特許 6101035 位相補正値の測定方法、および、端度器の端面間寸法の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6101035

(24)【登録日】2017年3月3日

(45)【発行日】2017年3月22日

(54)【発明の名称】位相補正値の測定方法、および、端度器の端面間寸法の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/02 20060101AFI20170313BHJP

   G01B 9/02 20060101ALI20170313BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/02 G

   G01B9/02

【請求項の数】2

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-225662(P2012-225662)

(22)【出願日】2012年10月11日

(65)【公開番号】特開2014-77707(P2014-77707A)

(43)【公開日】2014年5月1日

【審査請求日】2015年9月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100092901

【弁理士】

【氏名又は名称】岩橋 祐司

(72)【発明者】

【氏名】鳴海 達也

【審査官】 八木 智規

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２５４７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６２５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９４５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１４７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Alexandre Titov et al.，Precise interferometric length and phase-change measurement of gauge blocks based on reproducible wringing，APPLIED OPTICS，２０００年 ２月 １日，Vol. 39, No. 4，pp. 526-538

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を互いに可干渉な２光束に分け、一方を参照光、他方を測定光とし、前記測定光を端度器（ＧＢ_１）の端面に照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づいて前記端度器の相対向する端面間の光学的寸法（Ｌ_１０１）の測定を行ない、
さらに、前記測定光の反射時に生じる位相変化分を次の式、
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂ
によって補正することにより前記端度器の端面間の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）を取得する際に、必要となる前記端度器の２つの端面（１ａ、１ｂ）のそれぞれの位相補正値（δ_１ａ、δ_１ｂ）を測定する方法であって、
まず、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）と、これとは他の端度器（ＧＢ_２）と、表面反射における前記測定光の位相変化を無視できる基盤と、を用意する工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ｂ）を前記基盤に密着させて、該端度器に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づき、該端度器についての端面間の光学的寸法（Ｌ_１）の測定を行なう工程と、
前記他の端度器（ＧＢ_２）を前記基盤に密着させて、該端度器に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づき、該端度器についての端面間の光学的寸法（Ｌ_２）の測定を行なう工程と、
前記基盤と前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ｂ）とを密着状態にして、かつ、該寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ａ）と前記他の端度器（ＧＢ_２）とを密着状態にして、
これら前記基盤上に積み重ねられた２つの端度器（ＧＢ_１、ＧＢ_２）に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づいて、前記他の端度器（ＧＢ_２）における非密着側の端面から、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）における前記基盤と密着している端面までの間の光学的寸法（Ｌ_１２）の測定を行なう工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の光学的寸法（Ｌ_１）、前記他の端度器（ＧＢ_２）の光学的寸法（Ｌ_２）、及び前記積み重ねた状態の２つの端度器（ＧＢ_１、ＧＢ_２）についての光学的寸法（Ｌ_１２）から、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の一方の端面（１ａ）の位相補正値（δ_１ａ）を次の式、
δ_１ａ＝Ｌ_１２−（Ｌ_１＋Ｌ_２）
によって演算する工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の表裏面を逆にして、前記光学的寸法（Ｌ_１）、および、前記光学的寸法（Ｌ_１２）の測定を行なって、該寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の他方の端面（１ｂ）の位相補正値（δ_１ｂ）を次の式、
δ_１ｂ＝Ｌ_１２−（Ｌ_１＋Ｌ_２）
によって演算する工程と、を含むことを特徴とする位相補正値の測定方法。

【請求項2】

請求項１記載の測定方法で得られた２つの位相補正値（δ_１ａ，δ_１ｂ）を用いて、端度器（ＧＢ_１）の相対向する端面間の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）の測定を行なう方法であって、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の相対向する両端面へそれぞれ前記測定光を同時に照射し、該端度器（ＧＢ_１）の一方の端面からの反射光と参照光とによる干渉縞と、該端度器（ＧＢ_１）の他方の端面からの反射光と参照光とによる干渉縞と、に基づいて該端度器（ＧＢ_１）の端面間の光学的寸法（Ｌ_１０１）の測定を行なう工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の光学的寸法（Ｌ_１０１）、及び前記２つの位相補正値（δ_１ａ、δ_１ｂ）から該端度器（ＧＢ_１）の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）を次の式、
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂ
によって演算する工程と、を含むことを特徴とする端度器の端面間寸法の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光波干渉測定による光学的寸法に対する位相補正値の測定方法の改良に関する。および、測定した位相補正値を用いて端度器の端面間寸法を測定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

＜端度器およびその検査＞
長さの基準として端度器が広く用いられている。端度器は、その両端の面間距離で規定の寸法を表すものであり、代表的なものとしてブロックゲージがある。

【0003】

ブロックゲージ等の端度器は、極めて高い寸法精度をもち、その端面が他のブロックゲージの端面に容易に密着（リンギング）する。そして、数個のブロックゲージを密着することで１〜１０μｍ単位の基準寸法を作り出すことができる。その反面、このブロックゲージは、端面が常に他の端面と接触するような使い方をするので、傷や摩耗を生じやすく、材料の経年変化もあり、定期的な検査を必要とする。

