JP2003524760A - 技術的表面における小さな周期的うねりを検出および測定するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、技術的表面が光線（一次光）によって照射され、この表面から戻される二次光が検出される、技術的表面における小さな周期的うねりを検出する方法及び構成に関する。この方式でロバスト的な製作作業状況においてでも、迅速で支えなく、再現可能な情報力で測定を実施できるように、本発明では（被加工物表面にかすめるように）被加工物表面に予想される周期的うねりに対しほぼ直角に向けられる単色コヒーレント一次光を用いる。これによって、二次光束中には波状表面構造の回折像が形成され、この輝度分布を視覚的または測定装置を用いて評価することができる。第２輝度最大値の出現は、まさに周期的うねりの存在を示唆するものである。隣接する輝度最大値の間隔から、逆比例性によってうねりの周期長を、また隣接する輝度最大値の輝度ならびに周期長から波頭間の波底の深さを導出することができる。二次光路中の回折像における輝度分布を自己相関にかけ、自己相関関数から周期長ならびにうねりの深さを計算することができる。被加工物上に適正に取り付けられた測定装置において、一次光線は好ましくは約８３±２度の入射角で被加工物表面に当り、光路は場所をとらずに折り曲げられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、例えば本出願の優先日より後で追加公開されたＤＥ１９８０９７９
０Ａ１による先の出願から公知とみなされているような、請求項１のプリアンブ
ルに記載され（方法）、かつ請求項７のプリアンブルに記載された（構成）、技
術的表面における周期的な小さなうねり（波形パターン）を検出および測定する
ための方法と装置に基づいている。本出願人は精密加工された被加工物の表面に
約１．５ｍｍまでの周期長を有するここで対象となる種類の意図しないうねりを
観測することができたが、ここで問題とする種類のうねりにおいてさらに大きな
周期長が存在する可能性は排除できず、ここで「小さなうねり」とは、うねりピ
ーク相互間隔が２ｍｍ以下のうねりを示すものに使用することとする。しかしな
がら、多くの場合周期長は明らかに１ｍｍ以下である。

【０００２】 ケーシング壁を軸が貫通する部分で確実に密封を行うためには、環状のラジア
ルパッキング・ワッシャを備えたシール・リングの他に軸側の対向軸受面の特性
も考慮すべきである。この種の軸ジャーナルに円滑な表面を作るために、この円
周方向に研磨、仕上げ旋削、円滑圧延、圧延、またはリーマ仕上げすることがで
きる。メーカーは軸ジャーナルについて特定の粗面度の他に表面の捩れがないこ
とも規定している。例えば研磨された表面に捩れがないことは、研磨構造が正確
に円周方向に位置して、重なった規則的な波部分が現われていないことを意味す
る。それでも今日の大量生産では、技術的表面を確実に再現可能に捩れなしに製
造することは問題があるのみならず、このような捩れがないことを確実に検出し
、場合によっては捩れ構造を数量化することは、さらに困難をもたらすものであ
る。

【０００３】 本出願人によるＤＥ１９７４０１４１Ａ１では、ここで対象とする捩れ構造ま
たはうねりを検出し定量化を行うために、機械的に動作するスタイラスプロファ
イリング法（Ｔａｓｔｓｃｈｎｉｔｔ）を開示しており、これは、捩れ構造の実
際上すべての重要パラメータに関する信頼できる定量的な情報を導く。この周知
のスタイラスプロファイリング法は、うねりがわずかに現われ、及び／または強
い確率的粗面成分と重なるときでも、この確率的粗面成分が表面データの自己相
関に基づいて十分に排除されている場合には、有用な成果をもたらす。しかしな
がら、表面データを作り出すためのこの公知の方法は多くの時間を消費し、非常
に綿密に実施しなければならない。したがって、この方法では技術的表面の製造
を直ぐに監視することはできない。これに反して、この方法は他の捩れ測定法の
検査のための基準方法として使用することができる。

【０００４】 本出願の優先日後に公開されたＤＥ１９８０９７９０Ａ１による当初に述べた
出願人の先の出願では、調査対象表面の生データが表面の小さな切片の直接拡大
図から得られる、非接触で光学的に行われる方法を記載している。この方法は一
次光の種類として任意の光を使用して行われる。これによって照明された表面は
、結像光学系によってすりガラス板または高い解像度のフォトダイオード配列上
に結像される。この方法では、粗くて強く傾斜した捩れ構造を、画像データをさ
らに処理することなく視覚的画像の印象から直接検出することができる。それで
も、この種の強く傾斜した捩れ構造は訓練された目により、すなわち単に傾斜し
た照明によって拡大鏡の助けによって検出可能である。ついでに言えば、このよ
うに粗いケースは実際にはほとんどなく、検出可能性に関して問題とはならない
。しかしながら、僅かに現われているおよび／または僅かに傾斜した捩れ構造で
は、前記の方法によって複数の隣接する表面部分のデータレコードを作って、こ
れらを位置の関数として結合して、単一の画像データレコードを形成しなければ
ならず、予め各個別の画像データレコードはそれぞれラドン変換にかけられる。

