JP3605010B2 - 表面性状測定器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面性状測定器に関し、特に曲率を有する表面を備えた被検体の表面性状を測定する表面性状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検体表面の粗さ、うねり、形状等の表面性状を測定するために様々な光学機器が利用されている。代表的なものは、着目している被検体の表面部分に対して参照面を用意し、前記表面部分と参照面からの反射光により生成される干渉縞により着目している被検体の表面性状を測定するものである。
【０００３】
一例として、機械部品等の硬度測定に使用されるダイアモンド圧子の形状測定があげられる。ロックウエル硬さ試験機はダイアモンド圧子を試験体に押し込み、そのくぼみの深さにより試験体の硬度を測定するものである。圧入されるダイアモンド圧子の形状は頂角１２０°の円錐形状で、その先端部分を曲率半径０．２ｍｍの球面に加工したものが使用される。しかしながら、円錐形状の頂角及び曲率半径の誤差は硬度測定の結果に大きく影響するため、硬度測定を行う前にそれらの誤差を正確に見積もる必要がある。
【０００４】
円錐形状の頂角の測定装置としてはリンニク（Ｌｉｎｎｉｋ）顕微干渉光学系（計量研究所報告 Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，８７ｐ）等が知られており、この装置により参照平面と円錐の母線との干渉縞に基づいて頂角を求めている。
【０００５】
先端球面の曲率半径の測定に関しては、干渉計を用いた方法以外に、例えば計量研究所報告（ Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，７９ｐ ）に示されている顕微コリメータ法が知られている。顕微コリメータ法は、球面の先端と曲率中心とに光源の像を結像した場合に観察される光量がピークになることを利用したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のダイアモンド圧子の測定においては曲率半径と円錐形状の頂角の測定に対してそれぞれ別個の装置を使用しなければならなかった。それゆえ、測定毎に新たにダイアモンド圧子を各々の装置にセッティングしなければならないこと、また、測定毎にそのセッティング誤差を評価しなければならない等、段取りや測定にかなりの時間を要するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は被検体の表面性状の測定を効率よく行う表面性状測定器を提供することにある。
【０００８】
また別の目的は、硬度測定に用いられる圧子の表面性状測定に適した表面性状測定器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明は曲率を有する表面を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、 前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば本発明に係る表面性状測定器により被検体の表面性状を測定できるとともに曲率を有する被検体の曲率部分の曲率半径を測定できる。さらに、被検体のセッティングに係る誤差、光学系の部品点数等を軽減でき、曲率半径測定と表面性状測定を独立して行うことができる。
【００１１】
ここで、曲率を有する表面とは被検体の表面の一部で近似的に球面の一部とみなせるものをいう。また表面性状とは、被検体の表面の粗さ、うねり、形状等の表面に関する情報を意味する。
【００１３】
また、望ましくは前記参照体は参照体切換手段により切換可能な複数の参照体を含むことを特徴とする。上記構成によれば、測定する被検体の表面性状に応じて参照体を切換えることにより高精度の測定ができる。
【００１５】
また、望ましくは前記被検体は円錐形状を備え、 前記被検体は照射光の光軸に直交する軸を中心として回転可能であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から、照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度まで回転可能に設置されている。上記構成によれば、被検体を回転することができるので、被検体の表面の広い範囲に対して表面性状を測定できる。
【００１６】
また、望ましくは前記表面性状測定部は前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定する。上記構成によれば前記円錐形状の頂角を測定することができる。
【００１７】
さらに望ましくは、前記被検体は、前記円錐形状の軸を中心軸として回転可能に設置されている。
【００１８】