【0004】

＜光波干渉測定装置＞
端度器の端面間寸法の検査をするには、より高い測定精度の検査装置が要求され、例えば、寸法を高分解能、非接触で測定できることから、光波干渉測定装置が一般的に用いられている。光波干渉測定装置には、ベースプレート等に端度器を密着させた状態で、端面間寸法の測定を行なう密着方式と、ベースプレート等を使用しないで非密着の状態で端面間寸法の測定を行なう非密着方式とがある。非密着方式では、端度器の両端面に向けて光を同時に照射し、それぞれの端面からの反射光による干渉縞を得る。ＣＣＤカメラ等で撮像した干渉縞の画像に基づいて端面間の寸法測定を行なう。両端面同時照射方式とも呼ばれる。この非密着方式は、端度器をベースプレートにリンギングさせる必要がなく、リンギングによる測定誤差の影響を回避できるため、端度器の検査装置として広く用いられるようになっている。（特許文献１の図２、および特許文献２を参照）。

【0005】

非密着方式の光波干渉測定について図５に基づいて補足する。図５は端度器ＧＢ_１の両端面に照射された測定光およびその反射光の光路を模式的に示している。光波干渉測定により測定される端度器ＧＢ_１の光学的寸法はＬ_１０１で示される。しかし、図中のＬ_ＧＢ１で示す機械的寸法が通常の検査対象になるので、補正が必要になる。機械的寸法Ｌ_ＧＢ１は、ノギス等の接触式の測長計で測定される寸法を指す。２つの寸法に差が生じるのは、光波干渉測定では各端面において測定光に位相変化（phase change）が生じるからである。その位相変化をδで示すと、機械的寸法Ｌ_ＧＢ１は、次式のように光学的寸法Ｌ_１０１に各端面の位相変化を足し加えた寸法で表わすことができる。
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋２×δ ・・・（１）

【0006】

＜位相変化＞
光波干渉測定における位相変化は、位相差とも呼ばれ、発生する原因によって２つに区別される。１つは端面の表面粗さによって生じる位相変化で、もう１つは端度器の材質の光学的性質（複屈折率）によって生じる位相変化である。表面粗さが位相変化に与える影響、及び、複屈折率が位相変化に与える影響について、端度器の材質ごとの有無を表１に示す。
（表１）
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
端度器の材質 表面粗さの影響 複屈折率の影響
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
金属 あり あり
セラミック あり なし
ガラス なし（無視できる） なし
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

【0007】

位相変化に相当する正確な補正値（位相補正値δとする。）が分かっていれば、上記の式（１）を用いることにより、光波干渉測定による光学的寸法の位相変化分を補正して機械的寸法を高い精度で取得することができる。

【0008】

＜位相補正値の測定方法＞
位相補正値δを測定する従来の方法として、主に３つの方法がある。
１．表面粗さと屈折率の測定値から算出する方法
２．ベースプレートを使用する方法（補助ゲージ法）
３．積み上げ法（スタック法）

【0009】

一番目の方法は、端度器の表面粗さ、および、表面屈折率を直接測定して、その測定値から位相補正値δを算出するものである。しかし、この方法では、表面粗さ測定機により表面粗さを測定して前述の形状補正値を決定し、エリプソメータにより複屈折率を測定して前述の光学補正値を決定するという作業が必要になり、また、それぞれの測定装置が光波干渉測定装置とは別に必要になるという点で、手間と費用がかかり過ぎるという問題がある。

【0010】

二番目の補助ゲージ法では、図６に示すように、鋼製のベースプレートと合成石英やＢＫ７等のガラス製のベースプレートとを用いて２通りの光波干渉測定を行なう。この方法では、表１のようにガラス製のベースプレートが複屈折率による位相変化をほとんど生じず、また、表面の粗さを小さくする加工を用いることによって表面粗さによる位相変化もほとんど生じないという特徴を利用して、位相補正値δを求めている。

【0011】

具体的には、図６（Ａ）のように端度器ＧＢ_１を２種類のベースプレートＢＰ_１，ＢＰ_２に載置して、同図（Ｂ），（Ｃ）のように２通りの端面間寸法の測定を行なう。同図（Ｂ）では、端度器ＧＢ_１と同一材質である鋼製のベースプレートＢＰ_１を準備して、両者をリンギングして、端度器ＧＢ_１の端面間の光学的寸法Ｌ_２０１を測定する。つまり、測定光の一部は端度器ＧＢ_１の端面を反射し、測定光の他の部分はベースプレートＢＰ_１の表面を反射する。端度器ＧＢ_１とベースプレートＢＰ_１の材質が同一であることから、端度器ＧＢ_１を反射する際の位相変化とベースプレートＢＰ_１を反射する際の位相変化とを相殺できる。この測定による光学的寸法Ｌ_２０１は、端度器ＧＢ_１の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１、及び位相変化（δで示す。）を用いると、次式となる。
Ｌ_２０１＝Ｌ_ＧＢ１−δ＋δ＝Ｌ_ＧＢ１ ・・・（２）