【０００５】 本出願の優先日後に公開されたＤＥ１９８０９７９０Ａ１による前述の捩れ測
定法はスタイラスプロファイリング法よりも迅速に動作するが、一方では測定装
置のために被加工物の基準位置を正確に知らなければならず、および他方では測
定器と被加工物を測定中に互いに絶対固定的に取り付けなければならないため、
その限りではやはりまた確かな綿密さを必要とする。被加工物の軸と測定装置の
既知の相対位置においては、多くの撮影を短い間隔で続けて行わなければならず
、これもまた時間がかかり、綿密さを必要とする。その上に分析評価もその限り
では、個別の画像を均一の中間グレイ値分布に関して互いに適合させなければな
らないので、確かな綿密さと管理を必要とする。それでもこの公知の方法は波の
間隔と基準方向に対する傾斜に関する情報を提供する。しかしながら、うねりの
深さまたはその断面に関する情報は、この方法によって直接ではなく制限を伴っ
てのみしか得ることができない。この公知の方法は、試験室の中で限定された数
だけ用意された被加工物に、表面の捩れが存在するかまたは存在しないかを、検
出するのに使用することはできるが、製造過程に導入するにはあまり適さない。

【０００６】 本発明の目的は、測定を迅速に支えなしで再現可能な情報力で実施できるよう
に、この種の概念による基礎的な方法及び対応する構成を、製造過程に適合でき
るように改良することである。特に、その目的は、被加工物と装置の間の正確な
相対的整列がもはや必要とならず、それどころか、被加工物と装置が比較的不安
定に操作される場合であっても、測定画像の十分な安定性が確保されるようにす
ることである。その際、その目的は、単一の測定で、周期的な表面うねりが「存
在する」か「存在しない」という信頼性のある定性的情報を導くのみならず、場
合によっては（対応する画像データ評価の場合）うねりの周期長および深さに関
する定量的情報も提供することである。

【０００７】 この目的は、本発明により、この種の概念の方法を請求項１に記載の特徴によ
って、また対応する構成に関しては請求項７の特徴によって達成される。

【０００８】 本発明によれば、その長さ方向と垂直に大きな入射角すなわちほぼかすめて入
射角で表面の波頭に当たる単色コヒーレント光によって、回折格子としての波形
表面構造における回折を利用して回折像が形成され、これによって輝度分布が評
価される。光の大きな入射角によって、確率的な研削構造から分散光の影響が回
折画像中で十分に除去される。被加工物に対する測定装置が静止保持されている
程度には関係なく、回折画像は安定静止している。さらに回折像の品質は、妥当
な限界内において被加工物と測定装置との相対的整列には関係しない。分散光ロ
ーブにおける局所的輝度最高値の出現から、捩れ構造が存在していることを直ち
に検出することができる。複数の最高値の間隔から（この場合さまざまな回折順
序が問題となるが）波頭の間隔を導出することができる。この場合、輝度最高値
の間隔は波頭間隔にほぼ逆比例し、すなわち非常に密な波頭が連続していると、
分散光ローブの輝度分布において輝度最高値が広い間隔となり、これに対して、
波頭間隔がより大きい場合には輝度最高値はより密に互いに並ぶ。さまざまな回
折次数の輝度と周期長を評価することで、さらに波底の深さも導出される。これ
に反して、正確な周囲方向に対するうねりの角位置に関する情報を得ることは本
発明では困難である。

【０００９】 本発明をさらに詳しく説明する前に、用語について注釈するべきであろう。一
方では「一次光」および「二次光」が、他方では二次光線における「回折像」が
繰返し述べられる。ここで用いられる「一次光」の概念は、調査対象の被加工物
表面に照射される光、即ち入射する光に関するものである。「二次光」は、蛍光
現象の光ではなく、被加工物から戻って、分散し、回折または反射する光に関す
るものである。さらに、「回折像」の概念を適用するにもかかわらず、この考え
は、像を形成する方法または像を形成する装置がこの場合包含されることを意味
するものではない。波状の表面構造によって一次光は回折され、二次光線におい
ては回折に対応する輝度分布が生ずる。この回折の関連する輝度分布における特
定の特性が「回折像」と考えられる。この輝度分布を評価するために結像レンズ
などを用いて「回折像」を具象的に表示するのは、不必要であるのみならず、ほ
とんど不適当であるかもしれない。視覚的輝度評価には、すりガラス板上に「回
折像」を直接捕捉するので十分である。

【００１０】 本発明の目的に適った実施形態は従属請求項から知ることができ、さらに本発
明は図面を伴った実施例に則して以下に説明される。

【００１１】 図１と図２は、分散光法によって動作する、被加工物１１の表面１２における
小さな周期的うねり２６（図４または図５）を検出するための携帯式装置１を示
す。これは調査対象の被加工物表面１２上に確実に取り付けられる。一次光源か
ら放射される光束（光波）は一定の方向で被加工物表面に向けられ、被加工物表
面から戻る分散光ローブは測定装置の二次光表示器中で捕捉される。

【００１２】 携帯式装置を製造に適するようにして、これによって簡単な方法で迅速に支え
なしで再現可能な情報力で小さな周期的うねりを検出するために、本発明によれ
ばこの装置は以下のようにして形成される。

