JP5366112B2 - 内径測定装置 - Google Patents

Description

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、
ｌ₁＝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、
ｌ₂＝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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