JP2005106797A - Measuring device, system, and method - Google Patents

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Masahiro Ueda
正紘 上田
Tomoki Honda
知己 本田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring device which measures the displacement or the irregularity of an object surface with high accuracy. <P>SOLUTION: A reflection light from the measuring plane X of the object is divided into two light fluxes by a half mirror BS2, the light quantity is measured with a photodiode PD1 via a pinhole A1 and the photodiode PD2 via the pinhole A2. The pinhole A1 is set at a position which is located at more remote position than the position of the focal length f1 of an ocular L1 located before the half mirror BS2, and the pinhole A2 is set at the position which is located at closer position than the position of the focal length f1. So, the light receiving quantities S1, S2 of the photodiodes PD1, PD2 are increased and decreased corresponding to the displacement of the measuring plane X, respectively. The displacement of the measuring plane X can be obtained with a high accuracy corresponding to the light receiving quantities S1, S2, by performing the preliminary measurement of the change of the light receiving quantities S1, S2 due to the displacement. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、物体の表面の変位、または物体の表面の凹凸を測定するための測定装置、測定システムおよび測定方法に関するものである。   The present invention relates to a measuring apparatus, a measuring system, and a measuring method for measuring displacement of an object surface or unevenness of an object surface.

物体の表面の変位を測定するための変位センサ・変位計の例として、レーザフォーカス変位計、CCD(Charge Coupled Device)レーザ変位センサが知られている。   As examples of a displacement sensor / displacement meter for measuring the displacement of the surface of an object, a laser focus displacement meter and a CCD (Charge Coupled Device) laser displacement sensor are known.

レーザフォーカス変位計は、以下のような原理によって変位を測定する。まず、光源からレーザ光を照射して、対物レンズを透過させて被測定面(以下、簡単のために測定面とする。)上で焦点を結ぶようにする。測定面での反射光を、半透鏡によって入射光とは異なる光路に導き、ピンホールを透過させて受光面で受光する。ここで、対物レンズを介した光がちょうど測定面上で焦点を結ぶ場合にのみ、反射光がピンホールを透過するように設定する。この場合、反射光がピンホールを透過すれば、受光面での受光量が増大する。対物レンズを音叉によって高速で上下動させて、対物レンズの位置変化に応じた受光量の変化を測定する。受光量が最大となる場合の対物レンズの位置によって、対物レンズの焦点距離を用いて、測定面までの距離を得ることができる。   The laser focus displacement meter measures displacement according to the following principle. First, a laser beam is irradiated from a light source, and is transmitted through an objective lens so as to be focused on a surface to be measured (hereinafter referred to as a measurement surface for simplicity). The reflected light from the measurement surface is guided to a different optical path from the incident light by the semi-transparent mirror, and is transmitted through the pinhole and received by the light receiving surface. Here, the reflected light is set to pass through the pinhole only when the light passing through the objective lens is focused on the measurement surface. In this case, if the reflected light passes through the pinhole, the amount of light received at the light receiving surface increases. The objective lens is moved up and down at a high speed with a tuning fork, and the change in the amount of received light according to the change in the position of the objective lens is measured. Depending on the position of the objective lens when the amount of received light is maximized, the distance to the measurement surface can be obtained using the focal length of the objective lens.

CCDレーザ変位センサは、三角測量を応用した方式である。光源(半導体レーザ)からの光を、投光レンズを通して集光して測定面上に照射する。この測定面上からの拡散反射光の一部を、受光レンズを通してCCD上に結像する。測定面の移動に応じたそのスポットの移動から、測定面までの距離を正確に測定する。   The CCD laser displacement sensor is a method applying triangulation. Light from a light source (semiconductor laser) is condensed through a projection lens and irradiated onto the measurement surface. A part of the diffusely reflected light from the measurement surface is imaged on the CCD through the light receiving lens. From the movement of the spot according to the movement of the measurement surface, the distance to the measurement surface is accurately measured.

このような変位センサ・変位計は、例えばキーエンス社によって製作され、実用化されている(非特許文献1参照)。   Such a displacement sensor / displacement meter is manufactured, for example, by Keyence Corporation and put into practical use (see Non-Patent Document 1).

また、人間の眼底検査を目的として、レーザを用いて立体形状を測定する立体形状測定装置が、特許文献1、2に開示されている。
特開平1−113605号公報(公開日:1989年5月2日) 特開平5−71931号公報(公開日:1993年3月23日) キーエンス(Keyence)社、「2004年度版総合カタログ」、第694頁ないし第695頁
Further, for the purpose of examining the fundus of humans, Patent Documents 1 and 2 disclose a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape using a laser.
Japanese Patent Laid-Open No. 1-1113605 (Publication date: May 2, 1989) Japanese Patent Laid-Open No. 5-71931 (Publication date: March 23, 1993) Keyence, 2004 General Catalog, pages 694 to 695

しかしながら、上述の構成では、十分な測定範囲を得ることができず、また十分な精度が得られない虞れがあるという問題を生ずる。   However, the above-described configuration causes a problem that a sufficient measurement range cannot be obtained and sufficient accuracy may not be obtained.

すなわち、レーザフォーカス変位計は、変位を測定するために、対物レンズを移動させて焦点の位置を調整する。このため、例えば±0.3mm程度の対物レンズの可動範囲に応じて測定範囲が制限されてしまうという問題がある。   That is, the laser focus displacement meter adjusts the focal position by moving the objective lens in order to measure the displacement. For this reason, there exists a problem that a measurement range will be restrict | limited according to the movable range of the objective lens of about +/- 0.3 mm, for example.

また、光学系中の対物レンズを可動させるため、対物レンズの位置合わせに時間がかかることになる。このため、リアルタイムでの測定が困難になるという問題がある。   In addition, since the objective lens in the optical system is moved, it takes time to align the objective lens. For this reason, there is a problem that measurement in real time becomes difficult.

また、CCDレーザ変位センサは、CCD上へのスポット位置の変化を読み取るため、光学系が比較的複雑になり、十分な精度が得られない虞があるという欠点がある。   In addition, since the CCD laser displacement sensor reads changes in the spot position on the CCD, the optical system becomes relatively complicated and there is a possibility that sufficient accuracy may not be obtained.

また、上記の特許文献1、2に記載の構成は、人間の眼底検査を目的とするものであり、凹凸を有する粗面となっている摩耗面を測定対象とした場合に、データに比較的大きな誤差を生じて、十分な精度が得られないおそれがある。   In addition, the configurations described in Patent Documents 1 and 2 are intended for human fundus inspection, and when a worn surface that is a rough surface having irregularities is a measurement target, the data is relatively A large error may occur and sufficient accuracy may not be obtained.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、物体の変位、または物体の表面の凹凸を、十分な測定範囲で、高精度でかつリアルタイムに測定する測定装置、測定システムおよび測定方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to measure a displacement of an object or unevenness of the surface of the object with high accuracy and in real time within a sufficient measurement range, It is to provide a measurement system and a measurement method.

本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、物体の被測定面からの反射光を検出することによって上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定装置において、上記反射光を、第1光路とその第1光路とは異なる第2光路とに分配する分配器と、上記分配器から第1光路を介した上記反射光を検出する第1光学素子と、上記分配器から第2光路を介した上記反射光を検出する第2光学素子と、上記物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第1光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第1光学素子とは異なるように上記第2光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えていることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a measuring apparatus according to the present invention is a measuring apparatus that measures the displacement of the measured surface of the object by detecting the reflected light from the measured surface of the object. A distributor for distributing the first optical path to a second optical path different from the first optical path, a first optical element for detecting the reflected light from the distributor via the first optical path, and a second optical path from the distributor. A second optical element that detects the reflected light through two optical paths, and an amount of light incident on the first optical element in accordance with a change in the reflected light from the object that accompanies a displacement of the measured surface of the object. And a light amount changing means for changing the amount of light incident on the second optical element so as to be different from the first optical element.

本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記光量変化手段が、第1光学素子への第1光路上に設けた第1遮光部材と、第2光学素子への第2光路上に設けた第2遮光部材と、第1遮光部材および第2遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the measuring apparatus according to the present invention is configured so that, in the above-described configuration, the light amount changing means is provided on the first light shielding member provided on the first optical path to the first optical element and the second optical element. A second light-shielding member provided on the second light path, and a collecting path provided on the optical path to the distributor of the reflected light for condensing the reflected light in the vicinity of the first light-shielding member and the second light-shielding member. And an optical member.

本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、第1遮光部材および第2遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置することを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the measuring apparatus according to the present invention is configured so that, in the above configuration, one of the first light-shielding member and the second light-shielding member, It arrange | positions in the near side rather than the focal position of a condensing member, and arrange | positions the other side in the far side rather than the said focal position of the said condensing member, It is characterized by the above-mentioned.

本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第1遮光部材および上記第2遮光部材へと導く第3遮光部材を設けたことを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the measuring apparatus according to the present invention has the above-described configuration, wherein the reflected light is limited by blocking a part of the reflected light in the optical path to the distributor of the reflected light. A third light shielding member is provided for guiding the remaining portion of the first light shielding member to the first light shielding member and the second light shielding member.

本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上述のいずれかの測定装置と、第1光学素子および第2光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第1光学素子および第2光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the measurement system according to the present invention receives any of the above-described measurement apparatuses and outputs from the first optical element and the second optical element, and the displacement of the surface to be measured of the object. In accordance with the above, by measuring the amount of light received by the first optical element and the second optical element of the measuring device, a calculation for determining and storing in advance the relationship between the displacement of the measured surface of the object and the amount of received light And a device.

本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上記構成において、上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力することを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the measurement system according to the present invention includes a friction force sensor that measures a friction force generated on the surface to be measured of the object in the above configuration, and the friction force sensor measures the friction measured. Force data is output to the calculation device.

本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上記構成において、上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力することを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the measurement system according to the present invention includes an acceleration sensor that detects a component of the friction force measured by the friction force sensor in the configuration, and the acceleration sensor measures the friction. It is characterized in that data of force components is output to the calculation device.

本発明に係る測定方法は、上記課題を解決するために、物体の被測定面からの反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定方法において、上記物体の上記被測定面からの反射光を複数の光束に分け、分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定することを特徴としている。   In order to solve the above problems, the measurement method according to the present invention is a measurement method for measuring the displacement of the measurement surface of the object by measuring the amount of reflected light from the measurement surface of the object. The reflected light from the surface to be measured is divided into a plurality of light beams, and the amount of reflected light is measured for each of the divided light beams, thereby measuring the displacement of the surface to be measured of the object.

本発明に係る測定方法は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分けることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the measurement method according to the present invention is configured so that, in the above configuration, the reflected light from the measured surface of the object is non-uniform in intensity on the irradiated surface when the reflected light is irradiated. Then, the light beam is divided into the plurality of light fluxes after passing through an averaging means for reducing the above.

本発明に係る測定装置は、以上のように、反射光を、第1光路とその第1光路とは異なる第2光路とに分配する分配器と、上記分配器から第1光路を介した上記反射光を検出する第1光学素子と、上記分配器から第2光路を介した上記反射光を検出する第2光学素子と、物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第1光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第1光学素子とは異なるように上記第2光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えている構成である。   As described above, the measuring apparatus according to the present invention distributes the reflected light to the first optical path and the second optical path different from the first optical path, and the above-described distributor via the first optical path from the distributor. A first optical element that detects reflected light; a second optical element that detects the reflected light from the distributor via a second optical path; and the reflected light from the object that accompanies displacement of the surface to be measured of the object. And a light amount changing means for changing the amount of light incident on the second optical element so as to change the amount of light incident on the first optical element. It is a configuration.

上記測定装置は、物体の被測定面からの反射光を検出することによって、物体の被測定面の変位を測定する。より詳細には、測定装置は、例えばレーザからなる発光部が生成した光を、所定の焦点距離を有する対物レンズを介して物体の被測定面に照射する。物体の被測定面からの反射光は、対物レンズを介し、分配器によって第1光路と第2光路とに分配される。   The measurement apparatus measures the displacement of the surface to be measured of the object by detecting reflected light from the surface to be measured of the object. More specifically, the measuring device irradiates the surface to be measured of the object with light generated by a light emitting unit made of, for example, a laser via an objective lens having a predetermined focal length. Reflected light from the surface to be measured of the object is distributed to the first optical path and the second optical path by the distributor through the objective lens.

第1光路においては、被測定面の変位に伴う、物体の被測定面からの反射光の変化に応じて、第1光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段を介した光が、第1光学素子に入射する。また、第2光路においても、被測定面の変位に伴う、物体の被測定面からの反射光の変化に応じて、第2光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段を介した光が、第2光学素子に入射する。ここで、第1光学素子、第2光学素子は、例えばフォトダイオードのような受光素子であり、受光量に応じた電気信号を出力する。なお、光学素子はフォトダイオードに限るものではない。   In the first optical path, the light passing through the light amount changing means that changes the amount of light incident on the first optical element in accordance with the change in the reflected light from the measured surface of the object accompanying the displacement of the measured surface is the first light path. Incident on one optical element. Also in the second optical path, the light passing through the light amount changing means that changes the amount of light incident on the second optical element in accordance with the change in the reflected light from the measured surface of the object accompanying the displacement of the measured surface. , Enters the second optical element. Here, the first optical element and the second optical element are light receiving elements such as photodiodes, for example, and output an electrical signal corresponding to the amount of received light. The optical element is not limited to a photodiode.

光量変化手段とは、受光素子へ入射する光量、すなわち受光素子における受光量を、反射光の変化に応じて変化させるためのものである。特に、それぞれ第1、第2受光素子における受光量を、反射光の変化に応じて変化させる。   The light amount changing means is for changing the amount of light incident on the light receiving element, that is, the amount of light received by the light receiving element, according to the change in reflected light. In particular, the amounts of light received by the first and second light receiving elements are changed in accordance with changes in reflected light.

光量変化手段は、例えばレンズとピンホールとを用いて構成することができる。所定の焦点距離を有するレンズを光路に配置し、さらにピンホールをレンズの焦点位置付近に配置する。この状態において、被測定面の変位に応じた反射光の変化が生ずると、この変化後の反射光の焦点位置は、変化前の焦点位置付近における前後する位置に移動する。これとともに、ピンホールの位置においては、反射光のビームの断面積が、反射光の変化に応じて増減する。そこで、ピンホールの穴のサイズを反射光のビーム断面形状に応じて適切に設定すれば、ピンホールを介して受光素子にて検出される受光量が、反射光の変化に応じて適切に変化するようにできる。なお、光量変化手段は、レンズとピンホールとに限るものではない。   The light quantity changing means can be configured using, for example, a lens and a pinhole. A lens having a predetermined focal length is disposed in the optical path, and a pinhole is disposed near the focal position of the lens. In this state, when a change in the reflected light according to the displacement of the surface to be measured occurs, the focal position of the reflected light after the change moves to a position before and after the focal position before the change. At the same time, at the position of the pinhole, the cross-sectional area of the reflected light beam increases or decreases according to the change in the reflected light. Therefore, if the size of the pinhole hole is appropriately set according to the cross-sectional shape of the reflected light beam, the amount of light received by the light receiving element via the pinhole changes appropriately according to the change in the reflected light. You can do that. The light amount changing means is not limited to the lens and the pinhole.

ここで、一つの受光素子とそのための光量変化手段とについて考えると、光量変化手段の一例としてレンズとピンホールとを挙げていることから分かるように、被測定面の変位(大きさ、方向)によっては、物体からの反射光の変化にもかかわらず、光学素子における受光量が変化しない場合もある。また、光学素子における受光量が変化したとしても、この変化が被測定面の変位(大きさ、方向)に対して必ずしも一対一に対応しない場合もある。   Here, considering one light receiving element and the light quantity changing means therefor, as can be seen from the fact that a lens and a pinhole are cited as examples of the light quantity changing means, the displacement (size, direction) of the surface to be measured In some cases, the amount of light received by the optical element does not change despite the change in the reflected light from the object. Further, even if the amount of light received by the optical element changes, this change may not necessarily correspond one-on-one with the displacement (size, direction) of the surface to be measured.

そこで、上述のように、反射光を分配器にて二つの光束に分離し、第1光路と第2光路とに導いて、それぞれ第1光学素子と第2光学素子とによって検出する。物体の被測定面が変位すると、光量変化手段が、第1光学素子における受光量を変化させるとともに、第1光学素子における受光量の変化とは異なるように第2光学素子における受光量を変化させる。したがって、この構成であれば、例えば被測定面の変位に応じた受光量変化が第1光学素子において生じない場合であっても、第2光学素子においては光量変化が生ずるようにできる。また、逆の場合も同様である。このようにして、少なくともいずれか一方の光学素子においては光量変化を得ることができる。   Therefore, as described above, the reflected light is separated into two light beams by the distributor, guided to the first optical path and the second optical path, and detected by the first optical element and the second optical element, respectively. When the surface to be measured of the object is displaced, the light amount changing means changes the amount of light received by the first optical element and changes the amount of light received by the second optical element so as to be different from the change of the amount of received light by the first optical element. . Therefore, with this configuration, for example, even when the change in the amount of received light according to the displacement of the surface to be measured does not occur in the first optical element, the change in the amount of light can occur in the second optical element. The same applies to the reverse case. In this way, a change in the amount of light can be obtained in at least one of the optical elements.