【００１３】 すなわち、人間工学的に適した方法で形成された、軽い合成樹脂材料製のケー
シングを備えた携帯式装置１は扱いが容易で、本発明による動作方式に基づいて
手動でも操作することができ、それにもかかわらず安定した測定画像を提供する
。携帯式装置中には一次光源としてコリメータレンズを組み込んだレーザダイオ
ード６が組み込まれており、このレーザダイオード６は単色のコヒーレント一次
光線７を放射する。基本的にＨｅ／Ｎｅレーザも一次光源として使用することが
できるかもしれないが、これはレーザダイオードのようにコンパクトではなく、
提案する種類の携帯式装置用のものとしては、寸法の点で推奨できるものではな
い。低出力レーザ装置用の安全クラス（ＳｃｈｕｔｚＫｌａｓｓｅ）Ｉに対応す
る出力が上述の目的には十分である。携帯式装置には、平頭ねじ３によって閉鎖
可能なバッテリー区画が組み込まれている。この中に収容された小型単電池が一
次光のためのエネルギーを供給し、波形の溝が付けられた掴み面５のそばに握り
易く配置されたスイッチ４によって必要に応じて一次光をオンおよびオフにする
ことができる。

【００１４】 携帯式装置１からの一次光線７の出口領域には、装置を調査対象被加工物表面
１２上に取り付けるための取付け面２が装置ケーシングに備えられている。検査
は程度の差はあるが強く曲げられた表面でも、また平らな表面でも実施しなけれ
ばならないので、図示した実施例では取付け面は平らに形成されて小さな鋼板で
補強され、出口窓を取り囲んでいる。この出口窓の領域では、偏向ミラー１４が
、測定装置１を被加工物１１上に適正に取り付けたときに、このミラーが調査対
象の被加工物表面１２上にほぼかすめるような入射で（入射角１６）当たるよう
に、一次光線７の偏向を起こさせる。より厳密にいえば、一次光線７は一定の大
きな入射角で調査対象の被加工物表面１２に当り、この入射角は（表面の垂線１
３に対して測定して）約７５〜８８度好ましくは約８３±２度にすることができ
る。携帯式装置の取付け面２が平面形状であることにより、これを、被加工物表
面上に取り付けた後に一次光線７に関して垂直軸の周りに装置を僅かに旋回する
ことによって、被加工物表面１２の起こり得る予想される周期的うねり２６を少
なくともほぼ横切るように整列させることができる。二次光の領域では、（偏向
ミラーを除いて）光学的構成部品はなく、したがって例えば結像レンズまたは集
束レンズなどは携帯式装置には設けられていない。二次光表示器は、一次光によ
って被加工物表面の波状構造により発生する回折像を直接捕らえる。被加工物表
面において起こり得る周期的うねりを決定するために、回折像の輝度分布を評価
する。

【００１５】 通常の円筒状被加工物表面の検知対象とするうねりは周囲方向に配列している
ので、入射する一次光線の軸は、少なくとも近似的に円筒軸を包含する平面中に
なければならない。携帯式装置を比較的短い低く奥まった構成部分の面に軸方向
に（図２）適正に取り付けることができるように、携帯式装置を出口窓の領域で
は省スペースになるように形成しなければならない。したがって一次光線７と二
次光線８は、先の一次光線部分と後の二次光線部分が本質的に被加工物表面１２
に直角に整列されるように曲げられる。この目的のために、出口窓の周囲におい
て側方に、すなわち一次光線７が被加工物表面上に当たる個所から少し離れた所
に、それぞれ一次光線用の小さな偏向ミラー１４と、二次光線用の別の小さな偏
向ミラー１５とが配置されている。ケーシングの下部すなわち光線軸を構成部分
１１の軸方向に見て特に短く形成できるように、図示した実施例では偏向ミラー
１４、１５は、一方では一次光線偏向機構１４の前にある一次光線７の光線部分
が、他方では二次光線偏向機構１５の後にある二次光線８の光線部分が、比較的
小さな角度で互いに交叉するように配置されている。この光線配置によって、携
帯式装置の前部分において特に省スペースの構成が達成できるのみならず、これ
によって必要な光線偏向の数も最小限に抑えることができ、これは光効率の損失
が最小限に抑えられる他に費用と重量の面で有利であるのみならず、維持と調整
の面でも利点をもたらす。

【００１６】 偏向ミラーの代わりに偏向プリズムをはめ込むこともできる。偏向プリズムを
、場合によっては有利な方法で前述の補強板と結合し、出口窓を制限するために
、１つのそれ自体安定した構造群を形成することもできる。

【００１７】 携帯式装置１では、二次光表示器はすりガラス板１０として設計され、これは
回折像の輝度分布を直接見えるようにするので、これを視覚的に評価しさらに予
備的に利用することができる。すりガラス板上で認識できる回折像の輝度分布は
、被加工物の側および／または携帯式装置の側である程度の手ぶれがあっても、
すりガラス板上では非常に安定している。妨害となる外光を遮断するために、す
りガラス板は観測スロット９の底に深く配置されている。これは光検出器または
携帯式装置のディジタルカメラに適合させるためにも利用することができる。

【００１８】 回折像を定量的に評価するためには、その中における輝度を測定しなければな
らない。このため、光検出器走査線または光検出器マトリックスを設ける。この
ような光検出器は図１および図２に図示した実施例では設けられていない。しか
しながら、すりガラス板１０の代わりにこのような光検出器を設けることは考え
られる。このために、例えばＣＣＤ走査線またはＣＣＤマトリックス、スペクト
ロメータ走査線またはスペクトロメータマトリックス、その他のフォトダイオー
ド走査線またはフォトダイオードマトリックスなどを含む例とすることができる
。しかしながら、この場合、二次光表示器中に、回折像の輝度分布を直接捕捉し
て認知することができるすりガラス板と、また回折像の輝度分布を位置の関数と
して測定できる前述の種類の光検出器との両方を配置することも好都合である。
この際、二次光線の通過を一方ではすりガラス板に、他方では光検出器に、光線
分割器によって同時にまたは折返しミラーによって次々に導いてもよい。光検出
器によって測定された輝度をそばに配置されたコンピュータによって評価しても
よい。測定値の評価および表示する他の可能な方法は、光検出器をディジタル信
号プロセッサおよびＬＣＤ表示器と接続することである。最後に述べた変形例の
利点は、追加のコンピュータなしで関連のデータ処理システムを含む測定装置を
コンパクトに実現できることにある。