【0012】

次に同図（Ｃ）に示す測定では、合成石英やＢＫ７等のガラス構造の材質で形成されたベースプレートＢＰ_２を準備して、このベースプレートＢＰ_２に同図（Ｂ）の測定で用いた端度器ＧＢ_１をリンギングして、同図（Ｂ）と同様に端度器ＧＢ_１の端面間の光学的寸法Ｌ_２０２を測定する。前述のように合成石英やＢＫ７等のガラスにおいては、その表面反射における測定光の位相変化は無視できるレベルとなる。この測定による光学的寸法Ｌ_２０２は、端度器ＧＢ_１の位相変化（δで示す。）を用いて、次式で表わされる。
Ｌ_２０２＝Ｌ_ＧＢ１−δ ・・・（３）

【0013】

従って、端度器ＧＢ_１の位相補正値δは、式（２），（３）から導かれる次式により算出される。
δ＝Ｌ_２０１−Ｌ_２０２ ・・・（４）

【0014】

補助ゲージ法では、式（２）から明らかなように同一材質の端度器ＧＢ_１とベースプレートＢＰ_１の位相変化が同じであることを前提としている。しかし、より正確な位相補正値δを測定するためには、材質が同一であっても形状や表面状態によって位相変化が異なることを考慮して位相補正値を測定した方がよい。

【0015】

三番目の積み上げ法は、二番目の補助ゲージ法の測定原理を拡張したものであり、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、同一材質の複数個の端度器（ここでは、３個の鋼製の端度器ＧＢ_１〜ＧＢ_３を用いる場合を例示する。）を用いて複数種類の光波干渉測定を行ない、測定された複数の光学的寸法Ｌ_３０１〜Ｌ_３０４を用いて位相補正値δを算出するというものである。ベースプレートＢＰ_２には、合成石英やＢＫ７等のガラス製のものを用いる。

【0016】

第１の測定は、図７（Ａ）のように、端度器ＧＢ_１を単独でベースプレートＢＰ_２にリンギングして、補助ゲージ法と同様に端度器ＧＢ_１の端面間の光学的寸法Ｌ_３０１を測定する。第２、第３の測定は、同図（Ｂ），（Ｃ）のように、端度器ＧＢ_２、ＧＢ_３をそれぞれ単独でベースプレートＢＰ_２にリンギングして、各端度器の端面間の光学的寸法Ｌ_３０２，Ｌ_３０３を測定する。

【0017】

３個の端度器を単独で測定した場合の、光学的寸法Ｌ_３０１〜Ｌ_３０３及び機械的寸法Ｌ_ＧＢ１〜Ｌ_ＧＢ３との関係は、各端度器の位相変化をδとすると、次式のようになる。
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_３０１＋δ
Ｌ_ＧＢ２＝Ｌ_３０２＋δ ・・・（５）
Ｌ_ＧＢ３＝Ｌ_３０３＋δ

【0018】

第４の測定は、図７（Ｄ）のように、３個の端度器ＧＢ_１〜ＧＢ_３をリンギングによって積み上げて、ベースプレートＢＰ_２にリンギングさせる。つまり、ベースプレートＢＰ_２上に任意の順番に積み重ねられた３個の端度器について、その端面間の光学的寸法Ｌ_３０４を測定する。この光学的寸法Ｌ_３０４は、端度器３個分の厚さに相当するが、正確には最上部の端度器ＧＢ_１にて測定光の位相変化が生じるため、端度器３個分の機械的寸法よりもその位相変化分だけ短くなる。

【0019】

従って、積み上げられた状態の３個分の端度器の光学的寸法Ｌ_３０４は、３個の端度器のそれぞれの機械的寸法Ｌ_ＧＢ１，Ｌ_ＧＢ２，Ｌ_ＧＢ３の和から１つ分の位相補正値δを差し引いた寸法に等しいと言え、さらに式（５）の関係により、次式のようになる。
Ｌ_３０４＝Ｌ_ＧＢ１＋Ｌ_ＧＢ２＋Ｌ_ＧＢ３−δ
＝Ｌ_３０１＋Ｌ_３０２＋Ｌ_３０３＋２δ ・・・（６）
すなわち、積み上げ法により得られる位相補正値δは、次式で表わされる。
δ＝（Ｌ_３０４−（Ｌ_３０１＋Ｌ_３０２＋Ｌ_３０３））／２ ・・・（７）

【0020】

式（７）は３個の端度器を使用する場合に得られる位相補正値δの式であるが、一般化してｎ個の端度器を使用する場合に得られる位相補正値δの式は、次式のようになる。
δ＝（Ｌ_ＡＬＬ−ΣＬｎ）／（ｎ−１） ・・・（８）

【0021】

積み上げ法によれば、補助ゲージ法とは異なり、同一のベースプレートＢＰ_２だけを用いて位相補正値を取得することができるので、補助ゲージ法よりも正確な位相補正値が得られる。さらに、複数個の端度器ＧＢ_１〜ＧＢ_３を積み上げて、その状態で複数個分を合わせた端面間の寸法Ｌ_３０４を測定するので、同一材料の複数の端度器における平均的な位相補正値δを取得することができる。このように、積み上げ法で取得した位相補正値δは、同一材料の端度器についての代表値として用いることが可能であり、この代表値を使用して各端度器の光学的寸法の補正を行なうことにより、端度器の端面間の機械的寸法を一定の精度レベルで測定することが可能であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0022】