本発明の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を含み、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に応じて前記円錐形状の頂角を測定することを特徴とする。
【００１９】
本発明の別の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、 光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、を含み、前記参照体は参照体切換部により切換可能な参照平面と参照球とを備え、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう前記参照平面との干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定し、且つ前記参照球との干渉縞に基づいて前記球面形状の一部の表面性状を測定することを特徴とする。
【００２０】
本発明の別の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、を含み、前記参照体は参照体切換部により切換可能な参照平面と参照球とを備え、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転にともなう前記参照平面との干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定し、且つ前記参照球との干渉縞に基づいて前記球面形状の一部の表面性状を測定することを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備えた被検体の先端部の曲率半径の表面性状と円錐形状の頂角を測定することができる。
【００２２】
さらに望ましくは、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を更に含むことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。本実施形態に係る表面性状測定器は、被検体として用いられるロックウエルダイアモンド圧子の円錐形状の先端部分の曲率半径、先端部分の表面性状、及び円錐形状の頂角を測定する目的に使用される。
【００２４】
図１は、集光光学系である顕微コリメータ光学系を使用して、ロックウエルダイアモンド圧子の先端部分の曲率半径を測定する場合の表面性状測定器１０の構成図である。
【００２５】
まず、ピンホール１２からの出射光は被検体側対物レンズ１４によって集光されダイアモンド圧子１６の先端部１７に照射される。
【００２６】
ピンホール１２からの出射光は前段に設けられた光ファイバ１８からのものであり、光ファイバ１８による光は光アイソレータ１９を挟むレンズ２０、２２により集光され、その後、回転拡散板２４により拡散される。光アイソレータ１９は偏光板１９ａとλ／４波長板１９ｂとから構成されており、光アイソレータ１９を回転させることにより光量の調節が行える。また回転拡散板２４は干渉ノイズ軽減のために設けられる。拡散された光はレンズ２６、２８によってピンホール１２に集光され、その後、レンズ３０により平行光束となりビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２により反射された光束は被検体側対物レンズ１４によってダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。
【００２７】
次に、ダイアモンド圧子１６の先端部１７により反射された光は、被検体側対物レンズ１４に戻り、レンズ３６によりフォトセンサ４２に集光され、更にレンズ３８、４０によりＣＣＤカメラ４４に集光される。
【００２８】
その際、被検体側対物レンズ１４からの光束はビームスプリッタ４６により分割され、一方はレンズ３６によってピンホール４８に集光された後、フォトセンサ４２にて検出される。検出光は電気信号に変化され解析部５０（図８参照）に送られる。分割されたもう一方の光束はレンズ３８及びレンズ４０により集光されＣＣＤカメラ４４にて測定される。
【００２９】
図２（ａ）はダイアモンド圧子１６の側面図であり、図２（ｂ）はダイアモンド圧子１６の先端部１７の一部（図２（ａ）点線囲部）を拡大した図である。先端部１７は円錐形状を備え、その先端部１７ａは所定の曲率半径をもつ球面の一部となるように加工されている。円錐形状の頂角は略１２０°であり、曲率半径は略０．２ｍｍである。
【００３０】