【００１９】 図３には、二次光を直接評価するもう１つの可能性が示され、これには携帯式
装置が利用されている。ここでは、携帯式装置１は、支持器２１とテーブル１８
上のスタンド２０とによって、被加工物１１用のはめ込みプリズム１９上方で安
定的に保持されている。携帯式装置１の観測スロット９には（図１を参照）、ア
ダプタ２２が安定的に設置され、これによってデイジタル作動のカメラ２３が携
帯式装置に適合される。対物レンズの代わりにアダプタ２２を保持するディジタ
ルカメラを、必要に応じて携帯式装置から上方に抜き取るか、または差し込むこ
とができる。ディジタルカメラを差し込む場合、すりガラス板は外さなければな
らない。それから二次光をディジタルカメラのファインダで観察することができ
る。デイジタル作動のカメラの撮影技法によって、二次光線通過８の回折像の輝
度分布をデータ処理可能な画像データレコードとして、カメラに組み込み可能で
取り外し可能な専用のデータ記憶媒体に取り込んで、そこに格納することができ
る。

【００２０】 取り込まれた画像データは、さまざまな方法で製作現場から評価試験室へさら
に送ることができ、ここから調査結果すなわち表面のうねり構造のパラメータ値
を製作現場に返送することができる。画像データの伝送はデータ記憶媒体におい
て、すなわち専用カメラデータ記憶媒体に、または（従来型のディスケットにダ
ウンロードした後に）データ記憶媒体としてのこのようなディスケットによって
行うことができる。しかし画像データは回線によるデータ遠隔伝送手段によって
も評価試験室に伝送することができる。

【００２１】 次いで、図４、５によって拡大されて勾配を強調して示した表面構造を参照し
て、上述の装置による表面うねりの検出および場合によっては定量的決定の処理
方法を以下に詳述する。被加工物１１（図４）または１１’（図５）の例えば円
周方向に研磨した表面のマクロ構造は、この詳細図では、もはや連続平面として
認識することはできない。

【００２２】 これに関連して、まず２つのここで適用されるトポグラフィ概念すなわち一方
では重ね合った確率的微細構造という意味での「研磨構造」と、および他方では
周期的「捩れ構造」または「うねり」を最初に説明すべきであろう。両概念は、
ともに、表面の理想的マクロ形状からのミクロ偏差に関係しているが、両ミクロ
構造はここで興味の対象となる判定基準に関して一方では両ミクロ構造が被加工
物に出現する量または深さによって分けられる。他方では、両ミクロ構造は形式
的および統計的観点から分けられる。周囲方向に正確に整列された細かい研磨構
造２４（図４を参照）は比較的急な側面を有するが、ともかく断面形状ではかな
り確率的に出現する。これに対して、観察された捩れ構造またはうねり２６は側
面において本質的により平坦で、多少強くはっきりした周期形状成分を有する。
一般的には、規則的うねりまたは捩れ構造２６に、うねりよりも急な側面とうね
りよりも本質的に小さな深さ寸法を有する多くの小さな確率的凹凸から形成され
た研磨構造２４が重なっている。

【００２３】 図４によるプロファイルでは波２６は規則的で、つまり互いに周期的に配置さ
れている。粗さプロファイルの高さを強く誇張した表示であるため、矢印で表示
する投射方向１６はもはや正しい角度を示しておらず、すなわち平坦な入射一次
投射８はうねりの谷底と光をそらせる側面にも正確に到達する。しかしながら、
この面をかすめるような照射で、研磨構造または微細構造２４の急傾斜で切られ
た凹凸はほとんど影で覆われ（陰影ゾーン２５）、これらの凹凸は、戻される光
にのみ非常に小さな実際に無視できる量の影響を与える。これに対して、本質的
により平坦な捩れ構造２６は十分に照射される。これによって波形の捩れ構造に
おいて生ずる単色コヒーレント一次光の回折は、研磨構造２４における重なった
回折よりも強く現われる。ゼロ次の回折次数は二次光線８の方向１７にあり、こ
の方向は理想的なマクロ表面で直接反射する偏向方向に対応する。表面がうねり
を有して回折が発生する場合には、ゼロ次の回折次数の隣に一定の間隔で一般的
にさらにもう１つの第１次回折が回折像において知覚できる。

【００２４】 さまざまな波頭２７から出て段状の深さを持つ波先は互いに干渉し合い、二次
光中に回折像を発生させ、これから少なくともゼロ次と第１次の回折像を輝度最
大値として認識することができる。表面に周期的うねりが生じないときには、二
次光中に回折像は形成されない。この場合にはまた２つの間隔を置いた輝度最大
値も知覚できない。２つの区別できる輝度最大値の出現から、調査対象表面に「
反射回折格子」すなわち一連の周期的うねりがあることを確実に導き出すことが
できる。

