JP2020173141A - 表面形状測定システムおよび表面形状測定器を用いた表面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光性を有する素材からなる測定対象であっても測定対象の表面を反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる表面形状測定システムおよび表面形状測定器を用いた表面形状測定方法の提供。【解決手段】表面形状測定システム１は、光源５と、光源５からの光を受光する受光手段６と、受光手段６にて受光された光に基づき表面Ｈの形状を検出する検出手段７と、を備える表面形状測定器２を備える。表面形状測定システム１は、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源５から表面Ｈに向かって照射される光の光路上および表面Ｈから受光手段６に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面Ｈと密着して設けられる媒質３を備え、光源５は、表面Ｈへの光の入射角θが臨界角よりも大きくなるように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、表面形状測定システムおよび表面形状測定器を用いた表面形状測定方法に関する。

従来、測定対象の表面に向かって光を照射する光源と、測定対象の表面に沿って光源と一体に移動し、測定対象の表面を反射した光源からの光を受光する受光手段と、受光手段にて受光された光に基づき測定対象の表面の形状を検出する検出手段と、を備える表面形状測定器が知られている。
この際、光源は、例えばレーザー光源であり、測定対象は、レーザー光が照射された表面でレーザー光を反射する。受光手段は、測定対象の表面で反射したレーザー光を受光し、検出手段は、受光手段が受光したレーザー光に基づいて測定対象の表面の形状を検出する。

図５は、従来の表面形状測定システム１００を示す図である。
ここで、測定対象Ｗがガラスなどの透光性を有する素材であり、測定台Ｄに載置されている場合、図５に示すように、表面形状測定器２００における光源３００が測定対象Ｗの表面Ｈに向かって光を照射すると、破線矢印で示す測定対象Ｗの表面Ｈを反射する光と、実線矢印で示す測定対象Ｗを透過する光と、が生じる。測定対象Ｗを透過した実線矢印で示す光は、測定台Ｄで反射し、再び測定対象Ｗ内を受光手段４００に向かって進行する。受光手段４００は、測定台Ｄを反射した実線矢印で示す光と、測定対象Ｗの表面Ｈを反射する破線矢印で示す光と、それぞれ光の光量が異なる複数の光を受光することとなる。そして、図示しない検出手段は、それぞれ光の光量が異なる複数の光に基づいて測定対象の表面の形状を検出する。したがって、検出手段は、測定台Ｄで反射した実線矢印で示す光により測定対象の表面を正確に測定することができないという問題がある。

このような問題に対し、特許文献１に記載された表面形状測定装置は、透光性を有する測定対象の表面に向かってレーザー光を照射するレーザー光源と、測定対象の表面を反射したレーザー光を受光し変位を計測するレーザー変位計と、を備える。また、表面形状測定装置とともに用いられる測定台は、少なくともレーザー光が照射される測定対象物の測定位置に対応する位置の下方が、測定位置を含まない他の領域より凹んだ凹部を有している。凹部は、透光性を有する素材からなる測定対象を透過した光が測定台にて反射し、レーザー変位計に向かって反射することを抑制している。したがって、表面形状測定装置は、測定対象の表面を反射した光を用いて測定対象の表面の形状を検出することができる。

特開２０１７−３２２９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された表面形状測定装置は、透光性を有する測定対象を挟んで反対側に凹部を有する測定台を備えなければならず、また、レーザー光源から照射されたレーザー光の大部分は、透光性を有する素材からなる測定対象を透過する。このため、レーザー変位計は、透光性を有する測定対象の表面を反射する反射光を十分に得ることができず、十分な変位計測をすることができないという問題がある。

本発明の目的は、透光性を有する素材からなる測定対象であっても測定対象の表面を反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる表面形状測定システムおよび表面形状測定器を用いた表面形状測定方法を提供することである。

本発明の表面形状測定システムは、測定対象の表面に向かって光を照射する光源と、測定対象の表面に沿って光源と一体に移動し、表面を反射した光源からの光を受光する受光手段と、受光手段にて受光された光に基づき表面の形状を検出する検出手段と、を備える表面形状測定器を備えた表面形状測定システムであって、測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質を備え、光源は、表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする。

このような本発明によれば、表面形状測定システムは、測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質を備え、光源は、表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることで、光源からの光を測定対象の表面で全反射させることができる。光源からの光を測定対象の表面で全反射させることで、測定対象が透光性を有していたとしても、光源からの光は、測定対象を透過することなく、光量を維持したまま受光手段に向かって反射する。したがって、受光手段が受光する光の光量は低下しないため、表面形状測定システムは、透光性を有する素材からなる測定対象であっても測定対象の表面を反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる。