図１にもどって、ダイアモンド圧子１６はインチワームモータ５２により被検体への照射光の光軸方向に並進移動（図１中矢印方向参照）可能である。図３はダイアモンド圧子の並進移動にともない、フォトセンサ４２で検出される光量が変化することを示した図である。図３（ａ）において、縦軸はダイアモンド圧子１６の頂点１７ｂ（図２（ｂ）参照）の位置を、横軸はフォトセンサ４２が検出する光の強度を表わす。図３（ｂ）は被検体側対物レンズ１４により集光された光がダイアモンド圧子１６の先端部１７ａに結像される様子が示されている。照射光が被検体側対物レンズ１４内部のレンズ１４ａにより、ダイアモンド圧子１６の頂点１７ｂに結像する配置の場合（図３（ａ）中、Ｘ１の位置に頂点１７ｂがある場合）、頂点１７ｂで反射された光は、先端部が理想的な球面形状であると仮定すると全てレンズ１４ａに戻るため、フォトセンサ４２により観測される光強度はその位置で極大となり、第一のピークＰ１として現れる（図３（ａ）参照）。次に、ダイアモンド圧子１６をレンズ１４ａ側に向けて移動すると（図３（ｂ）矢印参照）、光の強度は一旦減少するが極小点を経た後、再び上昇し始め、照射光が曲率中心１７ｃで結像する配置（図３（ａ）中、Ｘ２の位置に頂点１７ｂがある場合）において第二のピークＰ２を持つ（図３（ａ）参照）。これは、レンズ１４ａから入射してきた光線が入射方向と逆向きに反射（正反射）されるためである。
【００３１】
ピークＰ１とＰ２間の距離を図１のリニアエンコーダ５４を使用して精密測定することにより、先端部１７ａの曲率半径の値を測定することができる。
【００３２】
図１にもどって、虹彩絞り５６は可変であり、ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの曲率を有する部分の大きさに応じて開口数を調整することが可能であり、本実施形態においては最大０．６５に設定可能である。
【００３３】
また、ビームスプリッタ３２により分割された光のうち参照体側対物レンズ５８に向かう光束はシャッタ６０により遮光されている。また、シャッタ６０は入射する光束が反射されて被検体側対物レンズ１４からの光束と干渉しない様に吸収効率の高い材質で構成される。後述するように、干渉光学系により圧子の表面性状を測定する場合は、このシャッタ６０は開いて使用される。
【００３４】
すなわち、シャッタ６０は曲率半径測定用の集光光学系と表面性状測定用の干渉光学系の測定を切換える役割の一部を果たしている。
【００３５】
図４は、参照球面を利用したリンニク顕微干渉光学系を使用して、ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの表面性状を測定する場合の表面性状測定器１０の構成を示す。
【００３６】
図中鎖線で囲まれた部分は、曲率半径測定に使用された光学機器のうち、表面性状測定には使用されないものである。測定方法を切換える際に、測定用途に応じて光学機器の配置を変更すること、また前述のシャッタ６０の開閉等の操作は手作業で行ってもよいし、新たに切換操作を制御する機構を設けてもよい。
【００３７】
なお、干渉光学系においては、シャッタ６０はすべて開いた状態で使用される。
【００３８】
光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程の説明は図１の説明箇所と重複するので省略する。
【００３９】
ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、その後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射し、ダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照球の表面上に集光される。
【００４０】
ダイアモンド圧子１６の先端部１７への照射光は被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照球への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束はレンズ６２、６４を通過した後、それらによる干渉縞がＣＣＤカメラ４４により観測される。
【００４１】
図５（ａ）には参照体６６の側面図が示されており、図５（ｂ）には参照体６６の正面図が示されている。本実施形態においては参照体６６は平行平面基盤６８に参照球７０を密着したものが使用される。平行平面基盤６８における参照球７０の取付側の平面は、後述するようにダイアモンド圧子１６における先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合に参照平面７２として使用される。ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの曲率半径と参照球７０の曲率半径とがわずかに異なれば、曲率半径の違いに対応した干渉縞がＣＣＤカメラ４４にて観測される。干渉縞を利用して表面性状を測定する方法としては、フリンジスキャン法（縞走査干渉法）が知られており、この方法は、図４に示すようにＰＺＴ７４により参照体６６を照射光軸方向に微少振動させ、それにともなう干渉縞の変化を利用し、先端部１７ａの表面性状を計測するものである。
【００４２】