したがって、上記構成によれば、光量変化手段を適切に設けることによって、物体の被測定面の変位(大きさ、方向)と、第1光学素子、第2光学素子のそれぞれにおける受光量の変化とが、一対一に対応するようにできる。このため、例えば予め物体の被測定面を試験的に変位させることによって受光量変化を計測し、被測定面の変位と受光量変化との関係を求めておけば、以後は受光量の変化から物体の被測定面の変位を得ることができる。また、例えば、上述の発光部が被測定面に対して照射する位置を変化させながら、上述のように第1受光素子、第2受光素子において反射光を検出すれば、被測定面上での位置変化に応じた表面の変位、すなわち物体の表面の凹凸を検出することもできる。   Therefore, according to the above configuration, by appropriately providing the light amount changing means, the displacement (size, direction) of the surface to be measured of the object, and the change in the amount of received light in each of the first optical element and the second optical element, However, it is possible to correspond one-to-one. For this reason, for example, if the change in the amount of received light is measured in advance by experimentally displacing the surface to be measured of the object, and the relationship between the displacement of the surface to be measured and the change in the amount of received light is obtained, then the change in the amount of received light The displacement of the measured surface of the object can be obtained. Further, for example, if the reflected light is detected in the first light receiving element and the second light receiving element as described above while changing the position where the light emitting unit irradiates the surface to be measured, It is also possible to detect the displacement of the surface according to the position change, that is, the unevenness of the surface of the object.

このように、本発明に係る測定装置によれば、被測定面の変位を測定する際に、対物レンズの移動や対物レンズの焦点位置合わせは不要である。このため、対物レンズの可動範囲に応じた測定範囲の制限は生じない。また、対物レンズの焦点位置合わせのための待ち時間が不要であるので、リアルタイムの測定も可能となる。また、上記測定装置は、受光量のみによって物体の被測定面の変位を得ることができ、例えばスポット位置の変化を読み取る必要がないので、システムの構成が簡単なものとなり、装置の作製が容易となる。   As described above, according to the measuring apparatus of the present invention, it is not necessary to move the objective lens or to adjust the focal position of the objective lens when measuring the displacement of the surface to be measured. For this reason, the measurement range is not limited according to the movable range of the objective lens. In addition, since no waiting time is required for adjusting the focal position of the objective lens, real-time measurement is possible. In addition, the measuring apparatus can obtain the displacement of the surface to be measured only by the amount of received light. For example, since it is not necessary to read the change of the spot position, the system configuration becomes simple and the apparatus can be easily manufactured. It becomes.

また、上記測定装置は、第1受光素子と第2受光素子とにそれぞれ入射する光束を、同等の信号光として用いている。したがって、第1受光素子と第2受光素子との一方のみを用いて受光量を検出する場合と異なり、物体の被測定面の変位(大きさ、方向)と受光量変化とを一対一に対応させることができる。また、第1受光素子における受光量と、第2受光素子における受光量とを用いて、得られる信号の和信号または差信号を生成すれば、一方のみを用いる場合と比較して検出精度を向上できる。   The measuring apparatus uses light beams incident on the first light receiving element and the second light receiving element as equivalent signal light. Therefore, unlike the case where the amount of received light is detected using only one of the first light receiving element and the second light receiving element, the displacement (size, direction) of the measured surface of the object and the change in the amount of received light correspond one-to-one. Can be made. In addition, if the sum signal or difference signal of the obtained signals is generated using the amount of light received by the first light receiving element and the amount of light received by the second light receiving element, the detection accuracy is improved as compared with the case where only one is used. it can.

本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、上記光量変化手段が、第1光学素子への第1光路上に設けた第1遮光部材と、第2光学素子への第2光路上に設けた第2遮光部材と、第1遮光部材および第2遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいる構成である。   As described above, in the measurement apparatus according to the present invention, in the above configuration, the light amount changing unit includes the first light shielding member provided on the first optical path to the first optical element, and the second to the second optical element. A second light shielding member provided on the optical path, and a light collecting member provided on the optical path to the distributor of the reflected light for condensing the reflected light in the vicinity of the first light shielding member and the second light shielding member. It is the structure containing.

第1遮光部材・第2遮光部材(遮光部材)は、入射する光束の一部を制限し、遮るための部材である。遮光部材とは、例えばピンホールである。なお、遮光部材は、入射する光のビーム断面形状によっては、入射する光を全く制限することなく通過させることもある。   The first light-shielding member and the second light-shielding member (light-shielding member) are members for limiting and shielding a part of the incident light beam. The light shielding member is, for example, a pinhole. Note that the light shielding member may allow the incident light to pass through without any limitation depending on the beam cross-sectional shape of the incident light.

集光部材は入射する光を所定の位置(焦点位置)に集光する部材である。集光部材とは例えばレンズである。   The condensing member is a member that condenses incident light at a predetermined position (focal position). The condensing member is, for example, a lens.

上記構成のように、集光部材が、第1遮光部材・第2遮光部材の近傍に反射光を集光すれば、物体の被測定面の変位に応じて反射光が変化した場合に、第1遮光部材・第2遮光部材を介した反射光の光量を大きく変化させることができる。したがって、この構成によって光量変化手段を実現して、上述の測定装置を得ることができる。   If the condensing member condenses the reflected light in the vicinity of the first light shielding member and the second light shielding member as in the above configuration, when the reflected light changes according to the displacement of the measured surface of the object, The amount of reflected light through the first light shielding member and the second light shielding member can be greatly changed. Therefore, the above-described measuring apparatus can be obtained by realizing the light amount changing means with this configuration.

本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、第1遮光部材および第2遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置する構成である。   As described above, in the measurement apparatus according to the present invention, in the above configuration, one of the first light shielding member and the second light shielding member is used as the light collecting member in the optical path where the light collecting member collects the reflected light. It is the structure which arrange | positions the other side on the far side rather than the said focal position of the said condensing member, while arrange | positioning on the near side from this focal position.

例えば、第1遮光部材を焦点距離の向こう側に配置し、第2遮光部材を焦点距離の手前側に配置したとする。このとき、物体の被測定面の変位に応じた第1受光素子、第2受光素子における受光量の変化は、以下に説明するように、互いに逆方向に増減する。   For example, it is assumed that the first light shielding member is disposed on the far side of the focal length and the second light shielding member is disposed on the near side of the focal length. At this time, the change in the amount of light received by the first light receiving element and the second light receiving element according to the displacement of the surface to be measured of the object increases and decreases in opposite directions as described below.

すなわち、例えば物体の被測定面が測定装置に近い側に変位した場合に、この変位に応じて反射光が変化すると、反射光は集光部材によって元の焦点位置よりも少し遠い位置に集光される。このとき、第1遮光部材においては、変位前よりも遮光される光が少なくなるので、第1受光素子における受光量は増加する。一方、第2遮光部材においては、ビームの断面形状が大きくなると考えられるので、第2受光素子における受光量は減少する。また、物体の被測定面が測定装置から遠い側に変位した場合には、上述とは逆の理由によって、第1受光素子における受光量は減少し、第2受光素子における受光量は増加する。   That is, for example, when the measured surface of an object is displaced closer to the measuring device and the reflected light changes in accordance with this displacement, the reflected light is condensed at a position slightly further than the original focal position by the condensing member. Is done. At this time, in the first light-shielding member, the amount of light that is shielded is less than before the displacement, so the amount of light received by the first light-receiving element increases. On the other hand, in the second light-shielding member, it is considered that the cross-sectional shape of the beam becomes large, so that the amount of light received by the second light-receiving element decreases. Further, when the measured surface of the object is displaced to the side far from the measuring device, the amount of light received by the first light receiving element is decreased and the amount of light received by the second light receiving element is increased for the opposite reason.

したがって、第1受光素子、第2受光素子における受光量に応じた電気信号について、差信号を求めることによって変化量を2倍にすることができ、これによって精度を向上することができる。   Therefore, the amount of change can be doubled by obtaining a difference signal for the electrical signal corresponding to the amount of light received by the first light receiving element and the second light receiving element, thereby improving the accuracy.

また、本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第1遮光部材および上記第2遮光部材へと導く第3遮光部材を設けた構成である。   Further, as described above, the measuring apparatus according to the present invention is configured so that, in the above configuration, the reflected light is limited by blocking a part of the reflected light in the optical path to the distributor of the reflected light. A third light shielding member is provided to guide the remaining part to the first light shielding member and the second light shielding member.

物体の被測定面からの反射光は、第3遮光部材によって一部が遮光され、残部が分配器を介して第1遮光部材および第2遮光部材へと導かれる。反射光は、第1遮光部材を介して第1光学素子にて検出され、第2遮光部材を介して第2光学素子にて検出される。   A part of the reflected light from the measured surface of the object is blocked by the third light blocking member, and the remaining part is guided to the first light blocking member and the second light blocking member via the distributor. The reflected light is detected by the first optical element via the first light shielding member and detected by the second optical element via the second light shielding member.

ここで、第3遮光部材は、反射光の一部を遮光し、残部のみを通過させる。反射光がビーム断面において強度のばらつきを有するとき、第3遮光部材が反射光の一部を遮光し残部のみを通過させることによって、第3遮光部材通過後のビーム強度のばらつきを低減できる。すなわち、第3遮光部材は、ビーム強度の非一様性を低減する平均化手段として機能する。   Here, the third light shielding member shields a part of the reflected light and allows only the remaining part to pass. When the reflected light has a variation in intensity in the beam cross section, the third light shielding member shields a part of the reflected light and allows only the remaining part to pass, whereby the variation in the beam intensity after passing through the third light shielding member can be reduced. That is, the third light shielding member functions as an averaging means that reduces non-uniformity of the beam intensity.

これによって、第1遮光部材および第2遮光部材へと導かれる反射光強度のばらつきを低減できる。このため、第1遮光部材、第2遮光部材の取り付け位置に誤差がある場合でも、第1光学素子、第2光学素子に入射する光強度の誤差を低減して、測定誤差を低減できる。   As a result, it is possible to reduce variations in the intensity of reflected light guided to the first light shielding member and the second light shielding member. For this reason, even when there is an error in the attachment positions of the first light shielding member and the second light shielding member, the error in the light intensity incident on the first optical element and the second optical element can be reduced, and the measurement error can be reduced.

例えば、物体の被測定面が摩擦下にある摩耗面である場合でも、上述のようにビーム強度のばらつきを低減して、測定誤差を低減できる。   For example, even when the surface to be measured of the object is a worn surface under friction, it is possible to reduce the measurement error by reducing the variation in beam intensity as described above.

本発明に係る測定システムは、以上のように、上述のいずれかの測定装置と、第1光学素子および第2光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第1光学素子および第2光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいる構成である。   As described above, the measurement system according to the present invention receives any one of the above-described measurement devices and outputs from the first optical element and the second optical element, and responds to the displacement of the measured surface of the object. A calculation device for determining and storing the relationship between the displacement of the measured surface of the object and the received light amount in advance by measuring the received light amount in the first optical element and the second optical element of the measuring device; It is the composition which contains.

このように、物体の被測定面の変位に応じて、測定装置の第1光学素子および第2光学素子における受光量を測定することによって、計算装置が、予め被測定面の変位と受光量との関係を決定し、記憶する。これによって、測定装置で受光量を得ると、計算装置で受光量と被測定面の変位との関係から物体の被測定面の変位を得ることができるので、簡単でかつリアルタイムでの変位の測定が可能となる。   In this way, by measuring the amount of light received by the first optical element and the second optical element of the measuring device in accordance with the displacement of the surface to be measured of the object, the calculation device previously determines the displacement of the surface to be measured and the amount of light received. The relationship is determined and memorized. As a result, when the amount of received light is obtained by the measurement device, the displacement of the measured surface of the object can be obtained from the relationship between the received light amount and the displacement of the measured surface by the calculation device, so that the displacement can be measured easily and in real time. Is possible.

本発明に係る測定システムは、以上のように、上記構成において、上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力する構成である。また、本発明に係る測定システムは、以上のように、上記構成において、上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力する構成である。   As described above, the measurement system according to the present invention includes a friction force sensor that measures the friction force generated on the surface to be measured of the object in the above configuration, and the friction force sensor measures the friction force data. Is output to the calculation device. Further, as described above, the measurement system according to the present invention includes, in the above configuration, an acceleration sensor that detects a component of the friction force measured by the friction force sensor, and the acceleration sensor measures the friction force measured by the acceleration sensor. This is a configuration for outputting the data of the constituent components of the above to the calculation device.

これによって、摩擦力、摩擦力の構成成分をさらに測定して、包括的トライボロジー現象を観測できる。また、測定装置にて測定面の変位を測定できるので、摩擦力と摩擦面との関係を得ることもできる。   As a result, a comprehensive tribological phenomenon can be observed by further measuring the frictional force and the components of the frictional force. Further, since the displacement of the measurement surface can be measured by the measurement device, the relationship between the friction force and the friction surface can be obtained.

本発明に係る測定方法は、以上のように、物体の被測定面からの反射光を複数の光束に分け、分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の被測定面の変位を測定する構成である。   As described above, the measurement method according to the present invention divides the reflected light from the surface to be measured of the object into a plurality of light beams, and measures the amount of reflected light for each of the divided light beams. This is a configuration for measuring the displacement.

上述のように、各光束を同等の信号光として検出すれば、それぞれの反射光量を用いて物体の被測定面の変位を計測できるので、対物レンズの移動を不要にできる。このため、対物レンズの可動範囲に応じた測定範囲の制限を生ずることがなく、また焦点位置合わせのための待ち時間が不要であるので、リアルタイムの測定も可能となる。   As described above, if each light beam is detected as equivalent signal light, the displacement of the surface to be measured of the object can be measured using the respective reflected light amounts, so that it is not necessary to move the objective lens. For this reason, there is no limitation on the measurement range in accordance with the movable range of the objective lens, and since no waiting time for focus position adjustment is required, real-time measurement is possible.

本発明に係る測定方法は、以上のように、上記構成において、上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分ける構成である。   As described above, the measurement method according to the present invention reduces the intensity non-uniformity on the irradiated surface when the reflected light is irradiated from the measured surface of the object in the above configuration. And then splitting it into the plurality of light fluxes after passing through the averaging means.

平均化手段によって、反射光の強度の非一様性(強度ばらつき)を低減した後に複数の光束に分け、反射光量を測定する。このため、測定する反射光を、強度ばらつきが低減されたものにできるので、測定誤差を低減できる。   After the non-uniformity (intensity variation) of the intensity of the reflected light is reduced by the averaging means, it is divided into a plurality of light beams and the reflected light quantity is measured. For this reason, since the reflected light to be measured can be reduced in intensity variation, measurement errors can be reduced.

本発明に係る測定装置は、物体の被測定面からの反射光を2光束に分け、その両者の光強度を同等に利用することによって、被測定面の凹凸についての感度やS/N比(信号対雑音比)を、さらに究極的には解像度を、従来方式よりも向上させ得るものである。   The measuring apparatus according to the present invention divides the reflected light from the surface to be measured of the object into two light fluxes, and uses the light intensity of both of them equally, so that the sensitivity of the surface to be measured and the S / N ratio ( The signal-to-noise ratio) and, ultimately, the resolution can be improved over the conventional method.

〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について図1ないし図9に基づいて説明すると以下の通りである。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9 as follows.

本実施形態の測定システム1は、図1に示すように、測定装置2とパソコン(パーソナルコンピュータ)(計算装置)3とを含んでいる。この測定システム1は、図示しない被測定面(以下、簡単のために測定面とする。)の凹凸を測定するためのシステムである。本実施形態においては、測定システム1は、動的に摩耗する表面を測定面として、その測定面の凹凸をリアルタイムに測定する。   As shown in FIG. 1, the measurement system 1 of this embodiment includes a measurement device 2 and a personal computer (computer) (calculation device) 3. This measurement system 1 is a system for measuring unevenness of a surface to be measured (not shown) (hereinafter referred to as a measurement surface for simplicity). In the present embodiment, the measurement system 1 uses a surface that dynamically wears as a measurement surface, and measures the unevenness of the measurement surface in real time.

測定装置2は、図1に示すように、制御部4、測定部5、増幅器6およびA/D(Analog/Digital)変換器7を含んでいる。測定装置2は、測定面の表面凹凸について測定したデータをパソコン3に送信する。パソコン3は、測定装置2から入力されるデータに基づいて測定面位置D1および校正曲線D2のデータをそれぞれ作成し、記憶する。   As shown in FIG. 1, the measuring device 2 includes a control unit 4, a measuring unit 5, an amplifier 6, and an A / D (Analog / Digital) converter 7. The measuring device 2 transmits data measured on the surface unevenness of the measurement surface to the personal computer 3. The personal computer 3 creates and stores data of the measurement surface position D1 and the calibration curve D2 based on the data input from the measuring device 2, respectively.

測定装置2の制御部4は、測定装置2全体の制御を行うためのものである。測定部5は、レーザ8、受光部9および光学部材10を備えている。測定部5は、制御部4の制御に応じてレーザ8から光を出力し、光学部材10を介して測定面を照射し、反射光を受光部9にて検出する。測定部5は、検出した受光量に応じたアナログ信号を増幅器6へと出力する。   The control unit 4 of the measuring device 2 is for controlling the entire measuring device 2. The measurement unit 5 includes a laser 8, a light receiving unit 9, and an optical member 10. The measurement unit 5 outputs light from the laser 8 under the control of the control unit 4, irradiates the measurement surface via the optical member 10, and detects reflected light at the light receiving unit 9. The measuring unit 5 outputs an analog signal corresponding to the detected amount of received light to the amplifier 6.