この際、媒質は流体であり、光源と受光手段と一体に測定対象の表面に沿って移動し、少なくとも媒質と表面との密着部分を密閉する密閉手段を備えることが好ましい。

このような構成によれば、表面形状測定システムは、光源と受光手段と一体に測定対象の表面に沿って移動し、少なくとも媒質と表面との密着部分を密閉する密閉手段を備えることで、媒質が流体であっても例えば測定対象全体を媒質にて覆うことなく測定対象の表面の形状を測定することができる。また、少なくとも媒質と表面との密着部分を密閉することができればよいため、例えば測定対象よりも大きい容器を用いて媒質の流出を防がなくとも測定対象の表面を測定することができ、コスト削減を図ることができる。

本発明の表面形状測定器を用いた表面形状測定方法は、測定対象の表面に向かって光を照射する光源と、測定対象の表面に沿って光源と一体に移動し、表面を反射した光源からの光を受光する受光手段と、受光手段にて受光された光に基づき表面の形状を検出する検出手段と、を備える表面形状測定器を用いた表面形状測定方法であって、測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質を備え、光源は、表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする。

このような本発明によれば、表面形状測定器を用いた表面形状測定方法は、測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質を備え、光源は、表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることで、光源からの光を測定対象の表面で全反射させることができる。光源からの光を測定対象の表面で全反射させることで、測定対象が透光性を有していたとしても、光源からの光は、測定対象を透過することなく受光手段に向かって反射する。したがって、受光手段が受光する光の光量は低下しないため、表面形状測定器を用いた表面形状測定方法は、透光性を有する素材からなる測定対象であっても測定対象の表面を反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る表面形状測定システムを示す斜視図 前記表面形状測定システムを示すブロック図 本発明の第２実施形態に係る表面形状測定システムを示す斜視図 本発明の第３実施形態に係る表面形状測定システムを示す斜視図 従来の表面形状測定システムを示す図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る表面形状測定システム１を示す斜視図である。
図１に示すように、表面形状測定システム１は、測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定する表面形状測定器２と、表面形状測定器２を覆うように設けられる媒質３と、媒質３を収容する測定槽４と、を備える。
測定対象Ｗは、透光性を有する例えばガラスである。表面形状測定器２は、測定対象Ｗであるガラスの表面Ｈの形状について光を用いて測定する。

表面形状測定器２は、測定対象Ｗの表面Ｈに向かって光を照射する光源５と、測定対象Ｗの表面Ｈに沿って光源５と一体に移動し、測定対象Ｗの表面Ｈを反射した光源５からの光を受光する受光手段６と、を備える。
光源５は、レーザー光を照射するレーザー光源である。光源５にレーザー光源を用いることで、受光手段６は、他の光源を用いた場合と比較して効率よく測定対象Ｗの表面Ｈを反射した光を受光することができる。なお、光源５はレーザー光源でなくともよく、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）など、任意の光源を用いてもよい。

受光手段６には、ＰＤＡ（Photo Diode Array)が用いられる。なお、受光手段６はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等、測定対象Ｗの表面Ｈを反射する光を受光することができれば任意の検出器を用いてもよい。
また、図１では、説明の都合上、光源５から照射され、測定対象Ｗの表面Ｈを反射し、受光手段６へ向かう光の光路を実線矢印で表している。

媒質３は、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源５から測定対象Ｗの表面Ｈに向かって照射される光の光路上および測定対象Ｗの表面Ｈから受光手段６に反射する光の光路上に配置されるとともに、測定対象Ｗの表面Ｈと密着して設けられる。具体的には、媒質３は、図１に示す実線矢印上に配置されるとともに、測定対象Ｗの表面Ｈと密着して設けられている流体である。流体とは、固体を除く気体や液体の総称であり、本実施形態では、媒質３は、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有する液体である。

測定槽４は、光源５から測定対象Ｗの表面Ｈに向かう光の光路上および受光手段６に反射する光の光路上に、液体である媒質３を配置し流出を防ぐ水槽である。このため、測定対象Ｗは、測定槽４の底部に固定され、全体的に媒質３にて覆われた状態となる。また、表面形状測定器２の少なくとも光源５および受光手段６は、液体である媒質３の中に配置されるため、防水仕様になっている。表面形状測定器２は、測定槽４内を測定領域として測定槽４の中で、測定対象Ｗの表面Ｈに沿って光源５および受光手段６を移動させることで、測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定する。

そして、光源５は、測定対象Ｗの表面Ｈへの光の入射角θが臨界角よりも大きくなるように配置されている。これにより、光源５から照射される光は、測定対象Ｗの表面Ｈを全反射する。具体的には、測定対象Ｗの屈折率をｎ１とし、媒質３の屈折率をｎ２としたとき、測定対象Ｗの屈折率ｎ１よりも媒質３の屈折率ｎ２が大きいという関係が成り立つ状態において、測定対象Ｗと媒質３との境界面における臨界角θ０は、次の式（１）のように表される。