ＣＣＤカメラ４４で検出された表面性状のデータを解析部５０（図８参照）で解析することにより、例えば先端部１７ａの表面のうねり等の表面情報、先端部１７ａの各点の曲率等を知ることができる。また、解析部５０は各点の曲率に基づいて平均曲率を算出してもよい。
【００４３】
図６は、参照平面７２を利用したリンニク顕微干渉光学系を使用して、先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合の表面性状測定器１０の構成を示す。
【００４４】
図中鎖線で囲まれた部分は、前述の参照球７０を用いた表面性状測定に使用されたもので円錐形状の頂角の測定では使用されない光学機器を示す。測定の切換操作は手作業で行ってもよいし、新たに切換操作を制御する機構を設けてもよい。
【００４５】
光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程の説明は図１の説明箇所と重複するので省略する。
【００４６】
ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、レンズ３１により光束を適宜集光した後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射しダイアモンド圧子１６の先端部１７の円錐形状の母線部１７ｄ（図２（ｂ）参照）に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照平面７２に集光される。
【００４７】
参照体位置調整機構８８（図８参照）によって、照射対象として参照球７０または参照平面７２を選択することができ、参照体選択は参照体６６を照射光軸と交差する方向に移動する手段により行う。
【００４８】
また、ダイアモンド圧子１６は、圧子位置調整機構８６により、照射光軸に直交する軸を中心として回転することができる。従って、先端部１７ａが照射されている配置から円錐形状の母線部１７ｄが照射されるような配置に円滑に移行できる。それゆえ、測定毎にセッティングする煩雑さを軽減できる。
【００４９】
ダイアモンド圧子１６の母線部１７ｄへの照射光は被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照平面７２への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。
【００５０】
ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束はレンズ３８、４０を通過した後、それらによる干渉縞がＣＣＤカメラ４４により観測される。
【００５１】
ＣＣＤカメラ４４において観測される干渉縞は図７（計量研究所報告Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４ 第８９頁）に示す様な細長い形状である。干渉縞の延びている方向に等間隔目盛が付されており、干渉縞の長さが測定できる。
【００５２】
ダイアモンド圧子１６を回転させ、前述の干渉縞が最も長くなる位置、すなわち照射光軸と母線部１７ｄのなす角度が略垂直になったときの配置をまず基点とする。次に、先ほどの回転方向とは逆にダイアモンド圧子１６を回転させ、基点で観測される干渉縞と同様に、干渉縞が最も長くなるような配置を終点として、基点から終点までの回転角をロータリエンコーダ８０を使って読み取る。その回転角に基づいて円錐形状の頂角が求められる。終点での配置は照射光軸と母線部１７ｅ（図２（ｂ）参照）のなす角度が略垂直になった場合に対応する。
【００５３】
なお、ダイアモンド圧子１６は、その軸（図２（ａ）における一点鎖線）を中心として回軸可能とされており、その角度は圧子位置調整機構８６によって、任意角度に回転させて支持できるようになっている。これによって、円錐形状の母線部測定にあたって、ダイアモンド圧子軸回りの任意角度における母線部の測定が行える。
【００５４】
図８は本実施形態に係る解析部５０及び位置制御部８２の概念図である。
【００５５】
解析部５０はフォトセンサ４２、ＣＣＤカメラ４４、位置制御部８２及び表示装置８４に接続されており、フォトセンサ４２からの光強度信号、ＣＣＤカメラ４４により検出された干渉縞の画像情報等を入力し、例えば、光信号の強度変化、干渉縞の画像等を表示装置８４に表示する。
【００５６】
位置制御部８２は圧子位置調整機構８６及び参照体位置調整機構８８に接続されている。参照体位置調整機構８８は参照体６６の位置を調整するものである。ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの表面性状測定と円錐形状の頂角の測定とに対する測定切換に対応して、参照球７０及び参照平面７２の切換操作が行われるが、この切換操作は参照体位置調整機構８８を介して位置制御部８２で行われる。また、先端部１７ｂの表面性状を測定する際に参照体を微少振動させる機構であるＰＺＴ７４も参照体位置調整機構８８に含まれ、位置制御部８２によってその運動が制御されている。