増幅器6は、アナログ信号を増幅する装置であり、測定部5の受光部9から入力されるアナログ信号を増幅してA/D変換器7へと出力する。A/D変換器7はアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。本実施形態のA/D変換器7は、増幅器6から入力されるアナログ信号を12ビットのデジタル信号に変換して、測定装置2に接続されたパソコン3へと出力する。   The amplifier 6 is a device that amplifies an analog signal, and amplifies the analog signal input from the light receiving unit 9 of the measuring unit 5 and outputs the amplified analog signal to the A / D converter 7. The A / D converter 7 converts an analog signal into a digital signal. The A / D converter 7 of the present embodiment converts the analog signal input from the amplifier 6 into a 12-bit digital signal and outputs it to the personal computer 3 connected to the measuring device 2.

ここで、本実施形態の測定部5のより詳細な構成について、図2に基づいて説明する。   Here, the more detailed structure of the measurement part 5 of this embodiment is demonstrated based on FIG.

図2に示す二つのフォトダイオード(受光素子)PD1・PD2は、図1に示す測定部5の受光部9に相当する。また、ピンホールA1・A2、対物レンズL0、接眼レンズL1、およびハーフミラー(半透鏡、ビームスプリッタ)BS1・BS2が、図1に示す光学部材10に相当する。なお、接眼レンズL1(集光部材)、ピンホールA1(第1遮光部材)およびピンホールA2(第2遮光部材)は、測定面Xからの反射光の変化に応じてフォトダイオードPD1・PD2に入射する光量を変化させる光量変化手段として機能する。また、測定部5は、光学部材10を移動させるための図示しない可動部を含んでいてもよい。本実施形態においては、この可動部は、例えば光学部材のうちのピンホールA1・A2の位置を予め調節するために用いられる。   The two photodiodes (light receiving elements) PD1 and PD2 shown in FIG. 2 correspond to the light receiving unit 9 of the measuring unit 5 shown in FIG. Further, the pinholes A1 and A2, the objective lens L0, the eyepiece lens L1, and the half mirrors (semi-transparent mirrors and beam splitters) BS1 and BS2 correspond to the optical member 10 shown in FIG. Note that the eyepiece L1 (light condensing member), the pinhole A1 (first light shielding member), and the pinhole A2 (second light shielding member) are connected to the photodiodes PD1 and PD2 according to changes in reflected light from the measurement surface X. It functions as a light amount changing means for changing the amount of incident light. The measurement unit 5 may include a movable unit (not shown) for moving the optical member 10. In this embodiment, this movable part is used, for example, for adjusting in advance the positions of the pinholes A1 and A2 of the optical member.

本実施形態のレーザ8は、波長λ=632.8nmのHe−Neレーザである。   The laser 8 of this embodiment is a He—Ne laser with a wavelength λ = 632.8 nm.

レーザ8から平行なレーザ光Iが出力されて、ハーフミラーBS1、対物レンズL0を順に通過して、物体の測定面Xへと入射する。ここで、対物レンズL0の焦点距離はf0であり、対物レンズL0から測定面Xまでの距離がf0に近い状態となるように、物体が配置される。   Parallel laser light I is output from the laser 8 and passes through the half mirror BS1 and the objective lens L0 in this order, and enters the measurement surface X of the object. Here, the focal length of the objective lens L0 is f0, and the object is arranged so that the distance from the objective lens L0 to the measurement surface X is close to f0.

測定面Xから反射した光は、対物レンズL0を通過し、ハーフミラーBS1にて反射され、接眼レンズL1に入射する。この接眼レンズの焦点距離はf1である。接眼レンズL1を通過した光は、ハーフミラーBS2によって、フォトダイオードPD1に向かう光束とフォトダイオードPD2に向かう光束との2光束に分けられる。ハーフミラーBS2を通過する光束は、接眼レンズL1の焦点距離f1よりも離れた位置に配置されたピンホールA1を介して、フォトダイオードPD1に入射する。ハーフミラーBS2にて反射された光束は、接眼レンズL1の焦点距離f1よりも近い位置に配置されたピンホールA2を介して、フォトダイオードPD2に入射する。   The light reflected from the measurement surface X passes through the objective lens L0, is reflected by the half mirror BS1, and enters the eyepiece lens L1. The focal length of this eyepiece is f1. The light that has passed through the eyepiece lens L1 is divided into two light fluxes, a light flux directed toward the photodiode PD1 and a light flux directed toward the photodiode PD2, by the half mirror BS2. The light beam passing through the half mirror BS2 enters the photodiode PD1 through the pinhole A1 disposed at a position farther than the focal length f1 of the eyepiece lens L1. The light beam reflected by the half mirror BS2 enters the photodiode PD2 via the pinhole A2 disposed at a position closer to the focal length f1 of the eyepiece lens L1.

ここで、測定面Xの表面凹凸に応じたフォトダイオードPD1・PD2への入射光量の変化について、より詳細に説明する。   Here, the change in the amount of incident light on the photodiodes PD1 and PD2 according to the surface irregularities of the measurement surface X will be described in more detail.

図2に示すように平行にコリメートされたレーザ光Iは、ハーフミラーBS1を透過し、対物レンズL0によって測定面X上にピントを合わせて集束される。測定面は通常粗面であるから、レーザ光Iはそこからあらゆる方向に反射される。これらの反射光のうち、対物レンズL0(焦点距離f0)に入射した反射光は、再び平行光となって上方向に透過し、BS1によって接眼レンズL1(焦点距離f1)に入射し、このレンズL1の焦点面上に集光される。   As shown in FIG. 2, the laser light I collimated in parallel passes through the half mirror BS1 and is focused on the measurement plane X by the objective lens L0. Since the measurement surface is usually a rough surface, the laser beam I is reflected in all directions therefrom. Of these reflected lights, the reflected light incident on the objective lens L0 (focal length f0) is converted again into parallel light and transmitted upward, and is incident on the eyepiece lens L1 (focal length f1) by BS1. Focused on the focal plane of L1.

本実施形態においては、図2に示すように、接眼レンズL1からの光を、ハーフミラーBS2を挿入して2光束に分離、分配する。ハーフミラーBS2における透過光は焦点面よりも遠いフォトダイオードPD1で受光する。ハーフミラーBS2における反射光は焦点面よりも近いフォトダイオードPD2で受光する。また、これらの受光素子(フォトダイオードPD1・PD2)の直前面には、それぞれピンホールA1、A2を配置する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the light from the eyepiece lens L1 is separated and distributed into two light beams by inserting a half mirror BS2. The transmitted light in the half mirror BS2 is received by the photodiode PD1 far from the focal plane. The reflected light from the half mirror BS2 is received by the photodiode PD2 closer to the focal plane. In addition, pinholes A1 and A2 are arranged on the front surfaces of these light receiving elements (photodiodes PD1 and PD2), respectively.

また、対物レンズL0、接眼レンズL1の焦点距離、f0、f1、ピンホールの大きさ、およびピンホールから受光素子までの距離a1、a2等は、すべて光学系の調整に利用される。とりわけf0、f1、両ピンホールの大きさPを利用して、測定感度の調整を行う。また、a1、a2を利用して、基準となる測定面位置で両受光素子に入射する光強度を等しくする。これらの具体的な寸法の一例については後述する。   Further, the focal lengths f0 and f1, the size of the pinhole, the distances a1 and a2 from the pinhole to the light receiving element, etc. are all used for adjusting the optical system. In particular, the measurement sensitivity is adjusted using f0 and f1 and the size P of both pinholes. Further, a1 and a2 are used to equalize the light intensity incident on both light receiving elements at the reference measurement surface position. An example of these specific dimensions will be described later.

このような光学系における、測定面の移動に応じた光量変化の詳細について、図3(a)〜(c)に基づいて説明する。   The details of the change in the amount of light according to the movement of the measurement surface in such an optical system will be described with reference to FIGS.

図3(a)には、凹凸のある測定面が、対物レンズL0の焦点距離f0と一致する焦点面となった状態を示す。なお、対物レンズL0の焦点面をΔd=0とし、そこよりも遠い方向に測定面が位置するときには測定面変位Δdがプラスになるものとする。また、Δd=0のとき、測定面にて反射されてフォトダイオードPD1、PD2にて受光される光強度がそれぞれ等しくなるように、ピンホールA1・A2の大きさPや、ピンホールの位置などを調節しておく。   FIG. 3A shows a state in which the uneven measurement surface is a focal plane that coincides with the focal length f0 of the objective lens L0. It is assumed that the focal plane of the objective lens L0 is Δd = 0, and the measurement plane displacement Δd is positive when the measurement plane is located in a direction farther than that. Further, when Δd = 0, the size P of the pinholes A1 and A2, the position of the pinholes, etc. so that the light intensity reflected by the measurement surface and received by the photodiodes PD1 and PD2 is equal to each other. Adjust.

この状態で、測定面が上(Δd<0)下(Δd>0)すると、それぞれの受光素子での光強度は逆方向に増減する。   In this state, when the measurement surface is up (Δd <0) and down (Δd> 0), the light intensity at each light receiving element increases or decreases in the opposite direction.

例えば、図3(b)に示すように、測定面が上がると(△d<0)、反射光は点線のように平行光に比較して僅かに発散しながら対物レンズL0に入射する。このため、その後に接眼レンズL1によって集光されると、Δd=0のときのそのレンズの焦点面(接眼レンズL1からf1の距離)では集束せず、僅かに遠い位置で集束する。   For example, as shown in FIG. 3B, when the measurement surface is raised (Δd <0), the reflected light is incident on the objective lens L0 while being slightly diverged as compared with the parallel light as indicated by a dotted line. For this reason, when the light is subsequently focused by the eyepiece lens L1, it is not focused on the focal plane of the lens when Δd = 0 (the distance from the eyepiece lens L1 to f1), but is focused at a slightly distant position.

したがって、このとき、フォトダイオードPD1用のピンホールA1では、元のビーム断面より小さく集光される。ここで、Δd=0のときにビーム断面をピンホールA1よりも大きくなるように調節しているので、このようにビーム断面が小さくなればΔd=0のときよりも多くの光がフォトダイオードPD1に入射する。したがって、△d<0でフォトダイオードPD1の受光する光強度S1は、△d=0での元の強度より増加する。一方、フォトダイオードPD2側のピンホールA2では、ビーム光が元の(△d=0の)ビーム断面より大きく発散するので、ピンホールA2によってかなりのビームが遮蔽される。このため、フォトダイオードPD2に入射する光強度S2は、△d=0のときよりも減少する。   Accordingly, at this time, the light is condensed in the pinhole A1 for the photodiode PD1 to be smaller than the original beam cross section. Here, since the beam cross section is adjusted to be larger than the pinhole A1 when Δd = 0, more light is emitted from the photodiode PD1 when Δd = 0 when the beam cross section is reduced in this way. Is incident on. Therefore, the light intensity S1 received by the photodiode PD1 when Δd <0 increases from the original intensity when Δd = 0. On the other hand, in the pinhole A2 on the photodiode PD2 side, the beam light diverges larger than the original beam cross section (Δd = 0), so that a considerable beam is shielded by the pinhole A2. For this reason, the light intensity S2 incident on the photodiode PD2 is smaller than when Δd = 0.

ここで、通常のフォトダイオード(受光素子)は、受光領域がそれなりの適当な大きさであるため、上述のようにビーム焦点位置の変化によるビーム断面形状の変化があったとしても、結局そのビーム全てを受光してしまう。このため、ピンホールを介さずにフォトダイオードに光を入射させると、上述のようにビーム焦点位置が変化したとしても、フォトダイオードにおける受光量は変化しない。   Here, since a normal photodiode (light receiving element) has a light receiving area of an appropriate size, even if there is a change in the beam cross-sectional shape due to a change in the beam focal position as described above, the beam is eventually changed. All light is received. For this reason, when light is incident on the photodiode without passing through the pinhole, even if the beam focal position changes as described above, the amount of light received by the photodiode does not change.

そこで、本実施形態のようにピンホールA1・A2を設ければ、ビーム断面積の変化に応じてピンホールによるビーム光の遮蔽が生じて、受光強度は大きく変化する。このようにピンホールA1・A2を配置すれば、測定面の上下によって生じる微小なビーム断面積変化を感度よく検出することができる。このピンホールA1・A2は、例えば数100μm程度の直径とすればよい。また、本実施形態のように、ピンホールA1・A2をそれぞれ焦点面の前後に配置して、フォトダイオードPD1・PD2における光強度の変化を、互いに増減が逆であるようにすれば、後述するように光強度から得られる信号の差信号を用いて測定精度を向上できる。   Therefore, if the pinholes A1 and A2 are provided as in the present embodiment, the beam light is blocked by the pinholes according to the change in the beam cross-sectional area, and the received light intensity changes greatly. By arranging the pinholes A1 and A2 in this way, a minute change in the cross-sectional area of the beam caused by the upper and lower sides of the measurement surface can be detected with high sensitivity. The pinholes A1 and A2 may have a diameter of about several hundred μm, for example. Further, as in the present embodiment, if pinholes A1 and A2 are respectively arranged before and after the focal plane so that changes in light intensity in the photodiodes PD1 and PD2 are opposite to each other, they will be described later. Thus, the measurement accuracy can be improved by using the difference signal of the signal obtained from the light intensity.

また、図3(c)に示すように、逆に測定面が下方(△d>0)に移動すると、上述の図3(b)とは逆の状態が生じ、フォトダイオードPD1における光強度は減少し、フォトダイオードPD2における光強度は増加する。なお、本実施形態のように、測定面の表面の摩耗を観測する場合は、測定面が下方に移動する場合に相当する。   Also, as shown in FIG. 3C, when the measurement surface is moved downward (Δd> 0), a state opposite to that in FIG. 3B occurs, and the light intensity in the photodiode PD1 is The light intensity in the photodiode PD2 increases and decreases. Note that, when the wear of the surface of the measurement surface is observed as in this embodiment, this corresponds to the case where the measurement surface moves downward.

以上の図3(a)〜(c)を参照して説明したように、測定面移動量(Δd)に応じた受光量変化によって、例えば受光量と測定面移動量との関係として、図4(b)に示すような校正曲線がパソコン3において校正曲線D2として得られる。予めこの校正曲線D2のデータを記憶しておけば、受光量に応じて、測定面移動量を得ることができる。そこで、測定面上の測定位置を移動させることによって、表面凹凸を測定し、パソコン3において、図4(a)に示すような測定面位置D1を得ることもできる。   As described above with reference to FIGS. 3A to 3C, the relationship between the amount of received light and the amount of movement of the measurement surface is shown in FIG. A calibration curve as shown in (b) is obtained in the personal computer 3 as the calibration curve D2. If the data of the calibration curve D2 is stored in advance, the measurement surface movement amount can be obtained according to the amount of received light. Therefore, by moving the measurement position on the measurement surface, the surface unevenness can be measured, and the measurement surface position D1 as shown in FIG.

ここで、上述の図4(a)に示す校正曲線に対して、フォトダイオードPD1・PD2における光強度信号をS1、S2としたときの規格化した光量差S、すなわち
S=(S1−S2)/(S1+S2) (1)、
を用いた場合に得られると推定される校正曲線を図5(a)に示す。本実施形態においては、この光量差Sを摩耗量の定量測定に用いる。このように、2個のフォトダイオードPD1・PD2における光強度信号S1・S2の差信号(光量差S)を用いて、測定面の上下移動が容易に測定可能となる。なお、図5(a)に示す点線領域Qをさらに拡大して示したのが図5(b)である。システム全体の雑音成分のため、瞬時的な出力は図5(b)に示すように、ある小さな有限幅SNをもつ。有限幅SNの原因としては、雑光成分SNLと、A/D変換器7や増幅器6の電子回路雑音成分SNEの両者が考えられる。
Here, with respect to the calibration curve shown in FIG. 4A described above, the normalized light quantity difference S when the light intensity signals in the photodiodes PD1 and PD2 are S1 and S2, that is, S = (S1-S2). / (S1 + S2) (1),
FIG. 5 (a) shows a calibration curve estimated to be obtained when using. In the present embodiment, this light amount difference S is used for quantitative measurement of the wear amount. Thus, the vertical movement of the measurement surface can be easily measured using the difference signal (light quantity difference S) between the light intensity signals S1 and S2 in the two photodiodes PD1 and PD2. Note that FIG. 5B shows a further enlarged view of the dotted line region Q shown in FIG. Due to the noise component of the entire system, the instantaneous output has a small finite width SN as shown in FIG. As the cause of the finite width SN, both the miscellaneous light component SNL and the electronic circuit noise component SNE of the A / D converter 7 and the amplifier 6 can be considered.

ここで、どちらか一方のフォトダイオード(PD1またはPD2)のみを用いるようにしても、測定面移動量△dと出力(S1またはS2)との区分的に直線的な(リニア)関係を得ることはできる。すなわち、Δdの増加によってS1はほぼ直線的に増加し、逆にS2はほぼ直線的に減少する。しかしながら、以下に述べるように、フォトダイオード(PD1・PD2)を用いて、双方の差信号を得るようにすれば、測定感度の点で有利である。また、雑光の影響が小さくなり、究極的には高解像度の計測が可能である。   Here, even if only one of the photodiodes (PD1 or PD2) is used, a piecewise linear relationship between the measurement surface movement amount Δd and the output (S1 or S2) is obtained. I can. That is, as Δd increases, S1 increases approximately linearly, and conversely, S2 decreases approximately linearly. However, as will be described below, it is advantageous in terms of measurement sensitivity to obtain a difference signal between the two using photodiodes (PD1 and PD2). In addition, the influence of extraneous light is reduced, and ultimately high-resolution measurement is possible.