【００２５】 別の表面構造は二次光中に別の輝度分布を生ぜしめる。例えば、理想的な鏡の
ような表面は二次光線中にも一次光線の輝度分布を再現することになる。このよ
うな場合には、ただ１つの個別の明るいスポットが二次光中で知覚できるように
なる。周期的うねりのない全く確率的に粗い表面では、比較的強く目立つ鏡面構
造を有する一様の輝度分布が観察される。

【００２６】 この点、完全を期すためにさらに述べると、前記明るいスポットは円筒状表面
１２の曲りの強さに応じて比較的軸方向にゆがんだ楕円形を示し、円筒の直径が
より小さい場合には、楕円形の長軸はすりガラス板の対応する内法の幅よりも大
きくなるので、明るいスポットは明るい筋として現われる。

【００２７】 図５と図６の両方の例では、本発明の方法によって規則的なうねりの周期長も
導き出せることを次に説明する。図５に拡大して示した被加工物１１’の表面の
組織は、周期長が非常に異なった２つの重なった周期的うねり、すなわち小さな
周期長Ｌ_kを有する小さな波２６_kと大きな周期長Ｌ_gを有する大きな波２６_gとを
示す。携帯式装置１によるこの表面の「観察」では、そのすりガラス板１０上に
図６に示す画像が示される。２つの筋状に分解され、小さな波２６_kに起因する
比較的大きな相互間隔ａ_kが認識できる。両輝度最大値の個々の筋は互いに比較
的小さな間隔ａ_gを有し、この間隔は大きな波２６_gのうねりに起因する。

【００２８】 二次光の回折像内部の輝度最大値間隔とうねりの周期長Ｌとの間には、ほぼ逆
比例の関係が成立つ。すなわち明るいスポットの間隔ａが小さいほど、うねりの
周期長Ｌは大きく、その逆も言える。輝度最大値の間隔ａから、ａ≒ｆ／Ｌの関
係を用いて周期長Ｌをすぐれた近似で決定することができる。ここに含まれる係
数ｆは、周知の表面組織に基づいて先ず経験的に決定すべき装置定数である。一
方の本発明による測定結果と、周期長を正確に求めることができるスタイラスプ
ロファイリング法によって測定された他方の基準実験との比較によれば、例えば
７０〜１１０μｍの周期長範囲で±５μｍの最大誤差が見込まれるという良好な
一致が示された。

【００２９】 輝度最大値の間隔は、すりガラス板１０上で少なくともおおよその近似で直接
測定することができる。例えば目盛りの付いたスケールを有するすりガラス板を
使用して、それから輝度最大値の間隔を測定することができる。すりガラス板上
のスケールをずらして移動することができる場合には、そのゼロ点を好ましくは
最も明るい輝度最大値と一致させて、それから輝度最大値の間隔をスケールで読
み取ることができる。輝度最大値の間隔をデイバイダで測定してこの量を定規に
変換するか、またはキャリパの先端を用いて直接測定することも可能と思われる
。しかしこれらの簡単な方法は予備的または暫定的な方法としてしか推奨できな
い。

【００３０】 二次光の視覚的評価を備えた携帯式装置１は、例えば捩れのある被加工物を分
別して修正作業に戻すことができるように、完成した被加工物の手動及び遡及検
査に適用される。これは、捩れのないジャーナル表面を作らなければならない製
造ラインの検査者または管理者によって実施される。一般的には、視覚的かつ定
量的なうねり自体の識別またはそれがないことを表示することで、捻りのない被
加工物を選択するのには、十分であり、よって、この場合、出現するうねりのパ
ラメータを定量化することは、さほど重要なことではない。

【００３１】 さらに上述したように、携帯式装置はいわば、確実に測定を実行することが可
能で、自動的に計算操作も可能な「インテリジェント」光検出器を備えてもよい
。このように装備された携帯式装置は、ディスプレイに少なくとも周期長Ｌおよ
び（組み込まれた計算ならびに計算能力が増加した場合には）検出されたうねり
の深さＴも出力することができる。このような携帯式装置は、その手軽さを妨げ
ることなく決定したパラメータ値を必要に応じて記憶することができるが、この
種の携帯式装置は一般的に大量のデータを格納するためには考えられていない。

【００３２】 本発明によるうねり測定装置を、捩れのないジャーナル表面を製造しなければ
ならない製造ラインの自動長期監視に使用することも考えられる。特に、連続的
な使用のために意図されたうねり測定装置は、二次光を測定して計算ユニットを
装備する必要がある。製造工程中に組み込まれたうねり測定装置によって測定さ
れる可能性のあるあらゆる生産データ又は誤差データは、例えば円周研磨の場合
における被加工物の回転速度、研削ヘッドの回転速度、研削ヘッドの送り、仕上
げ加工送り、最終仕上げ加工過程後の被加工物の個数といった他の製造工程デー
タと関連して、生産データ記録装置または記憶装置によってこれらを時間順に収
集して記憶し評価すべきであろう。多量のデータおよびうねりの有無の状況から
、経験的な生産経験を得ることができ、クリティカルなパラメータの組合せを避
けることができる。性能のよい連続データ記憶装置を用いたこのオンライン生産
監視を機械に組み込んで、または直接の生産ラインから離れて静かな生産監視室
で行うことができる。