【００５７】
圧子位置調整機構８６はダイアモンド圧子１６の位置を調整するものであり、次に挙げる４つの機能を有する。（１）照射光軸に対して直交方向の面内（以下、直交面内）に移動する機構で、それらは更に粗動機構と微動機構とからなる。本実施形態においては粗動機構は可動範囲が５ｍｍであり、微動機構の可動範囲は２０μｍである。 微動機構は圧電素子が使用されており、位置制御部８２はそれらにより０．０１μｍの分解能で直交面内の移動を制御できる。（２）照射光軸方向に並進移動する機構で、本実施形態においてはインチワームモータ５２を使用している。位置制御部８２はインチワームモータ５２により圧子の位置を分解能０．０１μｍで制御できる。また、圧子の曲率半径測定する場合、解析部５０はフォトセンサ４２の光量の情報に基づいて、ダイアモンド圧子を自動的に移動するよう圧子位置調整機構８６を制御できる。（３）圧子軸を中心としてダイアモンド圧子１６を回転することができ、圧子表面の任意の母線に対し光を照射することができる。（４）照射光軸に直交する軸を中心としてダイアモンド圧子１６を回転することができ、本実施形態においては照射光軸に対して±３０°回転することができる。したがって、上述のように円錐形状の母線部と参照平面との干渉縞から円錐形状の頂角を測定することができる。また、曲率をもつ先端部１７ａと円錐形状の母線との境界部分の表面性状も参照体６６との干渉縞に基づいて測定することができる。
【００５８】
リニアエンコーダ５４は照射光軸方向の移動距離を、ロータリエンコーダ８０は照射光軸に直交する軸を中心として回転させたときの回転角度を読み取るために使用されるが、これらの読取情報を信号として位置制御部８２に入力してもよい。そうすれば、解析部５０は位置制御部８２を介して得たそれらの情報を表示装置８４に出力することができる。
【００５９】
また、解析部５０はダイアモンド圧子の位置と光信号の強度の相関を示すグラフ（図３（ａ）参照）、ＣＣＤカメラ４４からの干渉縞の位相情報データに基づいて解析した先端部１７の曲率半径、表面性状及び円錐形状の頂角等を表示装置８４に出力することができる。
【００６０】
本実施形態においては解析部５０と位置制御部８２は独立に設けられているが一体として構成してもよい。
【００６１】
本実施形態においてはダイアモンド圧子１６に照射される光の光軸が、曲率半径を測定する集光光学系のものと先端部１７ａの表面性状及び円錐形状の頂角を測定する干渉光学系のものと一致しているので、測定を連続して行う場合、一つの測定から次の測定に移行する際のセッティングに要する時間を大幅に短縮できる。
【００６２】
また、測定に応じて光源を変更してもよい。被検体の表面性状のうち、粗さなどスケールが非常に小さい構造を測定する場合、目的に応じて波長及びコヒーレンスの程度が異なった光源を集光／干渉光学系それぞれ独立に用意してもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば被検体の表面性状の測定を効率よく行う表面性状測定器を提供することができる。また硬度測定に用いられる圧子の表面性状に適した表面性状測定器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイアモンド圧子の先端部の曲率半怪を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定器の構成を示す図である。
【図２】ダイアモンド圧子の形状を示す図である。
【図３】ダイアモンド圧子の先端部の位置とフォトセンサにより検出された光の強度の関係を示す図である。
【図４】ダイアモンド圧子の先端部の表面性状を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定器の構成を示す図である。
【図５】参照体の形状を示す図である。
【図６】ダイアモンド圧子の円錐形状の頂角を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定の構成を示す図である。
【図７】参照平面を使用した場合の干渉縞を示す図である。
【図８】位置制御部と解析部とを示す図である。
【符号の説明】
１８ 光ファイバ、１４ 被検体側対物レンズ、１６ ダイアモンド圧子、１７ 先端部、３６、３８、４０ レンズ、４２ フォトセンサ、４４ ＣＣＤカメラ、５２ インチワームモータ、５４ リニアエンコーダ、５８ 参照体側対物レンズ、６６ 参照体、７４ ＰＺＴ、８０ ロータリエンコーダ。
【発明の属する技術分野】
本発明は表面性状測定器に関し、特に曲率を有する表面を備えた被検体の表面性状を測定する表面性状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検体表面の粗さ、うねり、形状等の表面性状を測定するために様々な光学機器が利用されている。代表的なものは、着目している被検体の表面部分に対して参照面を用意し、前記表面部分と参照面からの反射光により生成される干渉縞により着目している被検体の表面性状を測定するものである。