次に、測定感度や解像度を検討するために、(1)式において、微小なΔdに対するそれぞれの変化を、S1→S10+ΔS1、S2→S20+ΔS2、S→S0+ΔSとする。ここに、S10、S20、S0等は、測定面がレンズL0の焦点面にあるとき(Δd=0)のそれぞれの値を示す。実際には、前述のように、ΔS1とΔS2は異符号となる。さらに、光学系の設定時に、S10=S20としているので、S0=0である。さらに、原理的に、ΔS1+ΔS2≒0と考えられるので、これらの変化を(1)式に代入すれば、次式の関係を得る。
ΔS=(ΔS1−ΔS2)/(S10+S20) (2)
ここで、本実施形態の測定装置2による測定感度Kは、
K=ΔS/Δd (3)
で定義される。ΔS1とΔS2とは、Δdの正負に関わらず必ず異符号となるので、信号ΔSの大きさはどちらか一方のみの信号を利用したときに比べて2倍となる。従来方式は、全てS1またはS2のどちらか一方のみの信号を利用する方法なので、従来方式と比較して本方式の感度は2倍になる。
Next, in order to examine the measurement sensitivity and resolution, in Equation (1), the respective changes with respect to the minute Δd are S1 → S10 + ΔS1, S2 → S20 + ΔS2, and S → S0 + ΔS. Here, S10, S20, S0, and the like indicate respective values when the measurement surface is on the focal plane of the lens L0 (Δd = 0). Actually, as described above, ΔS1 and ΔS2 have different signs. Furthermore, since S10 = S20 when setting the optical system, S0 = 0. Furthermore, since it is considered that ΔS1 + ΔS2≈0 in principle, the relationship of the following equation is obtained by substituting these changes into the equation (1).
ΔS = (ΔS1−ΔS2) / (S10 + S20) (2)
Here, the measurement sensitivity K by the measurement apparatus 2 of this embodiment is:
K = ΔS / Δd (3)
Defined by Since ΔS1 and ΔS2 always have different signs regardless of whether Δd is positive or negative, the magnitude of the signal ΔS is twice that of when only one of the signals is used. Since the conventional method is a method that uses only one of the signals S1 or S2, the sensitivity of this method is doubled compared to the conventional method.

また、以下に述べるように、雑光に対する影響が小さくなり、結局解像度が良くなる。すなわち、上述のように、システム全体の雑音成分SNは、雑光成分SNLとA/D変換器7や増幅器6の電子回路雑音成分SNEの両者が考えられる。
SN=SNL+SNE≒SNE (4)
このうちで、光計測時に一番問題となるのはSNLである。本測定法の場合には、雑光は測定面での反射率の違いから生じ、これが2光束に分離されるから、両受光素子に等しく入射し、個々の素子に単独で入射することはない。すなわち、(2)式のΔS1、ΔS2に同じように加わり、ΔSへの影響は全くなくなって、電子回路の雑音成分のみとなる。
Further, as will be described below, the influence on the miscellaneous light is reduced, and the resolution is eventually improved. That is, as described above, the noise component SN of the entire system can be both the miscellaneous light component SNL and the electronic circuit noise component SNE of the A / D converter 7 and the amplifier 6.
SN = SNL + SNE≈SNE (4)
Of these, SNL is the most problematic during optical measurement. In the case of this measurement method, the miscellaneous light is caused by the difference in reflectance on the measurement surface, which is separated into two light beams, so that it is equally incident on both light receiving elements and is not incident on each individual element. . In other words, ΔS1 and ΔS2 in the equation (2) are added in the same manner, and the influence on ΔS is completely eliminated, and only the noise component of the electronic circuit is obtained.

次に、解像度κ(カッパ)は、どこまで細かく変位量Δdを測定できるかの限界を示すものである。これは、図5(b)から明らかなように、雑音成分SNと測定感度Kから次式によって決まる。すなわち、
κ=SN/K≒SNE(Δd/ΔS) (5)
と求められる。ただし、ここでのSNは、ΔSを(2)式のように規格化しているので、同じように(S10+S20)で規格化された雑音成分である。このように、本方法では、SNEが小さくなって、ΔSが2倍になるからκはかなり小さく、換言すれば高解像度を得ることが可能となる。
Next, the resolution κ (kappa) indicates the limit to how finely the displacement amount Δd can be measured. As is apparent from FIG. 5B, this is determined by the following equation from the noise component SN and the measurement sensitivity K. That is,
κ = SN / K≈SNE (Δd / ΔS) (5)
Is required. However, SN here is a noise component that is similarly normalized by (S10 + S20) since ΔS is normalized as shown in equation (2). Thus, in this method, the SNE is reduced and ΔS is doubled, so that κ is considerably small. In other words, a high resolution can be obtained.

以上に説明した測定システム1において、実際の計測の前には、まず測定面Xを適当な上下位置に調節して、フォトダイオードPD1、PD2に入射する光強度(S1,S2)が等しくなるようにする。つぎに、測定面Xを上下して、上述の校正曲線D2を得る。   In the measurement system 1 described above, before actual measurement, the measurement surface X is first adjusted to an appropriate vertical position so that the light intensities (S1, S2) incident on the photodiodes PD1, PD2 become equal. To. Next, the measurement surface X is moved up and down to obtain the calibration curve D2.

最後に、この校正曲線D2を用いて、実際の摩耗面や切削面位置、換言すれば摩耗量や切削量を定量測定する。この場合、例えば物体を回転台等に載せることによって、測定面が常に移動している状態とする。または、測定面を移動するかわりに、レーザ光源を移動するようにして、半導体素子や機械部品等の表面検査を行ってもよい。この測定の際には、測定部5のフォトダイオードPD1、PD2からの光強度信号S1、S2を、増幅器6にて増幅し、さらにA/D変換器7にてA/D変換した後、パソコン3へと出力する。パソコン3にて各種の演算を行い、校正曲線D2から表面変位量(測定面位置D1)等(摩耗量)を得る。   Finally, the calibration curve D2 is used to quantitatively measure the actual wear surface and cutting surface position, in other words, the wear amount and the cutting amount. In this case, for example, the measurement surface is always moved by placing an object on a turntable or the like. Alternatively, instead of moving the measurement surface, the laser light source may be moved to perform surface inspection of semiconductor elements, mechanical parts, and the like. In this measurement, the light intensity signals S1 and S2 from the photodiodes PD1 and PD2 of the measuring unit 5 are amplified by the amplifier 6 and further A / D converted by the A / D converter 7, and then the personal computer Output to 3. Various calculations are performed by the personal computer 3 to obtain a surface displacement (measurement surface position D1) and the like (amount of wear) from the calibration curve D2.

このように、実際の測定中に対物レンズL0を移動させる必要がないので、表面凹凸の測定範囲が対物レンズL0の移動範囲によって制限されることはない。後述するパラメータの具体例を用いた測定装置2においては、ある適当な解像度(κ=2μm)内における測定範囲は少なくとも±0.8mm程度まで可能である。また、対物レンズL0の移動が不要であるので、光学系も比較的単純で、安価となる。   Thus, since it is not necessary to move the objective lens L0 during actual measurement, the measurement range of the surface irregularities is not limited by the movement range of the objective lens L0. In the measuring apparatus 2 using a specific example of parameters to be described later, the measurement range within a certain appropriate resolution (κ = 2 μm) can be at least about ± 0.8 mm. Moreover, since the objective lens L0 does not need to be moved, the optical system is relatively simple and inexpensive.

次に、上述の測定システム1、また後述する観察システム11による実測に先立ち、本測定法の性能を検討するために、市販の光学系設計ソフトの一例(Zemax)によるシミュレーション実験を行った。   Next, prior to actual measurement by the above-described measurement system 1 and the observation system 11 described later, a simulation experiment using an example of commercially available optical system design software (Zemax) was performed in order to examine the performance of this measurement method.

結果例(校正曲線としての出力特性)を図8に示す。これは測定面変位Δdに対する規格化された光出力Sの関係を示し、傾向は図5(a)の予想図と完全に一致している。   An example of results (output characteristics as a calibration curve) is shown in FIG. This shows the relationship of the standardized light output S with respect to the measurement surface displacement Δd, and the tendency is completely consistent with the expected diagram of FIG.

この出力特性は、以下の表1に示すような各種の光学素子寸法(ピンホール直径P、ピンホールと受光素子間距離a1、a2)やレンズ特性(対物レンズL0の焦点距離f0、接眼レンズL1の焦点距離f1)に影響される。   The output characteristics include various optical element dimensions (pinhole diameter P, distances between pinholes and light receiving elements a1, a2) and lens characteristics (focal length f0 of objective lens L0, eyepiece L1) as shown in Table 1 below. Of the focal length f1).

Figure 2005106797
Figure 2005106797

特に、感度に関しては、対物レンズの焦点距離f0の影響が大きく、表1のCase(a)の場合に、−0.25mm<Δd<0.25mmの範囲内で、最大感度K=2.46mm-1が得られる。 In particular, regarding the sensitivity, the influence of the focal length f0 of the objective lens is large, and in the case of Case (a) in Table 1, the maximum sensitivity K = 2.46 mm within the range of −0.25 mm <Δd <0.25 mm. -1 is obtained.

次に、このシミュレーション結果を検証するために、測定システム1によって行った測定結果例を図9に示す。この結果は図8のシミュレーション結果と完全に一致しており、これからシミュレーション実験の正当性が確認された。   Next, in order to verify this simulation result, an example of a measurement result performed by the measurement system 1 is shown in FIG. This result completely coincides with the simulation result of FIG. 8, and from this, the validity of the simulation experiment was confirmed.

この場合の光学素子寸法などは、以下の表2のように設定した。   The optical element dimensions in this case were set as shown in Table 2 below.

Figure 2005106797
Figure 2005106797

この場合、表2中のCase(a)において、−0.25mm<Δd<0.25mmの範囲内で、最大感度K=2.41mm-1が得られた。この値は、シミュレーション実験結果による感度値のK=2.46mm-1とほとんど同じであった。 In this case, in Case (a) in Table 2, the maximum sensitivity K = 2.41 mm −1 was obtained within the range of −0.25 mm <Δd <0.25 mm. This value was almost the same as the sensitivity value K = 2.46 mm −1 according to the simulation experiment result.

なお、表1、表2に記載していないパラメータとして、接眼レンズの焦点距離f2はf2=50mmとした。また、ハーフミラーBS1、BS2は、共に完全な半透鏡で、50%透過、50%反射である。   As a parameter not described in Tables 1 and 2, the focal length f2 of the eyepiece is set to f2 = 50 mm. The half mirrors BS1 and BS2 are both complete semi-transparent mirrors, which are 50% transmitting and 50% reflecting.

なお、測定システム1の解像度κは、図5(a)(b)における雑音成分がSN≒5.0×10-3であるので、−0.25mm<Δd<0.25mmで、約κ=2μmであった。測定システム1では、12ビットのA/D変換器7を用いているので、この量子化誤差は2.4×10-4程度で、上記の値より小さく、無視することができる。 The resolution κ of the measurement system 1 is about κ = −0.25 mm <Δd <0.25 mm because the noise component in FIGS. 5A and 5B is SN≈5.0 × 10 −3. It was 2 μm. Since the measurement system 1 uses the 12-bit A / D converter 7, the quantization error is about 2.4 × 10 −4, which is smaller than the above value and can be ignored.

〔実施例1〕
次に、上述の測定システム1と組み合わせて用いる、摩擦面の観察のための観察システム11について、図6に基づいて説明する。
[Example 1]
Next, an observation system 11 for observing a friction surface used in combination with the above-described measurement system 1 will be described with reference to FIG.

以下に説明する測定システム1・観察システム11は、回転摩耗中における摩耗面の観察と同時にその摩耗量を定量測定するシステムであり、いわゆるトライボビューアとも言うべきものである。これによって、これまで全く不可能であった摩耗量の定量測定と摩耗面の同時観察が可能となり、トライボロジー分野に新しい計測法を提供できる。また、本試験機は、試験機の停止や試験片の脱着誤差を排除した信頼性と定量性を保証できる標準摩耗試験機となり得る。このように、測定システム1は、表面の凹凸状態を、高感度で、かつリアルタイムに定量測定する目的に適しており、さらに、摩耗量測定と摩耗状態の同時観察に適用することもできる。   The measurement system 1 and the observation system 11 described below are systems that quantitatively measure the amount of wear simultaneously with the observation of the wear surface during rotational wear, and should also be called a so-called tribo viewer. This makes it possible to perform quantitative measurement of the amount of wear and simultaneous observation of the worn surface, which has never been possible before, and can provide a new measurement method in the field of tribology. In addition, this testing machine can be a standard wear testing machine that can guarantee reliability and quantitativeness by eliminating the stopping of the testing machine and the removal error of the test piece. As described above, the measurement system 1 is suitable for the purpose of quantitative measurement of the surface unevenness with high sensitivity and in real time, and can also be applied to the wear amount measurement and the simultaneous observation of the wear state.

観察システム11は、図6に示すように、渦電流式変位測定器12、トリガ用アンプ13、遅延回路14、トリガカウンタ15、ストロボスコープ16、ストロボ17、CCDカメラ18、ビデオデッキ19、TVモニタ20、およびマイクロホン21を備えている。   As shown in FIG. 6, the observation system 11 includes an eddy current displacement measuring instrument 12, a trigger amplifier 13, a delay circuit 14, a trigger counter 15, a stroboscope 16, a stroboscope 17, a CCD camera 18, a video deck 19, and a TV monitor. 20 and a microphone 21.

この観察システム11は、図7に示す回転台23上の測定面の表面凹凸を、CCDカメラ18によって撮影し、ビデオデッキ19によって録画するとともに、TVモニタ20によって表示して、ユーザによる表面凹凸のリアルタイムでの観察を可能とするものである。   In this observation system 11, the surface unevenness of the measurement surface on the turntable 23 shown in FIG. 7 is photographed by the CCD camera 18, recorded by the video deck 19, and displayed by the TV monitor 20. Real-time observation is possible.

渦電流式変位測定器12は、変位に応じた信号を出力する装置である。本実施形態においては、渦電流式変位測定器12は、回転台23の側面に配置された厚さ5mmのターゲット22を検出する。より詳細には、渦電流式変位測定器12は、センサヘッド部分にターゲット22が接近したときのみ、渦電流式変位測定器12の仕様に規定されている測定可能範囲内の距離となるように、センサヘッドの位置を設定している。渦電流式変位測定器12は、ターゲット22が接近していないときには測定範囲外となるので、単なる一定電圧を出力する。   The eddy current displacement measuring instrument 12 is a device that outputs a signal corresponding to the displacement. In the present embodiment, the eddy current displacement measuring instrument 12 detects the target 22 having a thickness of 5 mm arranged on the side surface of the turntable 23. More specifically, the eddy current displacement measuring instrument 12 is set to a distance within the measurable range defined in the specification of the eddy current displacement measuring instrument 12 only when the target 22 approaches the sensor head portion. The position of the sensor head is set. The eddy current displacement measuring instrument 12 outputs a mere constant voltage because it is outside the measurement range when the target 22 is not approaching.

渦電流式変位測定器12は、回転台23の回転移動に応じてターゲット22を検出すると、出力信号を変化させる。この出力信号の変化に応じて、トリガ用アンプ13がトリガ信号を発生させ、遅延回路14、トリガカウンタ15、ストロボスコープ16を介してストロボ17に入力する。ストロボ17がマイクロフラッシュを発光し、CCDカメラ18と連動することによって、摩擦面の静止画像を撮影できる。   When the eddy current displacement measuring instrument 12 detects the target 22 in accordance with the rotational movement of the turntable 23, it changes the output signal. In response to the change in the output signal, the trigger amplifier 13 generates a trigger signal and inputs the trigger signal to the strobe 17 via the delay circuit 14, the trigger counter 15, and the stroboscope 16. The strobe 17 emits a micro flash and works with the CCD camera 18 to capture a still image of the friction surface.

より詳細には、同一摩擦面をCCDカメラ18で撮影(撮映)するために、応答周波数15kHzの渦電流式変位測定器12で矩形シグナルを生じさせ、それを撮影用のトリガ信号とする。これにより、摩擦力の変動や軸受のわずかな不具合による回転むらが生じたとしても、毎回同一箇所の観察を行うことができる。   More specifically, in order to photograph (capture) the same friction surface with the CCD camera 18, a rectangular signal is generated by the eddy current displacement measuring instrument 12 having a response frequency of 15 kHz, and this is used as a trigger signal for photographing. Thereby, even if the rotation unevenness by the fluctuation | variation of a frictional force or the slight malfunction of a bearing arises, the same location can be observed every time.

なお、トリガ信号が入力されてからマイクロフラッシュが発光するまでの時間は約5μsであり、また発光時間は約4μsであり、摩擦面の移動速度に対して非常に短い。このため、静止画像の取得が可能となる。静止画像は次のトリガ信号が入力されるまで保持されるため、ビデオを用いて記録することにより、1回のすべりごとの同一点での摩擦面の変化を、アニメーションのようになめらかな動画像として観察することができる。   Note that the time from when the trigger signal is input to when the microflash emits light is about 5 μs, and the light emission time is about 4 μs, which is very short relative to the moving speed of the friction surface. For this reason, it is possible to acquire a still image. Since the still image is held until the next trigger signal is input, by recording it using video, the change of the friction surface at the same point for each slip can be changed smoothly as an animation. Can be observed.