【特許文献1】特開２００３−１９４５２３号公報（図２）

【特許文献2】特開２００５−２１４７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0023】

しかしながら、近年、産業界等から要求される端度器の寸法精度は更に高いレベルとなり、これに伴って端度器の検査方法を見直す必要が生じてきた。まず、本発明の第１の目的は、従来の方法では達成困難な高い測定精度で端度器の端面間寸法を測定することができる方法を提供することである。また、本発明の第２の目的は、光波干渉測定による光学的寸法に対して位相補正を行なうための位相補正値を高い測定精度で測定できる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0024】

従来の積み重ね法では、同一材質で表面粗さの揃った複数の端度器について、共通の位相補正値（代表値）を用いて光学的寸法の補正を行なっていた。そのため、使用する位相補正値としては、できる限り数多くの端度器について予備測定を行なって得た代表値を用いることが好ましいと考えられていた。そして、このような代表値を用いることにより、一定の精度レベルでの測定が可能であった。

【0025】

このような状況下において発明者は、従来の位相補正値の測定方法を詳細に見直し、同一材質の端度器であっても、例えば加工ロット毎に位相変化の生じ方が微妙に異なっている点に着目した。そして、端度器の単体ごとに異なっている位相変化をも適切に反映させた位相補正値を測定する方法を見出し、これによって、従来よりも高い精度で端度器の端面間寸法を取得できる方法を完成させた。

【0026】

すなわち、本発明に係る位相補正値の測定方法は、
光を互いに可干渉な２光束に分け、一方を参照光、他方を測定光とし、前記測定光を端度器（ＧＢ_１）の端面に照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づいて前記端度器の相対向する端面間の光学的寸法（Ｌ_１０１）の測定を行ない、
さらに、前記測定光の反射時に生じる位相変化分を次の式、
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂ
によって補正することにより前記端度器の端面間の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）を取得する際に、前記端度器の２つの端面（１ａ、１ｂ）のそれぞれの位相補正値（δ_１ａ、δ_１ｂ）を測定する方法であって、
まず、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）と、これとは他の端度器（ＧＢ_２）と、表面反射における前記測定光の位相変化を無視できる基盤と、を用意する工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ｂ）を前記基盤に密着させて、該端度器に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づき、該端度器についての端面間の光学的寸法（Ｌ_１）の測定を行なう工程と、
前記他の端度器（ＧＢ_２）を前記基盤に密着させて、該端度器に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づき、該端度器についての端面間の光学的寸法（Ｌ_２）の測定を行なう工程と、
前記基盤と前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ｂ）とを密着状態にして、かつ、該寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の端面（１ａ）と前記他の端度器（ＧＢ_２）とを密着状態にして、
これら前記基盤上に積み重ねられた２つの端度器（ＧＢ_１、ＧＢ_２）に前記測定光を照射し、その反射光と前記参照光とによる干渉縞に基づいて、前記他の端度器（ＧＢ_２）における非密着側の端面から、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）における前記基盤と密着している端面までの間の光学的寸法（Ｌ_１２）の測定を行なう工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の光学的寸法（Ｌ_１）、前記他の端度器（ＧＢ_２）の光学的寸法（Ｌ_２）、及び前記積み重ねた状態の２つの端度器（ＧＢ_１、ＧＢ_２）についての光学的寸法（Ｌ_１２）から、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の一方の端面（１ａ）の位相補正値（δ_１ａ）を次の式、
δ_１ａ＝Ｌ_１２−（Ｌ_１＋Ｌ_２）
によって演算する工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の表裏面を逆にして、前記光学的寸法（Ｌ_１）、および、前記光学的寸法（Ｌ_１２）の測定を行なって、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の他方の端面（１ｂ）の位相補正値（δ_１ｂ）を次の式、
δ_１ｂ＝Ｌ_１２−（Ｌ_１＋Ｌ_２）
によって演算する工程と、を含むことを特徴とする。

【0027】

ここで、前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の相対向する２つの端面（１ａ，１ｂ）についてそれぞれ位相補正値（δ_１ａ，δ_１ｂ）を測定することが好ましい。

【0028】

また、本発明に係る測定方法は、前記位相補正値の測定方法で得られた２つの位相補正値（δ_１ａ，δ_１ｂ）を用いて、端度器（ＧＢ_１）の相対向する端面間の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）の測定を行なう方法であって、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の相対向する両端面へそれぞれ前記測定光を同時に照射し、該端度器（ＧＢ_１）の一方の端面からの反射光と参照光とによる干渉縞と、該端度器（ＧＢ_１）の他方の端面からの反射光と参照光とによる干渉縞と、に基づいて該端度器（ＧＢ_１）の端面間の光学的寸法（Ｌ_１０１）の測定を行なう工程と、
前記寸法測定対象の端度器（ＧＢ_１）の光学的寸法（Ｌ_１０１）、及び前記２つの位相補正値（δ_１ａ、δ_１ｂ）から該端度器（ＧＢ_１）の機械的寸法（Ｌ_ＧＢ１）を次の式、
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂ
によって演算する工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0029】