【０００３】
一例として、機械部品等の硬度測定に使用されるダイアモンド圧子の形状測定があげられる。ロックウエル硬さ試験機はダイアモンド圧子を試験体に押し込み、そのくぼみの深さにより試験体の硬度を測定するものである。圧入されるダイアモンド圧子の形状は頂角１２０°の円錐形状で、その先端部分を曲率半径０．２ｍｍの球面に加工したものが使用される。しかしながら、円錐形状の頂角及び曲率半径の誤差は硬度測定の結果に大きく影響するため、硬度測定を行う前にそれらの誤差を正確に見積もる必要がある。
【０００４】
円錐形状の頂角の測定装置としてはリンニク（Ｌｉｎｎｉｋ）顕微干渉光学系（計量研究所報告 Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，８７ｐ）等が知られており、この装置により参照平面と円錐の母線との干渉縞に基づいて頂角を求めている。
【０００５】
先端球面の曲率半径の測定に関しては、干渉計を用いた方法以外に、例えば計量研究所報告（ Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，７９ｐ ）に示されている顕微コリメータ法が知られている。顕微コリメータ法は、球面の先端と曲率中心とに光源の像を結像した場合に観察される光量がピークになることを利用したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のダイアモンド圧子の測定においては曲率半径と円錐形状の頂角の測定に対してそれぞれ別個の装置を使用しなければならなかった。それゆえ、測定毎に新たにダイアモンド圧子を各々の装置にセッティングしなければならないこと、また、測定毎にそのセッティング誤差を評価しなければならない等、段取りや測定にかなりの時間を要するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は被検体の表面性状の測定を効率よく行う表面性状測定器を提供することにある。
【０００８】
また別の目的は、硬度測定に用いられる圧子の表面性状測定に適した表面性状測定器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明は曲率を有する表面を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、 前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば本発明に係る表面性状測定器により被検体の表面性状を測定できるとともに曲率を有する被検体の曲率部分の曲率半径を測定できる。さらに、被検体のセッティングに係る誤差、光学系の部品点数等を軽減でき、曲率半径測定と表面性状測定を独立して行うことができる。
【００１１】
ここで、曲率を有する表面とは被検体の表面の一部で近似的に球面の一部とみなせるものをいう。また表面性状とは、被検体の表面の粗さ、うねり、形状等の表面に関する情報を意味する。
【００１３】
また、望ましくは前記参照体は参照体切換手段により切換可能な複数の参照体を含むことを特徴とする。上記構成によれば、測定する被検体の表面性状に応じて参照体を切換えることにより高精度の測定ができる。
【００１５】
また、望ましくは前記被検体は円錐形状を備え、 前記被検体は照射光の光軸に直交する軸を中心として回転可能であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から、照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度まで回転可能に設置されている。上記構成によれば、被検体を回転することができるので、被検体の表面の広い範囲に対して表面性状を測定できる。
【００１６】
また、望ましくは前記表面性状測定部は前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定する。上記構成によれば前記円錐形状の頂角を測定することができる。
【００１７】
さらに望ましくは、前記被検体は、前記円錐形状の軸を中心軸として回転可能に設置されている。
【００１８】
本発明の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を含み、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に応じて前記円錐形状の頂角を測定することを特徴とする。
【００１９】