また、渦電流式変位測定器12とストロボスコープ16との間に組み込んだ遅延回路14がトリガ信号を遅らせることによって、摩耗こん中の任意の場所を観察することができる。この場合、0からlsecまで1μsごとの遅延時間設定が可能であり、信号伝達遅延時間は0.5μsと十分に短い。   Further, the delay circuit 14 incorporated between the eddy current type displacement measuring instrument 12 and the stroboscope 16 delays the trigger signal, so that any place in the wear can be observed. In this case, a delay time can be set every 1 μs from 0 to 1 sec, and the signal transmission delay time is as short as 0.5 μs.

以上のようにして、表面のリアルタイム観察を行うことができる。本方法の最大の特長は高速測定、すなわちリアルタイム測定が可能である点にある。本方法は、上記のように、フォトダイオードPD1・PD2の光強度から測定面の変化量を測定するため、ある測定面上の位置において、測定に要する時間はこの強度変化を読み取る時間のみで決まる。通常のシリコンフォトダイオードの応答は極めて速く(μs以下)、したがって測定時間は増幅器6、A/D変換器7を含めた処理時間のみで決まる。これらの中間の処理に要する時間も数μs〜数10μs程度であるから、最終的に測定時間は数10μs程度と推定できる。これは、数10kHz程度の測定周波数に対応する。したがって、連続光、または光源としてこの程度の高周波発振パルスレーザーを用いれば、その周波数のリアルタイムの測定が可能となる。   As described above, real-time observation of the surface can be performed. The greatest feature of this method is that high-speed measurement, that is, real-time measurement is possible. Since this method measures the amount of change of the measurement surface from the light intensity of the photodiodes PD1 and PD2 as described above, the time required for measurement at a position on a certain measurement surface is determined only by the time for reading the intensity change. . The response of a normal silicon photodiode is extremely fast (less than μs). Therefore, the measurement time is determined only by the processing time including the amplifier 6 and the A / D converter 7. Since the time required for the intermediate processing is also about several μs to several tens of μs, it can be estimated that the measurement time is finally about several tens of μs. This corresponds to a measurement frequency of about several tens of kHz. Accordingly, if such a high-frequency oscillation pulse laser is used as continuous light or a light source, the frequency can be measured in real time.

一方、従来方式の、非特許文献1に記載された「焦点合わせ法による変位測定システム」は、測定点(したがって面)毎に焦点を合わせながらその量を測定するもので、解像度は高い(1μm)が、位置合わせのための時間が必要となり、全くリアルタイム性に欠けるものである。   On the other hand, the “displacement measurement system by focusing method” described in Non-Patent Document 1 of the conventional method measures the amount while focusing on each measurement point (and therefore the surface), and has a high resolution (1 μm). ), However, requires time for alignment and is completely lacking in real time.

以上のように、本発明は、摩耗量や切削量のリアルタイム測定方法、およびその装置、並びにそれらの状態観測装置(トライボビューア)に関するものである。上述の実施の形態において説明したように、本実施形態のシステム(本システム)は、摩耗量や切削量を、高解像度で、リアルタイムに測定する光学的なシステムである。本システムの心臓部とも言うべき光学系は、レーザ光源、半透鏡(ビームスプリッタ)2個、レンズ2個、シリコンフォトダイオード等の受光素子2個、ピンホール2個の比較的単純なシステムである。測定原理は、測定面からの反射光を2光束に分け、その両者の光強度を利用することによって、感度やS/N、究極的には解像度を従来法よりも向上させ得るものである。本システムの特長は、リアルタイム性(測定周波数:数10kHz)と高解像度性(測定解像度:2μm)にある。   As described above, the present invention relates to a method for measuring a wear amount and a cutting amount in real time, a device therefor, and a state observation device (tribo viewer) thereof. As described in the above-described embodiment, the system of the present embodiment (the present system) is an optical system that measures the wear amount and the cutting amount with high resolution in real time. The optical system to be called the heart of this system is a relatively simple system comprising a laser light source, two semi-transparent mirrors (beam splitters), two lenses, two light receiving elements such as silicon photodiodes, and two pinholes. . The measurement principle is that the reflected light from the measurement surface is divided into two light beams, and the light intensity of both is used to improve the sensitivity, S / N, and ultimately the resolution over the conventional method. The features of this system are real-time characteristics (measurement frequency: several tens of kHz) and high resolution (measurement resolution: 2 μm).

一方、従来、表面の摩耗量や切削量を高解像度で、かつリアルタイムに直接測定する方法は知られていなかった。このため、従来は、装置の運転を一時停止し、オフラインで表面についての測定をする方法が採られていた。これらに対して、本願発明者ら(本田等)は、回転中の摩耗現象を回転と同期したストロボ写真観察によってその摩耗面の摩耗状態をリアルタイムに観察する装置を試作した。しかし、これは摩耗面の状態観察であり、摩耗量の定量測定は不可能であった。   On the other hand, a method for directly measuring the amount of surface wear and the amount of cutting with high resolution and in real time has not been known. For this reason, conventionally, the method of temporarily stopping the operation of the apparatus and measuring the surface offline has been adopted. On the other hand, the inventors of the present application (Honda et al.) Prototyped an apparatus that observes the wear state of the wear surface in real time by stroboscopic observation of the wear phenomenon during rotation in synchronization with the rotation. However, this was an observation of the state of the worn surface, and it was impossible to quantitatively measure the amount of wear.

〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について、図10ないし図20に基づいて説明する。
[Embodiment 2]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態のトライボビューワは、測定システムと観察システムとからなる。本実施形態の測定システムは、摩擦下における粗面に対する測定精度を高めた構成である。また、上記測定システムは、摩擦力センサおよび加速度センサを含み、摩擦に関するさらなる情報をリアルタイムに測定することを可能とした構成である。なお、以下では、実施の形態1と同様の部材については、簡単のため同じ符号を付して、説明は省略する。   The triboviewer according to this embodiment includes a measurement system and an observation system. The measurement system of this embodiment has a configuration in which the measurement accuracy for a rough surface under friction is increased. The measurement system includes a friction force sensor and an acceleration sensor, and is configured to be able to measure further information related to friction in real time. In the following description, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals for the sake of simplicity, and description thereof is omitted.

本実施形態の測定システム1Aは、図10に示すように、実施の形態1の測定システム1の構成に加えて、測定部5Aにピンホール(アパーチャ、第3遮光部材、平均化手段)A3を備えた構成である。この構成によって、後述するように、測定面が摩擦状態における粗面であっても誤差を減少させて精度を高めた測定が可能となる。   As shown in FIG. 10, the measurement system 1A of the present embodiment includes a pinhole (aperture, third light shielding member, averaging means) A3 in the measurement unit 5A in addition to the configuration of the measurement system 1 of the first embodiment. This is a configuration provided. With this configuration, as will be described later, even if the measurement surface is a rough surface in a friction state, it is possible to perform measurement with increased accuracy by reducing errors.

また、測定システム11Aは、さらに摩擦力センサ30、加速度センサ31、動ひずみ計32、チャージアンプ33を備えている。これらのセンサなどによって、摩擦に関するより詳細な情報を、リアルタイムに測定する。   The measurement system 11A further includes a frictional force sensor 30, an acceleration sensor 31, a dynamic strain meter 32, and a charge amplifier 33. More detailed information on the friction is measured in real time by these sensors.

測定システム1Aは、図11に示すように、測定面(被照射面)Xからの反射光が、受光素子(検出器)へ分配される分配器までに至る光路の途中に、ピンホールA3を配置した構成である。反射光は、一つのピンホールA3を介した後に、各受光素子へと導かれる。このように配置することによって、磨耗面を測定する場合であっても、以下のように精度を高めることができる。   As shown in FIG. 11, the measurement system 1 </ b> A has a pinhole A <b> 3 in the middle of the optical path that reaches the distributor where the reflected light from the measurement surface (illuminated surface) X is distributed to the light receiving element (detector). It is the arranged configuration. The reflected light is guided to each light receiving element after passing through one pinhole A3. By arranging in this way, even when the wear surface is measured, the accuracy can be improved as follows.

ここで、まず、摩耗面の測定において誤差が生じうる理由について説明する。物体における被照射面が完全な粗面(光の波長に対して完全なざらざら状態の面)であるときには、この被照射面にて反射して対物レンズへと向かう反射光の強度は、断面において、またはある面に照射した場合に、その強度分布がほぼ一様(一定)となる。このため、上述の実施の形態1において説明したように、十分な精度を得ることができる。   Here, first, the reason why an error may occur in the measurement of the worn surface will be described. When the irradiated surface of the object is a completely rough surface (a surface that is completely rough with respect to the wavelength of light), the intensity of the reflected light that is reflected by this irradiated surface and travels toward the objective lens is Or when a certain surface is irradiated, its intensity distribution becomes substantially uniform (constant). For this reason, as described in the first embodiment, sufficient accuracy can be obtained.

一方、物体の被照射面が摩擦下の粗面である場合には、被照射面はより細かな、乱れた凹凸を有することになる。すなわち、物体表面は、例えば光軸に垂直、あるいは傾きを持った反射面の領域を部分的に含むことになる。このような被照射面から反射された光は、例えば図12に反射光強度分布として示すように、完全な粗面における等方的な強度分布からはずれたものとなる場合がある。ここで、図12には、反射光の進行方向に垂直なある断面における反射光の強度、または反射光をある面に照射した場合の強度の一例を示している。例えば、精密加工や摩耗の少ない硬い金属面摩耗等の場合には、このように等方的な強度分布からはずれた反射強度となることが多い。本実施形態のように摩耗を測定する対象となる材料については、むしろこの種の摩耗面を生ずる材料も多い。これは、ビーム断面全体にわたる強度分布のばらつきの原因となる。   On the other hand, when the irradiated surface of the object is a rough surface under friction, the irradiated surface has finer and irregular irregularities. That is, the object surface partially includes, for example, a reflective surface area that is perpendicular or inclined to the optical axis. The light reflected from such a surface to be irradiated may deviate from the isotropic intensity distribution on a complete rough surface, for example, as shown in FIG. 12 as a reflected light intensity distribution. Here, FIG. 12 shows an example of the intensity of the reflected light in a cross section perpendicular to the traveling direction of the reflected light, or the intensity when the reflected light is applied to a certain surface. For example, in the case of precision machining or hard metal surface wear with little wear, the reflection intensity deviates from such an isotropic intensity distribution in many cases. As for the material whose wear is to be measured as in the present embodiment, there are many materials that cause this kind of wear surface. This causes variations in intensity distribution across the beam cross section.

被照射面Xからの反射強度が等方的でなく、一様でない場合には、例えば図11に示す対物レンズL0の位置において、ビーム断面内の強度分布が一定でなくなる。この場合、光軸からの半径方向距離や光軸周りの角度に対して、局所的に不均一となった強度分布となる。例えば図12に示すように、光強度分布はビーム光軸からの半径Rの関数となる。このとき、以下に説明するように、受光素子にて検出する信号強度、すなわち規格化した信号強度Sにばらつきが生じることがある。この場合、高精度の測定が困難となり、解像度が悪くなってしまう。   When the reflection intensity from the irradiated surface X is not isotropic and not uniform, for example, the intensity distribution in the beam cross section is not constant at the position of the objective lens L0 shown in FIG. In this case, the intensity distribution is locally uneven with respect to the radial distance from the optical axis and the angle around the optical axis. For example, as shown in FIG. 12, the light intensity distribution is a function of the radius R from the beam optical axis. At this time, as described below, the signal intensity detected by the light receiving element, that is, the normalized signal intensity S may vary. In this case, it becomes difficult to measure with high accuracy, resulting in poor resolution.

また、レーザ光を利用して測定する場合には、上述のようなビーム断面全体にわたる強度分布のばらつきに加えて、レーザ光に特有なスペックルによる局所的な強度分布のばらつきが生ずる。このばらつきは極めて局所的に生ずる。このため、例えばレーザ光中のばらつきを含んでいる光束部分が、図11に示すハーフミラーBS2上の同一領域を介してピンホールA1・A2にそれぞれ向かう場合に、ばらつきがなければ本来ピンホールA1・A2を通過して信号強度として検出されるはずであっても、実際にピンホールA1・A2を共に通過させることは困難となる。このため、以下に述べる誤差が生ずる。   Further, when measurement is performed using laser light, in addition to the above-described variation in intensity distribution over the entire beam cross section, local intensity distribution variation due to speckles peculiar to the laser light occurs. This variation occurs very locally. For this reason, for example, when a portion of the light flux including variations in the laser beam is directed to the pinholes A1 and A2 via the same region on the half mirror BS2 shown in FIG. Even if it should be detected as the signal intensity through A2, it is difficult to actually pass both of the pinholes A1 and A2. For this reason, the error described below occurs.

まず、上述のような不均一性によって誤差を生ずる理由について説明する。例えば、ピンホールA3がないとしても、ピンホールA3の位置の面に入射する反射光の強度分布が一定であれば、誤差は生じない。この場合、ピンホールA3の位置を通過して両受光素子に至る光路に配置されたピンホールA1・A2は、例えば少々光軸からずれた位置に配置されていてもよい。より厳密にいえば、レーザ光がビームとなっている領域の断面内にピンホールA1・A2の穴が配置されればよい。   First, the reason why an error occurs due to the non-uniformity as described above will be described. For example, even if there is no pinhole A3, no error occurs if the intensity distribution of the reflected light incident on the surface of the pinhole A3 is constant. In this case, the pinholes A1 and A2 disposed in the optical path that passes through the position of the pinhole A3 and reaches both light receiving elements may be disposed at a position slightly deviated from the optical axis, for example. Strictly speaking, it is only necessary that the holes of the pinholes A1 and A2 are arranged in the cross section of the region where the laser beam is a beam.

しかし、上述のような不均一性のため、ビーム強度が一定(一様)とならないときには、両受光素子前面のピンホールA1・A2は、光軸上に正確に位置合わせして配置されなければならない。ここで、例えば強度分布が図12に示すような分布をしていても、同一分布光をハーフミラー(半透鏡)で分配しているため、本来、両受光素子には同一分布の光が入射するはずである。すなわち、実際には両ピンホールA1・A2が光軸上に正確に位置合わせされたときにのみ同一分布が実現され、上述の強度分布一定の場合と同じ結果を得ることができる。   However, due to the non-uniformity as described above, when the beam intensity is not constant (uniform), the pinholes A1 and A2 on the front surfaces of both light receiving elements must be accurately aligned on the optical axis. Don't be. Here, for example, even if the intensity distribution is as shown in FIG. 12, since the same distribution light is distributed by the half mirror (semi-transmission mirror), the light of the same distribution is originally incident on both light receiving elements. Should do. That is, in practice, the same distribution is realized only when both pinholes A1 and A2 are accurately aligned on the optical axis, and the same result as in the case where the intensity distribution is constant can be obtained.

すなわち、ピンホールA1・A2の半径をpとし、レーザビームの断面の半径をRBとした場合に、図12に示す半径が−pからpの範囲の光が受光素子へと入射する。このとき、両ピンホールA1・A2が光軸上に正確に位置合わせされていなければ、各受光素子へと入射し、受光素子にて検出される光量が受光素子ごとに異なってしまう。すなわち、ピンホールA1またはA2の位置が光軸から例えばxだけずれると、図12においてR=0の原点に対応する光軸からピンホールがxだけずれることになるため、−p+xからp+xの範囲の光がピンホールを介して受光素子にて検出される。このようなずれの大きさや方向はピンホールごとに異なるものとなるので、例えばピンホールA1またはA2の一方を介した受光素子では強い(弱い)光強度が検出され、他方では弱い(強い)光強度が検出されることがある。   That is, when the radius of the pinholes A1 and A2 is p and the radius of the cross section of the laser beam is RB, light having a radius in the range of −p to p shown in FIG. 12 enters the light receiving element. At this time, if both the pinholes A1 and A2 are not accurately aligned on the optical axis, the light incident on each light receiving element is different for each light receiving element. That is, when the position of the pinhole A1 or A2 is deviated from the optical axis by, for example, x, the pinhole is deviated by x from the optical axis corresponding to the origin of R = 0 in FIG. Is detected by the light receiving element through the pinhole. Since the magnitude and direction of such deviation differs for each pinhole, for example, a strong (weak) light intensity is detected in the light receiving element via one of the pinholes A1 and A2, and a weak (strong) light is detected in the other. Intensity may be detected.

以上のように、ビーム強度が一様でない場合には、例えばピンホールA1またはA2の位置ずれが信号強度の誤差を生ずるため、受光素子の信号強度にばらつきを生ずる原因となる。   As described above, when the beam intensity is not uniform, for example, the positional deviation of the pinhole A1 or A2 causes an error in the signal intensity, which causes a variation in the signal intensity of the light receiving element.

そこで、本実施形態の測定装置1Aにおいては、図11に示すように、測定部5AにピンホールA3をさらに含めた構成とした。このピンホールA3は、接眼レンズL1の物体側に、すなわち被照射面から光分配器としてのハーフミラーBS2の手前に配置された接眼レンズL1までの光路に配置されている。   Therefore, in the measurement apparatus 1A of the present embodiment, as shown in FIG. 11, the measurement unit 5A further includes a pinhole A3. The pinhole A3 is disposed on the object side of the eyepiece lens L1, that is, on the optical path from the irradiated surface to the eyepiece lens L1 disposed in front of the half mirror BS2 as a light distributor.