従来の積み上げ法により位相補正値の代表値を測定する方法では、図７（Ｄ）のように３、４個の端度器を積み重ねた状態にして、最下面から最上面までの面間寸法Ｌ_３０４を測定する。従って、一度に２箇所、３箇所の密着面を含む面間寸法Ｌ_３０４を測定していることになる。端度器を密着させる作業は、多くの経験に支えられた高度な技術を要し、複数の個所に一様の密着面を形成することは至難の業である。さらに、高い精度の位相補正値を測定する場合には、このような密着面のばらつきが位相補正値に与える影響を無視することができなくなっていた。

【0030】

これに対して、本発明に係る位相補正値の測定方法では、端度器ＧＢ_１の単体固有の位相変化を測定し、単体固有の位相変化をそのまま反映した位相補正値δ_１を決定している。すなわち、本発明には、３、４個の端度器の平均的な位相変化を測定して位相補正値の代表値を決定するという発想はなく、基盤に積み重ねる端度器は最大でも２個でよい。２個の端度器であれば、積み重ねる際の密着作業も比較的容易となり、密着面のばらつきが位相補正値に与える影響も小さくなる。よって、端度器の単体ごとに異なっている位相変化をも適切に反映させた位相補正値δ_１を容易に、かつ高い測定精度で測定することができる。

【0031】

そして、測定対象の端度器ＧＢ_１の表裏の端面についての固有の位相補正値δ_１ａ、δ_１ｂを取得するとともに、これらの位相補正値を用いて、両端面干渉測定装置１００により測定された端度器ＧＢ_１の端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１を、Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂに基づいて位相補正するので、従来よりも高い測定精度で端度器の端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の位相補正値の測定方法に係る光波干渉測定装置の概念図であり、（Ａ）はトワイマングリーン干渉計の全体構成図、（Ｂ）は観察される干渉縞の模式図である。

【図2】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の位相補正値の測定方法の手順を示す図である。

【図3】本発明の端度器の端面間寸法の測定方法に係る非密着方式の光波干渉測定装置の全体構成図である。

【図4】（Ａ）は端度器の端面間寸法を測定する従来の手順を示す図であり、（Ｂ）は本発明に係る端度器の端面間寸法を測定する手順を示す図である。

【図5】従来の非密着方式の光波干渉測定において端度器の両端面に照射された測定光の光路を模式的に示した図である。

【図6】（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の補助ゲージ法により位相補正値を測定する手順を示す図である。

【図7】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の積み上げ法により位相補正値を測定する手順を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

＜位相補正値の測定方法＞
本発明に係る位相補正値の測定方法についての一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、図１（Ａ）に示すトワイマングリーン干渉計（以下、干渉計１０）を用いて位相補正値を測定する。

【0034】

干渉計１０は、波長λのレーザを発するレーザ光源ＬＳと、レーザ光源ＬＳからのレーザを平行光束にするコリメータレンズＣＬと、平行レーザの光軸との交角が４５度になるようにコリメータレンズＣＬに対して配置されたハーフミラーＨＭと、ハーフミラーＨＭを反射した平行レーザの進行方向に配置された参照鏡ＲＭと、ハーフミラーＨＭを透過した平行レーザの進行方向に配置されたベースプレートＢＰ_２と、ハーフミラーＨＭを反射した平行レーザの光軸上であってハーフミラーＨＭに対して参照鏡ＲＭとは反対側に配置されたスクリーンＳＣとを備える。光波干渉測定の際、ベースプレートＢＰ_２に１または複数の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２が載置される。

【0035】

レーザ光源ＬＳからの平行レーザは、その一部分がハーフミラーＨＭを反射して参照鏡ＲＭへ向かい参照光となり、その他の部分はハーフミラーＨＭを透過してベースプレートＢＰ_２へ向かい測定光となる。参照光ＲＭの反射面は、ハーフミラーＨＭを反射した平行レーザの光軸に対して垂直になるように、参照鏡ＲＭの姿勢が決められている。同様にベースプレートＢＰ_２の表面（リンギング面）は、ハーフミラーＨＭを透過した平行レーザの光軸に対して垂直になるように、ベースプレートＢＰ_２の姿勢が決められている。

【0036】

参照鏡ＲＭを反射した平行レーザ（参照光）はハーフミラーＨＭに戻され、そのハーフミラーＨＭを透過して、スクリーンＳＣへ向かう。また、ベースプレートＢＰ_２を反射した平行レーザ（測定光）はハーフミラーＨＭに戻され、そのハーフミラーＨＭを反射して、参照光とともにスクリーンＳＣへ向かう。従って、スクリーンＳＣでは測定光と参照光による干渉縞が観察され、もしくは撮像されて画像処理される。つまり、ベースプレートＢＰ_２のリンギング面に何も密着されていない状態での干渉縞は、一種類だけ観察される。

【0037】

図１（Ａ）に示すように、ベースプレートＢＰ_２のリンギング面に２個の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２を密着により積み重ねた場合には、ハーフミラーＨＭからの測定光の一部分が端度器ＧＢ_２の表面を反射し、測定光の他の部分がベースプレートＢＰ_２の表面を反射することになる。その結果、スクリーンＳＣ上には、図１（Ｂ）に示すように、１つの視野内に２種類の干渉縞が観察されることになる。同図（Ｂ）にて円形輪郭はベースプレートＢＰ_２の平面形状もしくはＣＣＤカメラ等の視野である。内側の矩形輪郭は端度器ＧＢ_２の平面形状であり、その内側の干渉縞は、この端度器ＧＢ_２を反射した測定光と参照光との干渉により生じたものである。矩形輪郭の外側の干渉縞は、ベースプレートＢＰ_２を反射した測定光と参照光との干渉により生じたものである。

