の光束の一部を前記表面反射素子の表面の一部で反射して前記第3の光束を形成し、かつ、前記第1の光束及び第2の光束の他の一部を前記表面反射素子の表面の他の一部で反射することにより前記第4の光束を形成することを特徴とする内径測定装置。
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