このピンホールA3の半径はRAである。このピンホールA3は、例えば図12に示す−RBからRBまでの範囲のような反射光のレーザビーム半径を、−RAからRAまでの範囲に制限する遮光部材として機能する。ここで、0<RA<RBである。このように改良した光学系(測定部5A)によれば、ピンホールA3が無いときの半径RBに対して、半径RA部の強度分布光のみを利用できる。   The radius of this pinhole A3 is RA. This pinhole A3 functions as a light shielding member that limits the laser beam radius of the reflected light, for example, in the range from −RB to RB shown in FIG. 12 to the range from −RA to RA. Here, 0 <RA <RB. According to the thus improved optical system (measurement unit 5A), only the intensity distribution light of the radius RA portion can be used with respect to the radius RB when there is no pinhole A3.

このように、ピンホールA3を用いて、強度が一様でないビームのうちの一部のみを抽出して、受光素子手前に配置されたピンホールA1・A2へと導く。これによって、ピンホールA1・A2の位置においては、ピンホールA1・A2の面に照射される光の強度のばらつきを少なくできる。例えば、図12に示すように半径増加に従って強度が減少する光ビームであれば、ピンホールA3の半径RBを適切に選択することによって、強度分布のばらつきを所定の範囲内に制限できる。すなわち、ピンホールA3は、反射光を照射した場合の照射面における非一様性を低減させる、平均化手段として機能する。なお、例えばピンホールA3の大きさは、受光素子が感度を持つ程度に小さくする方が良い。   Thus, using the pinhole A3, only a part of the beam with non-uniform intensity is extracted and led to the pinholes A1 and A2 arranged in front of the light receiving element. As a result, at the positions of the pinholes A1 and A2, variations in the intensity of light applied to the surfaces of the pinholes A1 and A2 can be reduced. For example, as shown in FIG. 12, in the case of a light beam whose intensity decreases as the radius increases, variation in intensity distribution can be limited within a predetermined range by appropriately selecting the radius RB of the pinhole A3. That is, the pinhole A3 functions as an averaging unit that reduces non-uniformity on the irradiated surface when irradiated with reflected light. For example, the size of the pinhole A3 should be reduced to such an extent that the light receiving element has sensitivity.

以上のように、ピンホール(アパーチャ)A3を挿入することによって、測定誤差を減少させ、測定精度を向上させ、解像度を上げることができる。   As described above, by inserting the pinhole (aperture) A3, it is possible to reduce the measurement error, improve the measurement accuracy, and increase the resolution.

次に、上述の測定システム1Aにおける誤差を見積もり、上述の構成によって実際に誤差が小さくなっていることを確認する。   Next, the error in the measurement system 1A described above is estimated, and it is confirmed that the error is actually reduced by the above-described configuration.

まず、測定システム1Aの光学系の解像度κを上げるため(解像度κを小さくする。)には、上述の(5)式から分かるように、測定感度Kを大きくし、または雑音成分SNを小さくしなければならない。雑音成分は、測定システムの光学系やデータ処理系によって決まるもので,本来感度とは別問題である。ここでは本光学系の感度について検討する。   First, in order to increase the resolution κ of the optical system of the measurement system 1A (decrease the resolution κ), as can be seen from the above equation (5), the measurement sensitivity K is increased or the noise component SN is decreased. There must be. The noise component is determined by the optical system and data processing system of the measurement system, and is inherently a problem different from sensitivity. Here, the sensitivity of this optical system is examined.

測定感度Kは、上述の(3)式のように、Δdに対するΔSの比ΔS/Δdとして定義される。このため、測定感度Kを大きくするには、微小なdの変化に対して出来るだけ大きな信号強度の変化ΔSを生み出すように考えればよい。   The measurement sensitivity K is defined as a ratio ΔS / Δd of ΔS with respect to Δd, as in the above-described equation (3). For this reason, in order to increase the measurement sensitivity K, it may be considered to produce a signal intensity change ΔS as large as possible with respect to a minute change in d.

ここで、簡単のためにピンホールA3を省略した構成の、図2に示す測定部5の光学系の一部を、等価光学系として図13に示す。図13に示すように、測定点F0を、焦点距離f0の対物レンズL0で結像する。また、その像点を新たに接眼レンズL1の物点と考え、レンズL1の焦点F1に再度結像する。この場合、レンズL1の物体距離は−b0となる。   Here, for the sake of simplicity, a part of the optical system of the measurement unit 5 shown in FIG. 2 in which the pinhole A3 is omitted is shown as an equivalent optical system in FIG. As shown in FIG. 13, the measurement point F0 is imaged by an objective lens L0 having a focal length f0. Further, the image point is newly considered as an object point of the eyepiece lens L1, and an image is formed again at the focal point F1 of the lens L1. In this case, the object distance of the lens L1 is −b0.

この構成において、物点F0のf0からf0+△f0への微小移動△f0(図示の場合は△f0<0)に対する、結像点F1のf1からf1+△f1への微小移動は、幾何光学による近似から、以下のように求められる。なお、この微小移動△f0は、図3(a)〜(c)では△dとしている。   In this configuration, the minute movement of the imaging point F1 from f1 to f1 + Δf1 with respect to the minute movement Δf0 of the object point F0 from f0 to f0 + Δf0 (Δf0 <0 in the illustrated case) is due to geometric optics. From the approximation, it is obtained as follows. The minute movement Δf0 is set to Δd in FIGS. 3 (a) to 3 (c).

まず、レンズL0による結像公式から、このレンズによる結像距離b0は、
1/(f0+△f0)+1/b0=1/f0 (6)
に対して△f0/f0≪1を用いて、
b0≒(f0)2/Δf0 (7)
と近似できる。
First, from the imaging formula by the lens L0, the imaging distance b0 by this lens is
1 / (f0 + Δf0) + 1 / b0 = 1 / f0 (6)
Using Δf0 / f0 << 1 for
b0≈ (f0) 2 / Δf0 (7)
Can be approximated.

この像点が、再度レンズL1で焦点F1近傍(f1+△f1)に結像されるから、レンズL1による結像公式により(この場合レンズL1の物体距離は−b0となる)、
1/(−b0)+1/(f1+△f1)=1/f1 (8)
であり、△f1/f1≪1を用いて、
b0=−(f1)2/△f1、
または、
△f1=−(f1)2/b0 (9)
を得る。
Since this image point is formed again in the vicinity of the focal point F1 (f1 + Δf1) by the lens L1, the image formula by the lens L1 (in this case, the object distance of the lens L1 is −b0)
1 / (− b0) + 1 / (f1 + Δf1) = 1 / f1 (8)
And using Δf1 / f1 << 1,
b0 = − (f1) 2 / Δf1,
Or
Δf1 = − (f1) 2 / b0 (9)
Get.

また、さらに(7)式を代入して、
△f1=−(f1/f0)2△f0 (10)
を得る。なお、この式での負符号は、△f1と△f0の増減関係が、光軸方向(Z軸方向)に対して逆方向であることを示している。
Furthermore, substituting equation (7),
Δf1 = − (f1 / f0) 2 Δf0 (10)
Get. The negative sign in this equation indicates that the increase / decrease relationship between Δf1 and Δf0 is opposite to the optical axis direction (Z-axis direction).

次に、例えば表面凹凸によって生ずる△f0に応じた、微小角度変化△θ0(図示の場合は△θ0>0)を考える。簡単な幾何学から、
△f0 sinθ0≒((f0)2+(h0)21/2(−△θ0) (11)
を得る。ここで、sinθ0=h0/((f0)2+(h0)21/2の関係を用いれば、
△θ0=−{h0/((f0)2+(h0)2)}△f0 (12)
の関係を得る。ここで、h0はレンズL0の開口半径である。この式での負符号は、△f0と△θ0の増減が逆方向であることを示す。
Next, consider a minute angle change Δθ0 (Δθ0> 0 in the case of illustration) corresponding to Δf0 caused by surface irregularities, for example. From simple geometry,
△ f0 sinθ0 ≒ ((f0) 2 + (h0) 2 ) 1/2 (-△ θ0) (11)
Get. Here, if the relationship of sinθ0 = h0 / ((f0) 2 + (h0) 2 ) 1/2 is used,
Δθ0 = − {h0 / ((f0) 2 + (h0) 2 )} Δf0 (12)
Get a relationship. Here, h0 is the aperture radius of the lens L0. The minus sign in this equation indicates that Δf0 and Δθ0 increase or decrease in the opposite direction.

また、同様にして、接眼レンズL1側では、
−△θ1={h1/((f1)2+(h1)2)}△f1 (13)
となる。この式での負符号は、△f1と△θ1の増減関係が逆方向になることを示している。また、h1はレンズL1の開口半径である。
Similarly, on the eyepiece L1 side,
−Δθ1 = {h1 / ((f1) 2 + (h1) 2 )} Δf1 (13)
It becomes. The negative sign in this equation indicates that the increase / decrease relationship between Δf1 and Δθ1 is in the opposite direction. H1 is the aperture radius of the lens L1.

ここで、(13)式に(10)式の関係を用いると、次式の関係を得る。
△θ1=h1 Δf0/[(f0)2{1+(h1/f1)2}] (14)
ここで、通常は(h1/f1)2≪1であるから、
△θ1=(h1/(f0)2)△f0 (15)
となる。
Here, when the relationship of the equation (10) is used for the equation (13), the relationship of the following equation is obtained.
Δθ1 = h1 Δf0 / [(f0) 2 {1+ (h1 / f1) 2 }] (14)
Here, since normally (h1 / f1) 2 << 1,
Δθ1 = (h1 / (f0) 2 ) Δf0 (15)
It becomes.

次に、反射光が図11に示す構成を介した後に上述のピンホールA1またはA2に照射される場合について、等価光学系としての図14に基づいて説明する。この図14に示すピンホールA4は、ピンホールA1またはA2に相当する。ピンホールA4を焦点の前面に置いた場合の、ピンホール面におけるレーザ光断面の断面変化に応じた、ピンホールA4を透過する光束量の変化について説明する。なお、レーザ光の変化は、△f0による△θ1の変化に応じたものとする。また、ここでは簡単のために、ピンホールA4面における単位断面積当たりの光強度を一定として議論する。   Next, the case where the reflected light is applied to the pinhole A1 or A2 after passing through the configuration shown in FIG. 11 will be described with reference to FIG. 14 as an equivalent optical system. The pinhole A4 shown in FIG. 14 corresponds to the pinhole A1 or A2. A description will be given of a change in the amount of light beam transmitted through the pinhole A4 in accordance with the change in the cross section of the laser beam cross section on the pinhole surface when the pinhole A4 is placed in front of the focal point. Note that the change in the laser beam is in accordance with the change in Δθ1 due to Δf0. In addition, here, for the sake of simplicity, the light intensity per unit cross-sectional area on the pinhole A4 surface is assumed to be constant.

まず、ピンホールA4の半径をpとし、直径をPとする。また、焦点に結像するレーザ光のピンホール面におけるビーム半径をr1とする。また、接眼レンズL1を透過する全光量をITとし、ピンホールを透過する光量をIPとすれば、
IP=(p/r1)2IT (16)
を得る。
First, let the radius of the pinhole A4 be p and the diameter be P. In addition, the beam radius on the pinhole surface of the laser beam focused on the focal point is r1. If the total amount of light transmitted through the eyepiece L1 is IT and the amount of light transmitted through the pinhole is IP,
IP = (p / r1) 2 IT (16)
Get.

ここで、ピンホールA4の位置を、焦点F1からz軸方向にqだけ移動して配置しているとする。ここで、△f1によってr1が△r1だけ変化したとすれば、図14についての簡単な幾何学から、r1や△r1は以下のように求められる。   Here, it is assumed that the position of the pinhole A4 is moved by q in the z-axis direction from the focal point F1. Here, if r1 is changed by Δr1 due to Δf1, r1 and Δr1 are obtained as follows from simple geometry with respect to FIG.

まず、r1=(q/f1)h1であるので、
r1十△r1=(q十△f1)h1/(f1十△f1)
=r1(1十△f1/q)/(1+△f1/f1)
≒r1(1+△f1/q)
∴△r1=h1 △f1/f1 (17)
となる。なお、ここでの近似は、本光学系での通常条件である、q≪f1を用いている。したがって、Δr1は、(10)式から次式で与えられる。
△r1=−(hl f1/(f0)2)△f0 (18)
また、ピンホールを焦点の前、後に置いたときの、Δr1によるIPからの光量変化分をΔIP2、△IP1とする。このとき、まずIP2について、
IP2=IP+△IP2
={p/(r1+△r1)}2IT
=(p/r1)2IT(1+△r1/r1)-2
≒IP(1−2△r1/r1)
が得られる。したがって、
△IP2=−2(△r1/r1)IP (19)
となる。この(19)式に(18)式を用いれば、次式を得る。
△IP2=2(f1/f0)2△f0 IP/q (20)
同様に、ピンホールを同じ量qだけ焦点面の後(+z軸方向)に置いた場合のΔIP1は、IP1=IP+△IP1と置いて、
ΔIP1=−2(f1/f0)2△f0 IP/q (21)
となる。したがって、上述の(1)式による規格化信号Sは、(20)式・(21)式を用いて次式のように求められる。すなわち、
S=(S1−S2)/(S1+S2)
={−(IP+△IP1)+(IP+△IP2)}/{(IP+△IP1)+(IP+△IP2)}
=(−△IP1+△IP2)/2IP
=−2(f1/f0)2(1/q)△f0 (22)
このように、規格化された出力Sは△f0に正比例し、そのときの傾き(すなわち感度K)は、
K=−2(f1/f0)2(1/q) (23)
となる。感度Kはqに反比例し、(f1/f0)2に比例する。このように、感度は、光学系が決まれば改良の余地が無くなる。
First, since r1 = (q / f1) h1,
r1 ten Δr1 = (q ten Δf1) h1 / (f1 ten Δf1)
= R1 (10 Δf1 / q) / (1 + Δf1 / f1)
≒ r1 (1 + △ f1 / q)
ΔΔr1 = h1 Δf1 / f1 (17)
It becomes. Note that the approximation here uses q << f1, which is a normal condition in the present optical system. Therefore, Δr1 is given by the following equation from equation (10).
Δr1 = − (hl f1 / (f0) 2 ) Δf0 (18)
Further, when the pinhole is placed before and after the focal point, the amount of change in the amount of light from the IP due to Δr1 is assumed to be ΔIP2 and ΔIP1. At this time, first about IP2,
IP2 = IP + ΔIP2
= {P / (r1 + Δr1)} 2 IT
= (P / r1) 2 IT (1 + Δr1 / r1) -2
≈ IP (1-2Δr1 / r1)
Is obtained. Therefore,
ΔIP2 = −2 (Δr1 / r1) IP (19)
It becomes. If the equation (18) is used for the equation (19), the following equation is obtained.
ΔIP2 = 2 (f1 / f0) 2 Δf0 IP / q (20)
Similarly, ΔIP1 when the pinhole is placed behind the focal plane by the same amount q (+ z-axis direction) is set as IP1 = IP + ΔIP1,
ΔIP1 = −2 (f1 / f0) 2 Δf0 IP / q (21)
It becomes. Therefore, the standardized signal S according to the above equation (1) is obtained by the following equation using the equations (20) and (21). That is,
S = (S1-S2) / (S1 + S2)
= {-(IP + ΔIP1) + (IP + ΔIP2)} / {(IP + ΔIP1) + (IP + ΔIP2)}
= (-ΔIP1 + ΔIP2) / 2IP
= -2 (f1 / f0) 2 (1 / q) Δf0 (22)
Thus, the normalized output S is directly proportional to Δf0, and the slope at that time (ie, sensitivity K) is
K = -2 (f1 / f0) 2 (1 / q) (23)
It becomes. Sensitivity K is inversely proportional to q and proportional to (f1 / f0) 2 . As described above, there is no room for improvement in the sensitivity once the optical system is determined.

次に、以下に示すように、(23)式について各種の検証実験などを行って、その傾向を検討した。   Next, as shown below, various verification experiments etc. were performed about (23), and the tendency was examined.