【0038】

次に、同図（Ｂ）の干渉縞の画像を処理する。まず、矩形輪郭の外側の干渉縞における基準となる暗部（図中のほぼ中心を通る暗部）を定める。また、矩形輪郭の内側の干渉縞から、基準にした暗部に最も近い暗部を定める。そして、定めた２つの暗部の間隔（図中の寸法ｂ）を取得する。また、矩形輪郭の内側の干渉縞における暗部のピッチ（図中の寸法ａ）を取得する。これらの間隔やピッチの取得には、既存の画像処理を適用することができる。寸法ａ，ｂより、端度器の端数部ε（＝ｂ／ａ）が得られる。

【0039】

ベースプレートＢＰ_２上に積み重ねた２枚分の端度器の光学的寸法Ｌ_１２は、一般的に次式により算出することができる。
Ｌ_１２＝（λ／２）・（Ｎ＋ε） ・・・（９）
ここで、Ｎは端度器の整数部であり、予備測定で得たＮを用いてもよいし、公知の合致法で得たＮを用いてもよい。合致法では、複数の波長のレーザで同一の端度器を測定し、式（９）についての複数の式を得る。そして整数条件に基づき整数部Ｎを決定するものである。

【0040】

本発明の位相補正値の測定方法において特徴的なことは、上記の干渉計１０を使って、図２のようにベースプレートＢＰ_２のリンギング面に２個の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２を単独または積み重ねた状態で密着させて、それぞれの光学的寸法Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_１２を測定し、これらの測定値に基づいて端度器ＧＢ_１に固有の位相補正値δ_１を取得する点にある。

【0041】

図２（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて、位相補正値の測定方法について詳しく説明する。使用する複数の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２は同一材質であればよく、その材質がどのような種類のものであるかについては問わない。まず、同一材質の２個の鋼製の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２と、基盤としてガラス製のベースプレートＢＰ_２を準備する。２個の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２のうち、端度器固有の位相補正値を測定したい方を「測定対象の端度器ＧＢ_１」と呼び、他方を単に「他の端度器ＧＢ_２」と呼んで区別する。ベースプレートＢＰ_２は、同じ材質ならば何でもよいが、特に合成石英やＢＫ７等のガラス製がよい。その他の反射時の位相変化が小さい材質からなるベースプレートとしてもよい。

【0042】

第１の測定は、図２（Ａ）のように、測定対象の端度器ＧＢ_１を単独でベースプレートＢＰ_２にリンギングして、端度器ＧＢ_１の端面間の光学的寸法Ｌ_１を測定する。
第２の測定は、同図（Ｂ）のように、他の端度器ＧＢ_２を単独でベースプレートＢＰ_２にリンギングして、端度器ＧＢ_２の端面間の光学的寸法Ｌ_２を測定する。
第１、２の測定により、ベースプレートＢＰ_２に密着した状態のそれぞれの端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２についての端面間の光学的寸法Ｌ_１，Ｌ_２が得られる。

【0043】

第３の測定では、同図（Ｃ）のように、ベースプレートＢＰ_２と測定対象の端度器ＧＢ_１とをリンギングにより密着状態にして、かつ、測定対象の端度器ＧＢ_１と他の端度器ＧＢ_２とをリンギングにより密着状態にする。つまり、ベースプレートＢＰ_２上に２個の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２を所定の順番で積み重ねた状態にする。そして、上側の端度器ＧＢ_２の非密着側の端面（上面）に向けて測定光を照射し、２個分の端度器ＧＢ_１，ＧＢ_２の光学的寸法Ｌ_１２を測定する。測定される光学的寸法Ｌ_１２は、上段の端度器ＧＢ_２における非密着側の端面（上面）から、下段の端度器ＧＢ_１におけるベースプレートＢＰ_２との密着面（下面）までの端面間の光学的寸法になる。

【0044】

ここで、第２の測定にて、測定光が照射される端度器ＧＢ_２の端面（上面）と、第３の測定にて、測定光が照射される端度器ＧＢ_２の端面（上面）とが同一面になるように注意する必要がある。同一の端度器ＧＢ_２であっても相対向する２つの端面では、それぞれ固有の位相変化が生じるため、使用する端度器の表裏まで管理した状態で、各測定を行なう必要がある。同様に、第１の測定にて、測定光が照射した端度器ＧＢ_１の端面（上面）と、第３の測定にて、他の端度器ＧＢ_２にリンギングされる端度器ＧＢ_１の端面（上面）とが同一面になるように注意する必要がある。