【００３３】 うねりの検出の間、図７上図（ａ）に例示的に明暗を反転して示すように、二
次光８のその断面全体にわたる輝度分布データは処理可能な画像データレコード
に変換することができる。このデータレコードを、対応する予めプログラムされ
たコンピュータ中でまたは装置に組み込まれた「インテリジェント」光検出器中
で輝度最大値Ｉ₁、Ｉ₂の出現に関して評価することができる。ここで、輝度最大
値は二次光の構造的現象として大文字Ｉ₁、Ｉ₂が付けられている。これに反して
、これらの最大値における輝度値は小文字ｉ₁、ｉ₂が付けられている。すべての
回折順序が図７に示すように明確に認識可能な２つの輝度最大値、すなわちゼロ
次数の回折次数の主最大値Ｉ₁および第１次の回折次数の副最大値Ｉ₂によって示
されるのではなく、これらにはしばしば程度の差はあるが強い反射ノイズが重な
ってくるので、二次光の輝度分布の画像データを先ず自己相関にかけることが好
都合である。特に目立たない捩れ構造にはほぼ同じ大きさの確率的粗さが重なり
、したがってこの場合自己相関は特に重要である。自己相関関数は回折次数にお
ける輝度プロファイルの平滑化を示すので、最大値をうまく検出することができ
る。例えばゼロ次と１次の回折次数のスポットにおける自己相関関数の値から、
この回折次数における輝度値ｉ₁、ｉ₂を決定することができる。図７は、回折像
における平坦な輝度分布内の線ｂ−ｂ（図７の部分ａを参照）に沿ったこのよう
な自己相関関数のプロファイルを示す。両最大値Ｉ₁、Ｉ₂の間隔ａ、または輝度
最大値自体における自己相関関数のそれぞれの関数値ｉ₁、ｉ₂は、上記のように
計算によって算出することができる。

【００３４】 すでに述べたように、算出された間隔ａから簡単な逆関係式によってうねりの
周期長Ｌを計算することができる。しかし回折像は、被加工物表面の回折うねり
構造から、その上波頭のみならず波底も共に回折像の発生に寄与することによっ
て、深さに関する情報も提供する。例えば、互いに同じうねり周期長を有するが
深さ自体は互いに異なっている２つの波状表面の回折像は異なるものとなる。主
輝度と副輝度Ｉ₁、Ｉ₂の両輝度値ｉ₁、ｉ₂から、周期長を考慮して波頭２７間の
波底の深さＴを導出することができる。この決定法は周期長の決定のように簡単
なものではない。波底の深さＴを決定できるように、輝度値ｉ₁、ｉ₂から式ｋ＝
ｉ₁×ｉ₂／（ｉ₁ ²＋ｉ₂ ²）によって規格補正変数ｋを計算することができる。こ
の関係式は、偶然にもうねりの周期長Ｌに関して上述した近似的な逆関係式のよ
うに、本ケースで推奨される装置設計では、簡単に有効となるけれども、所定の
理想化された単純化が適用される場合に、有効となる。補正変数ｋは極端に低い
輝度ではゼロに近づく。第１次回折が明るいほど、そしてこれに従ってこの輝度
が第ゼロ次回折の輝度に近づくほど、補正変数ｋは０．５の「飽和」値にさらに
近づく。大部分の実際の場合は今述べた極限の間、すなわち図８の図表線におけ
る最大広がりの範囲にある。この補助値とすでに先に算出した周期長Ｌとを用い
て、データレコードとしてコンピュータに格納されて計算に取り入れることので
きる図８のグラフによって、波底の深さＴを算出することができる。

【００３５】 こうして得られた波の深さＴの結果をスタイラスプロファイリング法によって
得られた値と比較したところ、非常に良好な相関が示された。それでも本発明に
よって決定された深さは研削された表面において基準値に対して一般にいくらか
低く、より厳密にはスタイラスプロファイリング法による基準値のほぼ６２±５
％程度である。この相異は、両方法の異なる帯域幅限界に帰するものである。ス
タイラスプロファイリング法は研削トポグラフィの詳細も拾い上げるけれども、
この詳細はかすめて照射する場合、抑制される。直接比較が必要な場合には、本
発明によって検出した深さ値に修正係数（研磨面では約１．６）を乗算する必要
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 二次光の視覚的評価による周期的うねりに関する被加工物表面の本発明に基づ
く検査のための携帯式装置の斜視図である。

【図２】 図１の携帯式装置の下半分を示す断面図である。

【図３】 アダプタを介してディジタルカメラが装着され、支持部において被加工物受容
器上部に保持された図１による携帯式装置を示す図である。

【図４】 拡大して高さを誇張した被加工物表面のさらに拡大して誇張した小さな部分の
断面図である。

【図５】 異なる波長の２つの重なった周期的うねりがある、同じく拡大して高さを強調
したもう１つの被加工物表面の小さな部分の断面図である。

【図６】 図５による被加工物表面の観察の際に図１による携帯式装置によって得られる
回折像を示す図である。

【図７】 上の部分図（ａ）は回折像の平面明暗分布を明暗を反転して示した図であり、
下の部分図（ｂ）はそれに対応し、部分図（ａ）における線ｂ−ｂに沿った輝度
の変化を示す図である。