以上の理論的な検討を予備実験によって検証した結果の例を、図17ないし図20に示す。図17はf1=70mmかつq=3mmの場合、図18はf1=70mmかつq=6mmの場合、図19はf1=50mmかつq=3mmの場合、図20はf1=50mmかつq=6mmの場合をそれぞれ示している。なお、図中の点は、実験においてΔf0を±方向に変位したその方向を示すものである。   Examples of the results of verifying the above theoretical examination by preliminary experiments are shown in FIGS. 17 is f1 = 70 mm and q = 3 mm, FIG. 18 is f1 = 70 mm and q = 6 mm, FIG. 19 is f1 = 50 mm and q = 3 mm, and FIG. 20 is f1 = 50 mm and q = 6 mm. Each case is shown. The points in the figure indicate the direction in which Δf0 is displaced in the ± direction in the experiment.

f0=15mmを固定した、f1=50mmまたは70mm、q=3mmまたは6mmの種々の値に対する、理論的な(23)式による感度は、それぞれ、K(f1=70,q=3)=−14.5、K(f1=70,q=6)=−7.3、K(f1=50,q=3)=−7.4、K(f1=50,q=6)=−3.7であり、それに対する実験的な感度は、それぞれ−2.05、−1.46、−1.33、−0.988とかなり小さい値であるが、f1やqに対する傾向は完全に一致している。実験感度がかなり小さくなっているのは、(23)式の誘導で、「ピンホール面での光強度が一定である」という仮定を用いているが、実験ではこれが成立しないことによると思われる。この理由は、照射面が光軸に垂直にならず、反射光に方向性が存在することと、レーザ光に特有のスペックルのためと考えられる。   The sensitivity according to the theoretical equation (23) for various values of f1 = 50 mm or 70 mm, q = 3 mm or 6 mm with f0 = 15 mm fixed is K (f1 = 70, q = 3) = − 14, respectively. .5, K (f1 = 70, q = 6) = − 7.3, K (f1 = 50, q = 3) = − 7.4, K (f1 = 50, q = 6) = − 3.7 The experimental sensitivities are -2.05, -1.46, -1.33, and -0.988, respectively, but the trends for f1 and q are completely consistent. Yes. The experimental sensitivity is considerably small because the assumption that “the light intensity at the pinhole surface is constant” is used in the derivation of equation (23), but this seems not to be true in the experiment. . The reason for this is thought to be that the irradiated surface is not perpendicular to the optical axis, the reflected light has directionality, and speckles peculiar to laser light.

なお、誤差の評価について、ピンホールごとにずれを生じた場合の解像度について補足的に説明する。反射光の強度分布が不均一であり、ピンホールA1またはA2が光軸からずれたために生じる両受光素子の信号強度IP1、IP2の誤差をεp1、εp2とし、これによる規格化信号Sの誤差(最大誤差)をεsとする。   In addition, about the evaluation of an error, it demonstrates supplementarily about the resolution when a shift | offset | difference arises for every pinhole. The errors of the signal intensity IP1 and IP2 of both light receiving elements caused by the non-uniform distribution of the intensity of the reflected light and the pinhole A1 or A2 deviating from the optical axis are assumed to be εp1 and εp2, and the resulting error of the normalized signal S ( (Maximum error) is εs.

このとき、
S+εs
={(IP1−IP2)+(|εp1|+|εp2|)}/
{(IP1+IP2)+(|εp1|+|εp2|)}
≒S{1+(|εp1|+|εp2|)/(IP1−IP2)}×
{1−(|εp1|+|εp2|)/(IP1+IP2)}
≒S{1−(|εp1|+|εp2|)/(IP1+IP2)+
(|εp1|+|εp2|)/(IP1−IP2)} (24)
である。
At this time,
S + εs
= {(IP1-IP2) + (| εp1 | + | εp2 |)} /
{(IP1 + IP2) + (| εp1 | + | εp2 |)}
≒ S {1+ (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1-IP2)} ×
{1- (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1 + IP2)}
≒ S {1- (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1 + IP2) +
(| Εp1 | + | εp2 |) / (IP1-IP2)} (24)
It is.

ここで、(19)式および(21)式から、(|εp1|+|εp2|)/(IP1+IP2)≪(|εp1|+|εp2|)/(IP1−IP2)が成立するので、
S+εs≒S{1+(|εp1|+|εp2|)/(IP1−IP2)}
=S{1+(|εp1|+|εp2|)/(ΔIP1−ΔIP2)}
(25)
となる。これに、(20)式・(21)式を代入して、次の関係を得る。
εs/S
=−(|εp1|+|εp2|)/{4(f1/f0)2IP△f0/q}
=−(1/4){(|εp1|+|εp2|)/IP}(f0/f1)2(q/△f0)
(26)
このように、誤差率(|εp1|+|εp2|)/Sが小さくても、両信号の純信号成分(△IP1−△IP2)=−{4(f1/f0)2IPΔf0/q}は、とくに△f0が0近傍のときには小さくなる。このため、誤差率εs/Sは大きくなり、解像度が悪くなる。
Here, from (19) and (21), (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1 + IP2) << (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1-IP2) holds.
S + εs≈S {1+ (| εp1 | + | εp2 |) / (IP1-IP2)}
= S {1+ (| εp1 | + | εp2 |) / (ΔIP1-ΔIP2)}
(25)
It becomes. By substituting equations (20) and (21), the following relationship is obtained.
εs / S
= − (| Εp1 | + | εp2 |) / {4 (f1 / f0) 2 IPΔf0 / q}
=-(1/4) {(| εp1 | + | εp2 |) / IP} (f0 / f1) 2 (q / Δf0)
(26)
Thus, even if the error rate (| εp1 | + | εp2 |) / S is small, the pure signal component (ΔIP1-ΔIP2) = − {4 (f1 / f0) 2 IPΔf0 / q} of both signals is In particular, it becomes smaller when Δf0 is near zero. For this reason, the error rate εs / S increases and the resolution deteriorates.

なお、解像度κは、上述の(5)式で与えられる。そこで、(5)式中にSN=εp1+εp2を代入すれば、
κ=(εp1+εp2)/K (27)
となって、誤差に正比例する。また、各ピンホールによる誤差は、システム全体としての解像度κに対して和で寄与する。このように、κを小さくするためには誤差を小さくしなければならない。ここで、上述したように、本実施形態の測定システム1Aは、ピンホールA3を追加することによって、この誤差を小さくできる。
The resolution κ is given by the above equation (5). Therefore, if SN = εp1 + εp2 is substituted into equation (5),
κ = (εp1 + εp2) / K (27)
And is directly proportional to the error. Further, the error due to each pinhole contributes as a sum to the resolution κ of the entire system. Thus, in order to reduce κ, the error must be reduced. Here, as described above, the measurement system 1A of the present embodiment can reduce this error by adding the pinhole A3.

次に、測定システム1Aのさらなる特徴点について説明する。測定システム1Aは、図10に示すように、摩擦力センサ30、加速度センサ31、動ひずみ計32およびチャージアンプ33を含んでいる。この測定システム1Aを実施の形態1にて説明した観察システムと組み合わせた場合の構成を図15に示す。   Next, further characteristic points of the measurement system 1A will be described. As shown in FIG. 10, the measurement system 1 </ b> A includes a friction force sensor 30, an acceleration sensor 31, a dynamic strain meter 32, and a charge amplifier 33. FIG. 15 shows a configuration when this measurement system 1A is combined with the observation system described in the first embodiment.

摩擦力センサ30、加速度センサ31からのデータは、それぞれ動ひずみ計32、チャージアンプ33を介して、外部のパソコン3へと出力される。パソコン3においては、これらのデータを、図示しない制御部が回転台23の1回転毎に分けて、図示しない記憶部に保存する。パソコン3の制御部は、記憶部のデータを用いて、例えば回転台23による摩擦の繰返しに伴う、同一箇所の時間変化を抽出する。パソコン3の制御部は、記憶部などの記録媒体に記録されたプログラムを読み込んで実行することによって、上述のような機能を発揮する。   Data from the frictional force sensor 30 and the acceleration sensor 31 are output to the external personal computer 3 via the dynamic strain gauge 32 and the charge amplifier 33, respectively. In the personal computer 3, these data are stored in a storage unit (not shown) by a control unit (not shown) for each rotation of the turntable 23. The control unit of the personal computer 3 uses the data in the storage unit to extract the time change at the same location, for example, due to repeated friction by the turntable 23. The control unit of the personal computer 3 exhibits the above-described functions by reading and executing a program recorded in a recording medium such as a storage unit.

摩擦力センサ30は、摩耗挙動と密接に関係する摩擦力を測定するためのものである。摩擦力は、トライボロジー特性の評価において必要不可欠な情報である。本実施形態の摩擦力センサ30は、ひずみゲージ式摩擦力センサである。   The friction force sensor 30 is for measuring a friction force closely related to the wear behavior. The frictional force is indispensable information in the evaluation of tribological characteristics. The friction force sensor 30 of this embodiment is a strain gauge type friction force sensor.

より詳細には、摩擦力センサ30としてのひずみゲージ式摩擦力センサは、4枚のひずみゲージを貼り付けた板ばねよりなる。摩擦力により板ばねにひずみが発生すると、ひずみゲージのベースを経由して抵抗体(線・箔)にひずみが伝わり、発生したひずみに対応した抵抗変化を生ずる。ひずみゲージの抵抗変化は微少な値であるため、図16に示すようなホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換する。ひずみゲージを動ひずみ測定器に接続するとホイートストンブリッジ回路が構成され、ブリッジ回路の入力電圧が動ひずみ測定器から供給されるため、ひずみ量を出力電圧として測定することが可能となる。実験の前に、予めひずみと力の関係を較正曲線として求めておくことにより、測定されたひずみから摩擦力を知ることができる。なお、ホイートストンブリッジ回路の出力電圧eは、例えば図16に示す構成において、ひずみゲージの抵抗値をR1とし、ホイートストンブリッジ回路の他の固定抵抗の値をR2〜R4とし、入力電圧をEとすると、
e=(R1 R3−R2 R4)E/{(R1+R2)(R3+R4)}
で与えられる。
More specifically, the strain gauge type friction force sensor as the friction force sensor 30 includes a leaf spring having four strain gauges attached thereto. When the strain is generated in the leaf spring by the frictional force, the strain is transmitted to the resistor (wire / foil) through the base of the strain gauge, and a resistance change corresponding to the generated strain is generated. Since the resistance change of the strain gauge is very small, it is converted into voltage using a Wheatstone bridge circuit as shown in FIG. When the strain gauge is connected to the dynamic strain measuring device, a Wheatstone bridge circuit is configured, and the input voltage of the bridge circuit is supplied from the dynamic strain measuring device, so that the strain amount can be measured as the output voltage. Before the experiment, the friction force can be known from the measured strain by obtaining the relationship between the strain and the force as a calibration curve in advance. The output voltage e of the Wheatstone bridge circuit is, for example, in the configuration shown in FIG. 16, where the resistance value of the strain gauge is R1, the values of other fixed resistors of the Wheatstone bridge circuit are R2 to R4, and the input voltage is E. ,
e = (R1 R3-R2 R4) E / {(R1 + R2) (R3 + R4)}
Given in.

ここで、例えば摩耗挙動と密接に関係する摩擦力について、従来は、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力が測定されていた。この場合は、この情報を、摩擦面の詳細な解析に使うことは困難であった。   Here, for example, with respect to the frictional force closely related to the wear behavior, conventionally, an average frictional force per certain number of frictional repetitions has been measured. In this case, it was difficult to use this information for detailed analysis of the friction surface.

これに対して、上記構成の測定システム1Aによれば、ディスク試験片1回転中の摩擦力の変化であっても、例えば応答周波数2.5kHzで捉えることができる。また、これらのデータを所定の開始点から1回転毎に分けて保存することもできる。これによって、摩擦の繰返しに伴う同一箇所の時間変化を捉えることができる。   On the other hand, according to the measurement system 1A configured as described above, even a change in friction force during one rotation of the disk test piece can be captured at a response frequency of 2.5 kHz, for example. Also, these data can be stored separately for each rotation from a predetermined starting point. As a result, it is possible to capture the time change of the same location with repeated friction.

パソコン3には、図6に示す観察システム(観測システム)11のトリガ用アンプ13から、ストロボ発光用のトリガ信号が入力される。このトリガ信号によりパソコン3に入力された摩擦力と加速度の各データを、所定の開始点からディスク試験片1回転毎に分けて保存することができる。摩擦力センサは動ひずみ計32にデータを出力し、動ひずみ計32はそのデータを増幅してパソコン3へと出力する。   A trigger signal for strobe emission is input to the personal computer 3 from the trigger amplifier 13 of the observation system (observation system) 11 shown in FIG. The friction force and acceleration data input to the personal computer 3 by this trigger signal can be stored separately for each rotation of the disk specimen from a predetermined start point. The frictional force sensor outputs data to the dynamic strain meter 32, and the dynamic strain meter 32 amplifies the data and outputs it to the personal computer 3.

加速度センサ31は、摩擦力の構成成分を調べるためのものである。本実施形態の加速度センサ31は、電荷を自己発生するタイプの加速度トランスデューサであり、印加された加速度に比例した電荷を発生するので、その電荷量から加速度値を測定することができる。チャージアンプ33は、加速度センサ31から出力された電荷を処理し易い電圧信号に変換し、増幅するために用いる。   The acceleration sensor 31 is for examining the constituent component of the frictional force. The acceleration sensor 31 of the present embodiment is a type of acceleration transducer that self-generates electric charges, and generates electric charges proportional to the applied acceleration, so that the acceleration value can be measured from the amount of electric charges. The charge amplifier 33 is used to convert and amplify the electric charge output from the acceleration sensor 31 into a voltage signal that can be easily processed.

ここで、上述の摩擦力センサ30で測定される摩擦力の変化は、二物体をそれぞれ反対方向に滑らせるために必要な力であり、その中には接触面の大きな凹凸を超えたり材料を破壊したりするために必要な力も含まれている。前述の通り、従来の測定方法では、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力しか知ることができなかった。また、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのか調べることができなかった。   Here, the change in the frictional force measured by the above-described frictional force sensor 30 is a force necessary for sliding the two objects in the opposite directions. It also includes the power necessary to destroy. As described above, with the conventional measuring method, only an average frictional force per certain number of friction repetitions can be known. Moreover, it was not possible to investigate the constituent components of the frictional force and how it is related to the friction surface.

そこで、加速度センサ31も用いるようにする。この加速度センサ31は、応答周波数が1kHzである。また、加速度センサ31は、垂直方向・水平方向についての2軸加速度センサである。この加速度センサ31を用いることによって、各方向成分出力を得て、摩擦力の支配的要因が接触面の大きな凹凸なのか、または接触点での材料のせん断破壊なのかについて、より詳細に知ることができる。   Therefore, the acceleration sensor 31 is also used. The acceleration sensor 31 has a response frequency of 1 kHz. The acceleration sensor 31 is a biaxial acceleration sensor in the vertical direction and the horizontal direction. By using this acceleration sensor 31, each direction component output is obtained, and it is known in more detail whether the dominant factor of the frictional force is a large unevenness of the contact surface or a shear fracture of the material at the contact point. Can do.

また、測定装置1Aによって測定面の変化を得ることができるので、摩擦力と摩擦面とがどのように関係しているのか調べることができる。   Moreover, since the change of the measurement surface can be obtained by the measuring apparatus 1A, it is possible to investigate how the frictional force and the friction surface are related.

なお、上述の実施の形態においては、図11において、ピンホールA3がレンズL1よりも物体側に配置された例を示しているが、本発明はこれに限るものではない。例えばピンホールA3は、レンズL1とハーフミラーBS2との間に配置してもよい。ただし、ピンホールA3をレンズL1とハーフミラーBS2との間に配置した場合には、同一径のピンホールA3を用いたとしても、配置する位置やレンズL1の焦点距離の大小によって、効果(除去光)が異なる可能性がある。   In the above-described embodiment, an example in which the pinhole A3 is disposed on the object side of the lens L1 in FIG. 11 is shown, but the present invention is not limited to this. For example, the pinhole A3 may be disposed between the lens L1 and the half mirror BS2. However, when the pinhole A3 is disposed between the lens L1 and the half mirror BS2, even if the pinhole A3 having the same diameter is used, the effect (removal) depends on the position of the placement and the focal length of the lens L1. Light) may be different.

以上のように、測定システム1Aは、摩擦力センサ30および加速度センサ31を備え、摩擦力、摩擦力の構成成分、および摩擦力と摩擦面との関係を測定することができる。より詳細には、回転台23上のディスク試験片1回転中において、摩擦力、垂直・水平方向加速度、摩擦面の変化を同時に捉えることができる。また、測定システム1Aは、測定したデータをパソコン3に出力する。これによって、測定システム1Aによって観察したデータを、所定の開始点から1回転毎に分けて保存できる。測定システム1Aを観察システム11と組み合わせて、詳細なトライボロジー現象のリアルタイム観測・解明が可能となる。このようにして、改良型トライボビューワによって、包括的トライボロジー現象を観測できた。   As described above, the measurement system 1A includes the friction force sensor 30 and the acceleration sensor 31, and can measure the friction force, the components of the friction force, and the relationship between the friction force and the friction surface. More specifically, during one rotation of the disk test piece on the turntable 23, the frictional force, vertical / horizontal acceleration, and changes in the friction surface can be simultaneously captured. Further, the measurement system 1 </ b> A outputs the measured data to the personal computer 3. Thereby, the data observed by the measurement system 1A can be stored separately for each rotation from the predetermined start point. By combining the measurement system 1A with the observation system 11, it is possible to observe and elucidate detailed tribological phenomena in real time. In this way, comprehensive tribological phenomena could be observed with the improved trib viewer.

ここで、上述の実施の形態1において説明した測定システム1・観察システム11からなるトライボビューワは、摩擦試験中に時々刻々変化する摩耗面の遷移過程をリアルタイムで観察することに主眼をおいて開発したものである。そこで、本実施形態においては、さらにそのアイディアを一歩進めて、図15に示すように、多元的な情報を得られるようにひずみゲージ式の摩擦力センサ30と加速度センサ31とをトライボビューワに組み込んだ。   Here, the tribo-viewer composed of the measurement system 1 and the observation system 11 described in the first embodiment is developed with a focus on observing the transition process of the wear surface that changes every moment during the friction test in real time. It is a thing. Therefore, in the present embodiment, the idea is further advanced, and as shown in FIG. 15, the strain gauge type friction force sensor 30 and the acceleration sensor 31 are incorporated into the triboviewer so as to obtain multi-dimensional information. It is.