【0045】

次に、測定された複数の光学的寸法Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_１２を用いて測定対象の端度器ＧＢ_１に固有の位相補正値δ_１を算出する方法を説明する。図２（Ｃ）からも明らかなように、第３の測定で得られた２個分の端度器の光学的寸法Ｌ_１２は、第１及び第２の測定で得られた各端度器の光学的寸法Ｌ_１，Ｌ_２を合計したものよりも、測定対象の端度器ＧＢ_１の端面（上面）についての位相変化分（δ_１で示す。）だけ大きい。従って、光学的寸法Ｌ_１２は次式になる。
Ｌ_１２＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋δ_１ ・・・（１０）
つまり、測定対象の端度器ＧＢ_１に固有の位相補正値δ_１が次式により算出される。
δ_１＝Ｌ_１２−（Ｌ_１＋Ｌ_２） ・・・（１１）

【0046】

＜端度器の表裏面にそれぞれ固有の位相補正値を測定する方法＞
上記の第１及び第３の測定において、測定対象の端度器ＧＢ_１の表裏面を逆にして、それぞれ光学的寸法Ｌ_１，Ｌ_１２を測定すれば、測定対象の端度器ＧＢ_１の表裏の端面についての固有の位相補正値を取得できる。ここで、端度器ＧＢ_１の相対向する２つの端面を１ａ、１ｂで表わし、それぞれの位相補正値をδ_１ａ、δ_１ｂで表わす。

【0047】

＜端度器の端面間寸法の測定方法＞
以降では、本発明に係る端度器の端面間寸法の測定方法の一実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態では、図３に示す非密着方式の光波干渉測定装置（両端面干渉測定装置１００）を用いて端度器の端面間寸法（機械的寸法Ｌ_ＧＢ１）を測定する。この測定には、前述の実施形態に係る測定方法によって取得された端度器ＧＢ_１の相対向する２つの端面１ａ，１ｂについての固有の位相補正値δ１ａ，δ１ｂを用いる。

【0048】

図３に示す両端面干渉測定装置１００は、レーザ光源２２と、コリメータレンズ２４と、前置反射鏡２６と、前置ハーフミラー２８と、第一干渉手段２９と、第二干渉手段３０とを備える。第一干渉手段２９は、第一ハーフミラー３１と、第一参照鏡３２とを備える。第一干渉手段２９の後段に第一スクリーン３４と、第一ＣＣＤカメラ３６とを備える。第二干渉手段３０は、第二ハーフミラー３８と、第二参照鏡４０とを備える。第二干渉手段３０の後段に第二スクリーン４２と、第二ＣＣＤカメラ４４とを備える。

【0049】

まず、端度器ＧＢ_１の相対向する端面１ａ，１ｂの両方に対して可干渉光（測定光）１６，１８を入射させて光波干渉測定を行う両端面干渉計１００の所定光路上に、端度器ＧＢ_１をその測長軸を一致させて配置する。
レーザ光源２２からの可干渉光は、コリメータレンズ２４、前置反射鏡２６を経由して、前置ハーフミラー２８まで導光される。そして、第一ハーフミラー３１は、前置ハーフミラー２８で分割された第一分割光を端度器ＧＢ_１に向けて反射させる。この第一分割光は、所定のビーム径及び波長を持つ可干渉光１６である。第一ハーフミラー３１から端度器ＧＢ_１に向かう可干渉光１６は、その一部が該端度器ＧＢ_１の一方の端面１ａを反射して、第一ハーフミラー３１に戻り、かつ、その残りが端度器ＧＢ_１の脇を通過して第二ハーフミラー３８に入射する。

【0050】

第二ハーフミラー３８は、前置ハーフミラー２８で分割された第二分割光を端度器ＧＢ_１に向けて反射させる。この第二分割光は、前記可干渉光１６と同じビーム径及び波長を持つ可干渉光１８である。第二ハーフミラー３８から端度器ＧＢ_１に向かう可干渉光１８は、その一部が該端度器ＧＢ_１の他方の端面１ｂを反射して、第二ハーフミラー３８に戻り、かつ、その残りが端度器ＧＢ_１の脇を通過して第一ハーフミラー３１に入射する。

【0051】

そして、第一ハーフミラー３１において、端度器ＧＢ_１の脇を通過してきた第二ハーフミラー３８からの可干渉光１８と、第一参照光とが重なり合って基準干渉縞が形成される。第一参照光とは、前置ハーフミラー２８からの第一分割光が第一ハーフミラー３１を透過し第一参照鏡３２で反射された可干渉光である。かつ、端度器ＧＢ_１の一方の測定面１ａの反射光と、前記第一参照光とが重なり合って測定干渉縞が形成される。

【0052】

第二ハーフミラー３８においても、端度器ＧＢ_１の脇を通過してきた第一ハーフミラー３１からの可干渉光１６と、第二参照光とが重なり合って基準干渉縞が形成される。第二参照光とは、前置ハーフミラー２８からの第二分割光が第二ハーフミラー３８を透過し第二参照鏡４０で反射された可干渉光である。かつ、端度器ＧＢ_１の他方の測定面１ｂの反射光と、前記第二参照光とが重なり合って測定干渉縞が形成される。

【0053】

第一ＣＣＤカメラ３６は、第一ハーフミラー３１で得られた基準干渉縞及び測定干渉縞をそれぞれ同時に観察する。第二ＣＣＤカメラ４４は、第二ハーフミラー３８で得られた基準干渉縞及び測定干渉縞をそれぞれ同時に観察する。