ｓｉｎθ０ =ｎ１／ｎ２ ・・・（１）

このとき、臨界角θ０よりも光源５から測定対象Ｗに向かって照射される光の入射角θの方が大きい角度であれば、光は、透光性を有するガラスである測定対象Ｗと媒質３の境界面で全反射することとなる。この測定対象Ｗの表面Ｈを全反射した光を受光手段６にて受光することで、測定対象Ｗが透光性を有する場合であっても、光は全反射し測定対象Ｗを透過しないため、測定対象Ｗの表面Ｈを高精度に測定することができる。

図２は、表面形状測定システム１を示すブロック図である。
表面形状測定器２は、図２に示すように、受光手段６にて受光された光に基づき測定対象Ｗの表面Ｈの形状を検出する検出手段７をさらに備える。検出手段７は、例えばマイコン等である。なお、検出手段７はマイコンではなく、外部接続されたパソコン等であってもよく、測定対象Ｗの表面Ｈを受光手段６が受光した光に基づき検出することができれば、どのようなもので構成されていてもよい。
検出手段７は、測定槽４の外部に配置されているが、媒質３の影響を受けないように防水対策が成されている場合は、測定槽４の内部に配置されていてもよい。

以上のような構成において、光源５が表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されている表面形状測定器２と、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源５から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段６に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質３と、を用いた表面形状測定方法により、透光性を有するガラスである測定対象であっても、光は測定対象Ｗを透過せずに表面Ｈで全反射するため、その表面Ｈの形状を高精度に検出することができる。

このような第１実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）表面形状測定システム１は、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源５から表面Ｈに向かって照射される光の光路上および表面Ｈから受光手段６に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられる媒質３を備え、光源５は、表面Ｈへの光の入射角θが臨界角よりも大きくなるように配置されていることで、光源５からの光を測定対象Ｗの表面Ｈで全反射させることができる。光源５からの光を測定対象Ｗの表面Ｈで全反射させることで、測定対象Ｗが透光性を有していたとしても、光源５からの光は、測定対象Ｗを透過することなく、光量を維持したまま受光手段６に向かって反射する。したがって、受光手段６が受光する光の光量は低下しないため、表面形状測定システム１は、透光性を有する素材からなる測定対象Ｗであっても測定対象Ｗの表面Ｈを反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる。

（２）表面形状測定器２を用いた表面形状測定方法は、測定対象Ｗの屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源５から表面Ｈに向かって照射される光の光路上および表面Ｈから受光手段６に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面Ｈと密着して設けられる媒質３を備え、光源５は、表面Ｈへの光の入射角θが臨界角よりも大きくなるように配置されていることで、光源５からの光を測定対象Ｗの表面Ｈで全反射させることができる。光源５からの光を測定対象Ｗの表面Ｈで全反射させることで、測定対象Ｗが透光性を有していたとしても、光源５からの光は、測定対象Ｗを透過することなく受光手段６に向かって反射する。したがって、受光手段６が受光する光の光量は低下しないため、表面形状測定器２を用いた表面形状測定方法は、透光性を有する素材からなる測定対象Ｗであっても測定対象Ｗの表面Ｈを反射する光を十分に取得することができ、測定精度を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図３は、本発明の第２実施形態に係る表面形状測定システム１Ａを示す斜視図である。
前記第１実施形態では、測定対象Ｗと媒質３と光源５と受光手段６とは、測定槽４の内部に配置されていた。
第２実施形態では、図３に示すように、測定槽４を備えず、測定槽４の代わりとして、光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動し、少なくとも媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉する密閉手段４Ａを備える点で前記第１実施形態と異なる。

密閉手段４Ａは、図３では、断面図として記載されているが、略円筒状に形成されている。この際、表面形状測定器２Ａの少なくとも光源５および受光手段６は、液体である媒質３の中に配置される。
密閉手段４Ａは、シリコンやゴムなど、測定対象Ｗの表面Ｈを傷つけずに光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動でき、流体である媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉し、媒質３が密閉手段４Ａの外部に流出させないような素材で形成されていることが好ましい。なお、密閉手段は、光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動し、少なくとも媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉することができれば、略円筒状ではなく、他の形状であってもよいし、どのような素材を用いてもよい。また、密閉手段は、光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動し、少なくとも媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉することができれば、密閉手段と媒質３と光源５と受光手段６とを固定し、測定対象Ｗを移動させて測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定してもよい。