また、本実施形態における測定システム1Aは、さらに、以下のように平均化処理を行うことによって、測定誤差を減少させる。   In addition, the measurement system 1A in the present embodiment further reduces the measurement error by performing an averaging process as follows.

ここで、測定システム1Aのように、摩耗現象を測定対象とする場合には、ある程度以下の測定誤差は回避出来ない面がある。そこで、誤差を小さくする他の方法として、照射位置を僅かにずらした場所での多数のデータの平均化(n回平均)を用いる方法が考えられる。   Here, as in the measurement system 1A, when the wear phenomenon is a measurement object, there is a problem that a measurement error below to some extent cannot be avoided. Therefore, as another method for reducing the error, a method using averaging (n-time averaging) of a large number of data at a place where the irradiation position is slightly shifted can be considered.

ここで、データがランダムノイズSNを含んでいるときに、n回の測定を行ってそれを平均化すれば、ランダムノイズによる雑音の影響はSN/(n)1/2の程度となる。このため、平均化によって測定誤差を大きく軽減できる。摩耗面を対象とする場合には、ノイズがランダムノイズSNを含んでいると考えられるので、これによって測定誤差を軽減する。 Here, when the data includes random noise SN, if the measurement is performed n times and averaged, the influence of the noise due to the random noise becomes about SN / (n) 1/2 . For this reason, the measurement error can be greatly reduced by averaging. When the wear surface is targeted, it is considered that the noise includes random noise SN, thereby reducing the measurement error.

測定システム1A・観察システム11は、上述のように、サンプリング周波数10kHz程度の高速測定が可能である。そこで、測定システム1Aは、データの入力されるパソコン3において、サンプリングにより入力されるデータを25コごとに平均し、新たなデータとする。このようにして得られたデータは、25コの平均によって、雑音の影響成分がSN/5程度となる。なお、このときの測定周波数は104/25=400Hzであるので、例えば60Hz(3600rpm)の回転体の測定を1度以内の角度毎に測定することが可能である。 As described above, the measurement system 1A / observation system 11 can perform high-speed measurement with a sampling frequency of about 10 kHz. Therefore, the measurement system 1A averages the data input by sampling every 25 data in the personal computer 3 to which data is input, and obtains new data. The data obtained in this way has an influence component of noise of about SN / 5 due to an average of 25 data. Since the measurement frequency at this time is the 10 4/25 = 400Hz, it is possible to measure for example 60Hz measurement of rotating body (3600 rpm) for each angle within 1 degree.

以上のように、測定システム1Aは、ピンホール(開口)A3の挿入、またはデータの平均化によって、測定精度を向上し、誤差を軽減し、解像度を向上する。   As described above, the measurement system 1A improves measurement accuracy, reduces errors, and improves resolution by inserting a pinhole (opening) A3 or averaging data.

なお、背景技術として記載した特許文献1,2には、人問の眼底検査を目的とする、立体形状測定装置が開示されている。この構成は、本願の実施の形態1に記載の構成と類似した構成である。ここで、人間の眼底は、被照射面としてほぼ完全な粗面であると考えられる。このため、このような物体を被照射面とする場合には、上記公報記載の構成によっても測定が可能であると予想される。   Note that Patent Documents 1 and 2 described as the background art disclose a three-dimensional shape measuring apparatus for the purpose of examining the fundus of humans. This configuration is similar to the configuration described in the first embodiment of the present application. Here, it is considered that the human fundus is an almost perfect rough surface as an irradiated surface. For this reason, when such an object is used as the irradiated surface, it is expected that the measurement can be performed by the configuration described in the above publication.

一方、上述の背景技術と本願とでは、発明の目的が全く異なっている。背景技術においては、被照射面が不完全な粗面となっている場合は考慮されていない。このため、上記公報記載の構成によって摩耗状態を観測する場合には、被照射面が不完全な粗面となっており、十分な測定精度を得ることができない。このようにして、データに比較的大きな誤差が生じて、初期の数μmの解像度(測定分解能:測定可能な最小変位)が得られなくなってしまうと予想される。   On the other hand, the object of the invention is completely different between the above-described background art and the present application. In the background art, the case where the irradiated surface is an incomplete rough surface is not taken into consideration. For this reason, when the wear state is observed with the configuration described in the above publication, the irradiated surface is an incomplete rough surface, and sufficient measurement accuracy cannot be obtained. In this way, a relatively large error occurs in the data, and it is expected that the initial resolution of several μm (measurement resolution: minimum measurable displacement) cannot be obtained.

そこで、上述のように、摩耗の測定に対しても同じ程度の測定解像度が得られる、光学系を改良した改良型トライボビューワーを提案した。   Therefore, as described above, an improved tribo viewer with an improved optical system that can obtain the same measurement resolution for wear measurement has been proposed.

また、従来の測定方法では、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力しか知ることができず、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのか調べることができなかった。   In addition, the conventional measurement method can only know the average friction force per certain number of friction repetitions, and it is possible to investigate the components of the friction force and how it is related to the friction surface. There wasn't.

そこで、上述のように、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのかを測定することのできる測定システム1Aを提案した。   Therefore, as described above, the measurement system 1A that can measure the constituent components of the frictional force and how it relates to the friction surface has been proposed.

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and the embodiments can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in the embodiments. The form is also included in the technical scope of the present invention.

上述の具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、本発明はそのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、変更した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。   The specific embodiments or examples described above are merely to clarify the technical contents of the present invention, and the present invention is not limited to such specific examples and should not be interpreted in a narrow sense. Various modifications can be made within the scope of the claims, and the modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係る測定装置は、測定する対象となる物体の表面の変位を検出するだけでなく、例えば対象物またはレーザ光の少なくともいずれか一方を走査することによって、対象物の表面凹凸を高感度かつリアルタイムに測定することができる。例えば、レーザ光や測定体を走査することによって、半導体素子や、機械部品等の表面凹凸状態をリアルタイムで測定することが可能となる。   The measurement apparatus according to the present invention not only detects the displacement of the surface of the object to be measured, but also highly sensitively detects the surface irregularities of the object by scanning at least one of the object and laser light, for example. And it can be measured in real time. For example, by scanning a laser beam or a measurement object, it is possible to measure the surface unevenness state of a semiconductor element, a machine part, or the like in real time.

また、表面凹凸の検出として、摩耗する表面の凹凸を検出することができるので、摩耗量や切削量のリアルタイム測定方法に用いることができる。また、摩耗する表面をカメラで観察する観察装置と組み合わせることによって、摩耗量の定量測定と摩耗面の同時観察が可能となり、摩耗状態観測装置(トライボビューア)に適用することができる。また、試験機の停止や試験片の脱着誤差を排除した信頼性と定量性を保証できる標準摩耗試験機を提供できる。このように、本発明を機械産業分野に適用して、摩耗量や切削量を高解像度で、かつ運転中にリアルタイムに測定する方法やその装置を提供することができる。   Moreover, since the unevenness | corrugation of the surface to wear can be detected as a surface unevenness | corrugation detection, it can be used for the real-time measuring method of wear amount and cutting amount. In addition, by combining with an observation device that observes a worn surface with a camera, quantitative measurement of the amount of wear and simultaneous observation of the wear surface are possible, which can be applied to a wear state observation device (tribo viewer). In addition, it is possible to provide a standard wear tester that can guarantee reliability and quantitativeness by eliminating the stoppage of the tester and the error of attaching / detaching the test piece. As described above, the present invention can be applied to the machine industry field to provide a method and apparatus for measuring the amount of wear and the amount of cutting with high resolution and in real time during operation.

例えば、この測定装置を用いれば、微小な切削量をオンラインで実測し、その値を直接次の加工量にフィードバックすることができる。このため、加工機や被加工物の熱膨張による誤差を排除した精密加工が可能になる。したがって、寸法計測のための機械停止が不要となり、加工時間の短縮とコスト低減とが得られる。また、摩耗を検出することによって、回転軸、回転軸受、ブレーキデイスク等の交換時期を予知することが考えられ、この場合には、過度の交換を不要にする経済的な効果ばかりでなく、不慮の事故を未然に防ぐことも可能となる。   For example, if this measuring apparatus is used, a minute cutting amount can be measured online, and the value can be directly fed back to the next machining amount. For this reason, the precision processing which eliminated the error by the thermal expansion of a processing machine or a workpiece becomes possible. Therefore, it is not necessary to stop the machine for dimension measurement, and the processing time can be shortened and the cost can be reduced. In addition, it is conceivable to predict the replacement timing of the rotating shaft, rotating bearing, brake disc, etc. by detecting wear. In this case, not only the economic effect of making excessive replacement unnecessary, but also inadvertently. It is also possible to prevent accidents.

本発明に係る測定システムの一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the measurement system which concerns on this invention. 上記測定システムに含まれる測定装置の一部を示す概略の断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of measuring device contained in the said measuring system. (a)は上記測定装置の一部を示す概略の断面図であり、(b)は(a)とは異なる状態における上記一部の概略の断面図であり、(c)は(a)および(b)とは異なる状態における上記一部の概略の断面図である。(A) is a schematic cross-sectional view showing a part of the measurement apparatus, (b) is a schematic cross-sectional view of the part in a state different from (a), (c) is (a) and It is a schematic sectional drawing of the said part in the state different from (b). (a)は上記測定システムによって得られた測定面位置のデータの一例を示すグラフであり、(b)は上記測定システムによって得られた校正曲線のデータの一例を示すグラフである。(A) is a graph which shows an example of the data of the measurement surface position obtained by the said measurement system, (b) is a graph which shows an example of the data of the calibration curve obtained by the said measurement system. (a)は上記測定システムによって得られると予測される、測定面の移動と光量変化との関係を示すグラフであり、(b)は(a)の一部を拡大して示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the movement of a measurement surface and a light quantity change estimated to be obtained by the said measurement system, (b) is a graph which expands and shows a part of (a). 上記測定システムと組み合わせて用いる観測システムを示す概略のブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the observation system used in combination with the said measurement system. 上記測定システムの一部および上記観測システムを示す概略の斜視図である。It is a schematic perspective view which shows a part of said measurement system and the said observation system. 上記測定システムについてのシミュレーション実験によって得られた、測定面の移動と光量変化とを関係付けた校正曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the calibration curve which linked | related the movement of the measurement surface, and the light quantity change obtained by the simulation experiment about the said measurement system. 上記測定システムによって実際に得られた、測定面の移動と光量変化とを関係付けた校正曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the calibration curve which actually obtained by the said measurement system and related the movement of a measurement surface, and the light quantity change. 本発明の他の実施形態に係る測定システムの一例の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of an example of the measurement system which concerns on other embodiment of this invention. 上記測定システムに含まれる測定装置の一部を示す概略の断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of measuring device contained in the said measuring system. 上記測定装置においてレーザ光を照射した場合の強度分布を示す概略の図である。It is a schematic diagram which shows intensity distribution at the time of irradiating a laser beam in the said measuring apparatus. 上記測定装置の他の一部を示す概略の断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another part of the said measuring apparatus. 上記測定装置のさらに他の一部を示す概略の断面図である。It is general | schematic sectional drawing which shows another part of the said measuring apparatus. 上記測定システムの一部および観測システムの一例を示す概略の斜視図である。It is a schematic perspective view which shows a part of said measurement system and an example of an observation system. 上記測定システムの他の一部を示す概略の回路図である。It is a schematic circuit diagram which shows another part of the said measurement system. 上記測定システムによる測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result by the said measurement system. 上記測定システムによる測定結果の他の一例を示すグラフである。It is a graph which shows another example of the measurement result by the said measurement system. 上記測定システムによる測定結果のさらに他の一例を示すグラフである。It is a graph which shows another example of the measurement result by the said measurement system. 上記測定システムによる測定結果のさらに他の一例を示すグラフである。It is a graph which shows another example of the measurement result by the said measurement system.

符号の説明Explanation of symbols

1、1A 測定システム
2、2A 測定装置
3 パソコン(計算装置)
5、5A 測定部
8 レーザ
9 受光部
10 光学部材
11 観察システム(観測システム)
30 摩擦力センサ
31 加速度センサ
32 動ひずみ計
33 チャージアンプ
A1 ピンホール(第1遮光部材)
A2 ピンホール(第2遮光部材)
A3 ピンホール(第3遮光部材、平均化手段)
BS1 ハーフミラー
BS2 ハーフミラー(分配器)
D1 測定面位置
D2 校正曲線
f1、f2 焦点距離
L0 対物レンズ
L1 接眼レンズ(集光部材)
P ピンホールの穴のサイズ
PD1 フォトダイオード(第1光学素子)
PD2 フォトダイオード(第2光学素子)
X 測定面(被測定面)
1, 1A measurement system 2, 2A measurement device 3 PC (calculation device)
5, 5A Measuring unit 8 Laser 9 Light receiving unit 10 Optical member 11 Observation system (observation system)
30 Friction Force Sensor 31 Acceleration Sensor 32 Dynamic Strain Meter 33 Charge Amplifier A1 Pinhole (first light shielding member)
A2 Pinhole (second light shielding member)
A3 pinhole (third light shielding member, averaging means)
BS1 half mirror BS2 half mirror (distributor)
D1 Measurement surface position D2 Calibration curve f1, f2 Focal length L0 Objective lens L1 Eyepiece (condensing member)
P Pinhole size PD1 Photodiode (first optical element)
PD2 photodiode (second optical element)
X Measuring surface (surface to be measured)

Claims (9)

物体の被測定面からの反射光を検出することによって上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定装置において、
上記反射光を、第1光路とその第1光路とは異なる第2光路とに分配する分配器と、
上記分配器から第1光路を介した上記反射光を検出する第1光学素子と、
上記分配器から第2光路を介した上記反射光を検出する第2光学素子と、
上記物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第1光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第1光学素子とは異なるように上記第2光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えていることを特徴とする測定装置。
In a measuring apparatus that measures the displacement of the measured surface of the object by detecting reflected light from the measured surface of the object,
A distributor for distributing the reflected light to a first optical path and a second optical path different from the first optical path;
A first optical element for detecting the reflected light from the distributor via a first optical path;
A second optical element for detecting the reflected light from the distributor via a second optical path;
The amount of light incident on the first optical element is changed in accordance with the change in the reflected light from the object accompanying the displacement of the measured surface of the object, and the first optical element is different from the first optical element. A measuring apparatus comprising: a light amount changing means for changing a light amount incident on the two optical elements.
上記光量変化手段が、
第1光学素子への第1光路上に設けた第1遮光部材と、
第2光学素子への第2光路上に設けた第2遮光部材と、
第1遮光部材および第2遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
The light amount changing means is
A first light shielding member provided on the first optical path to the first optical element;
A second light shielding member provided on the second optical path to the second optical element;
A condensing member provided in an optical path to the distributor of the reflected light for condensing the reflected light in the vicinity of the first light shielding member and the second light shielding member. The measuring apparatus according to 1.
第1遮光部材および第2遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置することを特徴とする請求項2に記載の測定装置。   One of the first light-shielding member and the second light-shielding member is disposed on the near side of the focal position of the light collecting member in the optical path where the light collecting member collects the reflected light, and the other is placed on the light collecting member. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the measuring apparatus is disposed on the far side of the focal position of the optical member. 上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第1遮光部材および上記第2遮光部材へと導く第3遮光部材を設けたことを特徴とする請求項2または3に記載の測定装置。   A third light shield that guides the remaining portion of the reflected light to the first light shielding member and the second light shielding member by restricting a part of the reflected light to the optical path to the distributor of the reflected light. The measuring apparatus according to claim 2, wherein a member is provided. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定装置と、
第1光学素子および第2光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第1光学素子および第2光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいることを特徴とする測定システム。
A measuring device according to any one of claims 1 to 3,
By receiving outputs from the first optical element and the second optical element, and measuring the amounts of received light in the first optical element and the second optical element of the measuring device according to the displacement of the surface to be measured of the object A measurement system comprising: a calculation device that previously determines and stores the relationship between the displacement of the measurement surface of the object and the amount of received light.
上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、
上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力することを特徴とする請求項5に記載の測定システム。
Including a friction force sensor for measuring a friction force generated on a surface to be measured of the object,
6. The measurement system according to claim 5, wherein the friction force sensor outputs data of the measured friction force to the calculation device.
上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、
上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力することを特徴とする請求項6に記載の測定システム。
An acceleration sensor for detecting a component of the friction force measured by the friction force sensor;
The measurement system according to claim 6, wherein the acceleration sensor outputs data of a component component of the measured frictional force to the calculation device.
物体の被測定面からの反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定方法において、
上記物体の上記被測定面からの反射光を複数の光束に分け、
分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定することを特徴とする測定方法。
In the measurement method for measuring the displacement of the measurement surface of the object by measuring the amount of reflected light from the measurement surface of the object,
The reflected light from the measured surface of the object is divided into a plurality of light fluxes,
A measuring method, wherein the displacement of the measured surface of the object is measured by measuring the amount of reflected light for each of the divided light beams.
上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分けることを特徴とする請求項8に記載の測定方法。   The reflected light from the surface to be measured of the object is divided into the plurality of light fluxes after passing through averaging means for reducing intensity non-uniformity on the irradiated surface when the reflected light is irradiated. The measuring method according to claim 8.
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