【0054】

そして、端度器ＧＢ_１の相対向する端面間の予備値、並びに、第一ＣＣＤカメラ３６で観察された基準干渉縞５４と測定干渉縞５６との位相差、及び第二ＣＣＤカメラ４４で観察された基準干渉縞５８と測定干渉縞６０との位相差に基づいて、端度器ＧＢ_１の相対向する端面間の光学的寸法Ｌ_１０１を求める。

【0055】

さらに、端度器ＧＢ_１の２つの端面１ａ，１ｂにおける固有の位相補正値δ１ａ，δ１ｂに基づいて、光学的測定長Ｌ_１０１の位相補正を行なって、端度器ＧＢ_１の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１を次式から取得する。
Ｌ_ＧＢ１＝Ｌ_１０１＋δ_１ａ＋δ_１ｂ ・・・（１２）

【0056】

＜本実施形態の効果＞
従来の積み上げ法により位相補正値の代表値を測定する方法では、図７（Ｄ）のように３、４個の端度器を積み重ねた状態にして、最下面から最上面までの面間寸法Ｌ_３０４を測定する。従って、一度に２箇所、３箇所の密着面を含む面間寸法Ｌ_３０４を測定していることになる。端度器を密着させる作業は、多くの経験に支えられた高度な技術を要し、複数の個所に一様の密着面を形成することは至難の業である。さらに、高い精度の位相補正値を測定する場合には、このような密着面のばらつきが位相補正値に与える影響を無視することができなくなっていた。

【0057】

これに対して、本発明に係る位相補正値の測定方法では、端度器ＧＢ_１の単体固有の位相変化を測定し、単体固有の位相変化をそのまま反映した位相補正値δ_１を決定している。すなわち、本発明には、３、４個の端度器の平均的な位相変化を測定して位相補正値の代表値を決定するという発想はなく、基盤に積み重ねる端度器は最大でも２個でよい。２個の端度器であれば、積み重ねる際の密着作業も比較的容易となり、密着面のばらつきが位相補正値に与える影響も小さくなる。よって、端度器の単体ごとに異なっている位相変化をも適切に反映させた位相補正値δ_１を容易に、かつ正確に測定することができる。

【0058】

そして、測定対象の端度器ＧＢ_１の表裏の端面についての固有の位相補正値δ_１ａ、δ_１ｂを取得するとともに、これらの位相補正値を用いて、両端面干渉測定装置１００により測定された端度器ＧＢ_１の端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１を式（１２）に基づいて位相補正するので、従来よりも高い精度で端度器の端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢ１を取得することができる。

【0059】

図４（Ａ）は、従来の積み上げ法により、位相補正値δの代表値を取得して、端度器の端面間寸法の位相補正を行なった場合の測定結果を示す。同図（Ａ）のように、Ｎ個の端度器に対して端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢＮを測定すると（Ｎは、自然数でありＮ番目の端度器を示す。）、位相補正後の測定値Ｌ_ＧＢＮは、Ｌ_Ｎ＋２δで表わされる。すなわち、どの端度器も共通の位相補正値δによって補正されることになる。
端度器の呼び寸法に対する寸法許容差が±０．０４μｍ程度である場合に、従来の積み上げ法によって端度器の機械的寸法を測定すると、その標準偏差は１０ｎｍ程度であった。

【0060】

一方、図４（Ｂ）は、本発明の位相補正値の測定方法により、端度器の固有の位相補正値δ１ａ，δ１ｂを取得して、端度器の端面間寸法の位相補正を行なった場合の測定結果を示す。同図（Ｂ）のように、Ｎ個の端度器に対して端面間の機械的寸法Ｌ_ＧＢＮを測定すると、本発明による位相補正後の測定値Ｌ_ＧＢＮは、Ｌ_Ｎ＋δ１ａ+δ１ｂで表わされる。このように、端度器の単体ごとに異なっている位相変化を適切に反映させた位相補正値δ１ａ，δ１ｂにより、位相補正が実行されることになる。その結果、端度器の呼び寸法に対する寸法許容差が±０．０４μｍ程度である場合に、本発明の測定方法による端度器の機械的寸法の標準偏差は５ｎｍ以下のレベルを達成できる。

【0061】

なお、上記の実施形態では、図２に示す測定手順の中で、同図（Ｃ）での積み重ねる順番を入れ替えるだけで、他の端度器ＧＢ２についても「測定対象の端度器」として固有の位相補正値を容易に取得することができる。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明は、ブロックゲージ等の端度器の校正をする方法に適用できる。本発明に用い得る光波干渉測定装置としては、例えば、ブロックゲージ自動光波干渉計や、長尺ブロックゲージ光波干渉計等がある。

【符号の説明】

【0063】

１０ トワイマングリーン干渉計
１００ 両端面干渉測定装置
１ａ，１ｂ 端度器の表裏の端面
ＧＢ_１，ＧＢ_２ 端度器
ＢＰ２ ベースプレート（基盤）
Ｌ_ＧＢ１，Ｌ_ＧＢ２ 端面間の機械的寸法
Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_１２ 端面間の光学的寸法
δ_１，δ_１ａ，δ_１ｂ 位相補正値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】