このような第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（２）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（３）表面形状測定システム１Ａは、光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動し、少なくとも媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉する密閉手段４Ａを備えることで、媒質３が液体であっても例えば第１実施形態における測定槽４で測定対象Ｗ全体を媒質３にて覆うことなく測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定することができる。また、少なくとも媒質３と表面Ｈとの密着部分を密閉することができればよいため、例えば第１実施形態の測定槽４のように測定対象Ｗよりも大きい水槽を用いて媒質３の流出を防がなくとも測定対象Ｗの表面Ｈを測定することができ、コスト削減を図ることができる。
（４）密閉手段４Ａは、第１実施形態の測定槽４のように測定領域を限定しないため、第１実施形態と比較して、測定槽４より大きい測定対象や測定対象全体を媒質３にて覆うことができない測定対象等であっても測定することができ、様々な測定対象に対応することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図４に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図４は、本発明の第３実施形態に係る表面形状測定システム１Ｂを示す斜視図である。
前記各実施形態では、媒質３は液体であり、媒質３が流出しないようにするために測定槽４や密閉手段４Ａを用いて測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定していた。

第３実施形態は、図４に示すように、測定槽４や密閉手段４Ａは備えず、媒質３Ｂは、粘性を有し、表面Ｈとの密着部分を密閉させた状態で光源５と受光手段６と一体に測定対象Ｗの表面Ｈに沿って移動するゲル等の半固体である点で前記各実施形態と異なる。
媒質３Ｂは、光源５と受光手段６とともに表面Ｈに密着したまま移動させることで、表面Ｈに付着し残留する等して減少することがあるが、一定時間ごとに媒質３Ｂを補充することで測定槽４や密閉手段４Ａを備えなくても、光源５から表面Ｈに向かって照射される光の光路上および表面Ｈから受光手段６に反射する光の光路上から流出せずに留まることができる。したがって、測定槽４や密閉手段４Ａを備えなくても、表面形状測定器２Ｂは、測定対象Ｗの表面Ｈの形状の測定を中断することなく実行することができる。

このような第３実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（２）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）媒質３Ｂは半固体であるため、第１実施形態の測定槽４や第２実施形態の密閉手段４Ａを備えなくとも測定対象Ｗの表面Ｈの形状を測定することができる。したがって、表面形状測定システム１Ｂは、コスト削減を図ることができる。
（６）媒質３Ｂが粘性を有することで容易に流出しないため、測定対象Ｗの表面Ｈが傾斜を有していたとしても、表面形状測定システム１Ｂにて測定対象Ｗの表面Ｈの形状を検出することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、媒質３，３Ｂは液体や半固体であったが、気体であってもよい。要するに、媒質は、測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、光源から表面に向かって照射される光の光路上および表面から受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、表面と密着して設けられていれば、どのようなものであってもよい。

前記各実施形態では、測定対象Ｗは透光性を有していたが、透光性を有していなくてもよく、ガラスではなく任意の測定対象であってよい。本発明における表面形状測定システムおよび表面形状測定方法は、例えば、光を測定対象の内部まで侵入させたくない場合等にも採用することができる。
前記各実施形態では、表面形状測定器２，２Ａ〜２Ｂが測定対象Ｗに沿って移動していたが、表面形状測定器を固定し、測定対象を移動させて測定対象の表面の形状を測定してもよい。

以上のように、本発明は、表面形状測定システムおよび表面形状測定器を用いた表面形状測定方法に好適に利用できる。

１，１Ａ〜１Ｂ 表面形状測定システム
２，２Ａ〜２Ｂ 表面形状測定器
３，３Ｂ 媒質
４Ｂ 密閉手段
５ 光源
６ 受光手段
７ 検出手段

Claims (3)

1. 測定対象の表面に向かって光を照射する光源と、前記測定対象の前記表面に沿って前記光源と一体に移動し、前記表面を反射した前記光源からの光を受光する受光手段と、前記受光手段にて受光された光に基づき前記表面の形状を検出する検出手段と、を備える表面形状測定器を備えた表面形状測定システムであって、
   前記測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、前記光源から前記表面に向かって照射される光の光路上および前記表面から前記受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、前記表面と密着して設けられる媒質を備え、
   前記光源は、前記表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする表面形状測定システム。
2. 請求項１に記載された表面形状測定システムにおいて、
   前記媒質は流体であり、
   前記光源と前記受光手段と一体に前記測定対象の前記表面に沿って移動し、少なくとも前記媒質と前記表面との密着部分を密閉する密閉手段を備えることを特徴とする表面形状測定システム。
3. 測定対象の表面に向かって光を照射する光源と、前記測定対象の前記表面に沿って前記光源と一体に移動し、前記表面を反射した前記光源からの光を受光する受光手段と、前記受光手段にて受光された光に基づき前記表面の形状を検出する検出手段と、を備える表面形状測定器を用いた表面形状測定方法であって、
   前記測定対象の屈折率よりも大きい屈折率を有し、前記光源から前記表面に向かって照射される光の光路上および前記表面から前記受光手段に反射する光の光路上に配置されるとともに、前記表面と密着して設けられる媒質を備え、
   前記光源は、前記表面への光の入射角が臨界角よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする前記表面形状測定器を用いた表面形状測定方法。

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