【図８】 輝度値ｉ₁、ｉ₂から算出された補正変数ｋとうねりの周期長Ｌと波の深さＴを
示す、波の深さＴの算出に使用される図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年９月６日（２０００．９．６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００１】 本発明は、例えばＵＳ−ＰＳ３８５０５２６から公知とみなされているような
、請求項１のプリアンブルに記載され（方法）、かつ請求項７のプリアンブルに
記載された（構成）、技術的表面における周期的な小さなうねり（波形パターン
）を検出および測定するための方法と装置に基づいている。本出願人は精密加工
された被加工物の表面に約１．５ｍｍまでの周期長を有するここで対象となる種
類の意図しないうねりを観測することができたが、ここで問題とする種類のうね
りにおいてさらに大きな周期長が存在する可能性は排除できず、ここで「小さな
うねり」とは、うねりピーク相互間隔が２ｍｍ以下のうねりを示すものに使用す
ることとする。しかしながら、多くの場合周期長は明らかに１ｍｍ以下である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００４】 本出願の優先日後に公開されたＤＥ１９８０９７９０Ａ１による出願人の先の
出願では、調査対象表面の生データが表面の小さな切片の直接拡大図から得られ
る、非接触で光学的に行われる方法を記載している。この方法は一次光の種類と
して任意の光を使用して行われる。これによって照明された表面は、結像光学系
によってすりガラス板または高い解像度のフォトダイオード配列上に結像される
。この方法では、粗くて強く傾斜した捩れ構造を、画像データをさらに処理する
ことなく視覚的画像の印象から直接検出することができる。それでも、この種の
強く傾斜した捩れ構造は訓練された目により、すなわち単に傾斜した照明によっ
て拡大鏡の助けによって検出可能である。ついでに言えば、このように粗いケー
スは実際にはほとんどなく、検出可能性に関して問題とはならない。しかしなが
ら、僅かに現われているおよび／または僅かに傾斜した捩れ構造では、前記の方
法によって複数の隣接する表面部分のデータレコードを作って、これらを位置の
関数として結合して、単一の画像データレコードを形成しなければならず、予め
各個別の画像データレコードはそれぞれラドン変換にかけられる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００５】 本出願の優先日後に公開されたＤＥ１９８０９７９０Ａ１による前述の捩れ測
定法はスタイラスプロファイリング法よりも迅速に動作するが、一方では測定装
置のために被加工物の基準位置を正確に知らなければならず、および他方では測
定器と被加工物を測定中に互いに絶対固定的に取り付けなければならないため、
その限りではやはりまた確かな綿密さを必要とする。被加工物の軸と測定装置の
既知の相対位置においては、多くの撮影を短い間隔で続けて行わなければならず
、これもまた時間がかかり、綿密さを必要とする。その上に分析評価もその限り
では、個別の画像を均一の中間グレイ値分布に関して互いに適合させなければな
らないので、確かな綿密さと管理を必要とする。それでもこの公知の方法は波の
間隔と基準方向に対する傾斜に関する情報を提供する。しかしながら、うねりの
深さまたはその断面に関する情報は、この方法によって直接ではなく制限を伴っ
てのみしか得ることができない。この公知の方法は、試験室の中で限定された数
だけ用意された被加工物に、表面の捩れが存在するかまたは存在しないかを、検
出するのに使用することはできるが、製造過程に導入するにはあまり適さない。
当初に述べたＵＳ−ＰＳ３８５０５２６は、単色コヒーレント光（一次光）の 光線で照射して、表面から戻される二次光中に周期的うねりの回折像を作る、仕 上げ加工された被加工物表面における周期的うねりを検出するための方法と装置 を示している。この場合、一次光は被加工物表面に対して大きな入射角で、予想 される周期的うねりにほぼ垂直に被加工物表面に向けられ、回折像の輝度分布が 評価される。関与する光線すなわち入射する一次光線および放出する二次光線の うち、ここでは１つが表面垂線に対して最大８０度の固定角度で保たれ、これに 対して他の光線の光路または評価経路が比較的大きな角度範囲でミラーに反映し た光線の周りに動くことができる。旋回可能な光線配置によって、最も強い回折 順序が完全に捕捉され、その輝度プロファイルにおいて測定される。回折光の被 加工物において測定された輝度分布をさまざまな粗さ規格で事前に得られた輝度 分布と比較することによって、調査対象とする被加工物の表面粗度を得ることが できる。このうち１つのみが測定対象となった研磨された表面に適用することは できず、この場合２つの異なる細かい形状構造が互いに重なり合い、周期的うね りの回折像は、確率的研磨構造の識別不能で有用な情報をもたらさない反射ノイ ズを有する。 ＵＳ−ＰＳ５１８９４９０は、一次光線が調査対象とする表面で反射され、反 射した二次光線はこれによって表面の粗さ構造に特徴的な方式で分散される分散 光方法を用いた規格粗さ測定を開示する。これらの原則的なさまざまな規格構成 および／または適用においてさらに広がる分散光法では、周期的なうねり構造に おいて回折は起らず、平行な加工跡配列に直交する一次光の配列も起らない。引 用された書類によって開示される方法は先ず、見本から得られる分散光ローブの 実際のパターンを多数の記憶された事前に知られたパターンで形成された基準パ ターンと比較することによって、間接的に調査対象の表面に関する定性的および 定量的な有用な情報を提供する。 ＵＳ−ＰＳ３７８２８２７は、技術的表面の粗さ構造を決定するための全く同 様な、分散光法によって動作する比較法を示している。この測定方法は、単にそ れぞれの見本の分散光分布についての一定の実際のパターンを提供するのみであ る。多数の記憶された基準パターンによる類似比較によって、単に間接的に、調 査された見本が既知の見本に似た表面トポグラフィを有するか否かの有用な情報 に到達できるだけである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トルッケンブロッド，ホルスト ドイツ連邦共和国 ディー−98693 イル メナウ，ブッヘンシュトラッセ ９ Ｆターム(参考） 2F065 AA50 BB06 BB18 CC00 DD06 EE00 FF42 FF48 GG22 HH12 JJ03 JJ14 LL12 LL46 PP01 QQ17 QQ26 QQ29 QQ41 【要約の続き】 ２度の入射角で被加工物表面に当り、光路は場所をとら ずに折り曲げられる。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 技術的表面を光線（一次光）によって照明し、この表面から
   戻る二次光を調べる、技術的表面における小さな周期的うねりを検出する方法で
   あって、 被加工物表面（１２）にほぼかすめる角度で当り、予想される周期的うねり（
   ２６）に対しほぼ直角で被加工物表面（１２）に達する単色コヒーレント一次光
   （７）を用いて、周期的うねり（２６）の回折像を二次光（８）中に形成し、こ
   れから輝度分布を評価することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 二次光（８）をすりガラス板（１０）上に捕捉し、その輝度
   分布を輝度最大値（Ｉ₁、Ｉ₂）の出現に関して視覚的に評価すること を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 二次光（８）の輝度分布をこの断面全体にわたって位置の関
   数として測定し、その測定値を輝度最大値（Ｉ₁、Ｉ₂）の出現に関して評価する
   こと を特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 二次光（８）の輝度分布を自己相関にかけて、それから得ら
   れた自己相関関数を評価すること を特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 隣接する輝度最大値（Ｉ₁、Ｉ₂）の間隔（ａ）を測定して、
   これからうねり（２６）の周期長（Ｌ）を導出すること を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 隣接する輝度最大値（Ｉ₁、Ｉ₂）の輝度値（ｉ₁、ｉ₂）を測
   定し、その値とうねり（２６）の周期長（Ｌ）から波頭（２７）間の波底の深さ
   （Ｔ）を導出すること を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 【請求項７】 光線を一定の方向で被加工物に向ける一次光源を有する、調
   査対象の所定の方法で取り付けることができる測定装置と、被加工物から戻る分
   散光ローブを捕捉する測定装置中の二次光表示器とを含む、被加工物の表面にお
   ける小さな周期的うねりを検出するための、特に請求項１から６のいずれか一項
   に記載の方法を実行するための構成であって、測定装置の下記の特徴、すなわち 一次光（６）は単色コヒーレント一次光線（７）を投射するために設計され、 少なくとも測定装置（１）からの一次光線（７）の出口領域において、測定装
   置（１）を被加工物（１１）上に適正に取り付けた場合に調査対象の被加工物表
   面（１２）上にほぼかすめる角度で当たるように、一次光線が向けられ（１６）
   、 測定装置（１）は、それを被加工物表面（１２）上に取り付けた後に一次光線
   （７）に関して少なくとも被加工物表面（１２）の予想される周期的うねり（２
   ６）をほぼ直角に整列可能であるように設計され、 二次光表示器は分散光ローブを直接にすなわち結像レンズなどを使用せず、う
   ねり（２６）の回折像として捕捉し、こうして回折像中で輝度分布が評価可能で
   あること を特徴とする構成。
8. 【請求項８】 測定装置（１）が、測定装置（１）を被加工物（１１）上に
   適正に取り付けた場合に一次光線（７）が表面の垂線（１３）から測定して約７
   ５〜８８度、好ましくは約８３±２度で調査対象の被加工物表面（１２）に当た
   るように設計されていること を特徴とする請求項７に記載の構成。
9. 【請求項９】 一次光線（７）と二次光線（８）が、被加工物表面（１２）
   上の一次光線（７）の当る場所から僅かな距離に配置されたミラー（１４、１５
   ）や偏向プリズムなどの光学偏向エレメントによって場所をとらずに曲げられ、
   一次光線偏向エレメント（１４）の前または二次光線偏向エレメント（１５）の
   後に位置する光線部分においてそれぞれ本質的に被加工物表面（１２）に対して
   直角に整列されていること を特徴とする請求項７に記載の構成。
10. 【請求項１０】 一方の一次光線偏向エレメント（１４）の前に位置する一
    次光線（７）の光線部分と他方の二次光線偏向エレメント（１５）の後に位置す
    る二次光線（８）の光線部分とが互いに交叉するように、光学偏向エレメント（
    １４、１５）が配置されていること を特徴とする請求項９に記載の構成。
11. 【請求項１１】 二次光表示器が、回折像の輝度分布を視覚的に見えるよう
    にするすりガラス板（１０）として設計されていること を特徴とする請求項７に記載の構成。
12. 【請求項１２】 二次光表示器が、回折像の輝度分布を測定する走査線状ま
    たは二次元マトリックス状の多数の感光性センサとして設計されていること を特徴とする請求項７に記載の構成。
13. 【請求項１３】 二次光表示器が、回折像の輝度分布を視覚的に見えるよう
    にするすりガラス板（１０）としても、回折像の輝度分布を測定する走査線状ま
    たは二次元マトリックス状の多数の感光性センサのマトリックスとしても設計さ
    れ、二次光路は光線分割器または折返しミラーを介して得られること を特徴とする請求項７に記載の構成。
14. 【請求項１４】 測定装置（１）にディジタル作動式カメラ（２３）が適合
    され（２２）、これによって二次光路（８）の回折像の輝度分布が記録できるこ
    と を特徴とする請求項１３に記載の構成。