本発明の別の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、 光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、を含み、前記参照体は参照体切換部により切換可能な参照平面と参照球とを備え、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう前記参照平面との干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定し、且つ前記参照球との干渉縞に基づいて前記球面形状の一部の表面性状を測定することを特徴とする。
【００２０】
本発明の別の一態様では先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、を含み、前記参照体は参照体切換部により切換可能な参照平面と参照球とを備え、前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転にともなう前記参照平面との干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定し、且つ前記参照球との干渉縞に基づいて前記球面形状の一部の表面性状を測定することを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備えた被検体の先端部の曲率半径の表面性状と円錐形状の頂角を測定することができる。
【００２２】
さらに望ましくは、前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、を更に含むことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。本実施形態に係る表面性状測定器は、被検体として用いられるロックウエルダイアモンド圧子の円錐形状の先端部分の曲率半径、先端部分の表面性状、及び円錐形状の頂角を測定する目的に使用される。
【００２４】
図１は、集光光学系である顕微コリメータ光学系を使用して、ロックウエルダイアモンド圧子の先端部分の曲率半径を測定する場合の表面性状測定器１０の構成図である。
【００２５】
まず、ピンホール１２からの出射光は被検体側対物レンズ１４によって集光されダイアモンド圧子１６の先端部１７に照射される。
【００２６】
ピンホール１２からの出射光は前段に設けられた光ファイバ１８からのものであり、光ファイバ１８による光は光アイソレータ１９を挟むレンズ２０、２２により集光され、その後、回転拡散板２４により拡散される。光アイソレータ１９は偏光板１９ａとλ／４波長板１９ｂとから構成されており、光アイソレータ１９を回転させることにより光量の調節が行える。また回転拡散板２４は干渉ノイズ軽減のために設けられる。拡散された光はレンズ２６、２８によってピンホール１２に集光され、その後、レンズ３０により平行光束となりビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２により反射された光束は被検体側対物レンズ１４によってダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。
【００２７】
次に、ダイアモンド圧子１６の先端部１７により反射された光は、被検体側対物レンズ１４に戻り、レンズ３６によりフォトセンサ４２に集光され、更にレンズ３８、４０によりＣＣＤカメラ４４に集光される。
【００２８】
その際、被検体側対物レンズ１４からの光束はビームスプリッタ４６により分割され、一方はレンズ３６によってピンホール４８に集光された後、フォトセンサ４２にて検出される。検出光は電気信号に変化され解析部５０（図８参照）に送られる。分割されたもう一方の光束はレンズ３８及びレンズ４０により集光されＣＣＤカメラ４４にて測定される。
【００２９】
図２（ａ）はダイアモンド圧子１６の側面図であり、図２（ｂ）はダイアモンド圧子１６の先端部１７の一部（図２（ａ）点線囲部）を拡大した図である。先端部１７は円錐形状を備え、その先端部１７ａは所定の曲率半径をもつ球面の一部となるように加工されている。円錐形状の頂角は略１２０°であり、曲率半径は略０．２ｍｍである。
【００３０】
図１にもどって、ダイアモンド圧子１６はインチワームモータ５２により被検体への照射光の光軸方向に並進移動（図１中矢印方向参照）可能である。図３はダイアモンド圧子の並進移動にともない、フォトセンサ４２で検出される光量が変化することを示した図である。図３（ａ）において、縦軸はダイアモンド圧子１６の頂点１７ｂ（図２（ｂ）参照）の位置を、横軸はフォトセンサ４２が検出する光の強度を表わす。図３（ｂ）は被検体側対物レンズ１４により集光された光がダイアモンド圧子１６の先端部１７ａに結像される様子が示されている。照射光が被検体側対物レンズ１４内部のレンズ１４ａにより、ダイアモンド圧子１６の頂点１７ｂに結像する配置の場合（図３（ａ）中、Ｘ１の位置に頂点１７ｂがある場合）、頂点１７ｂで反射された光は、先端部が理想的な球面形状であると仮定すると全てレンズ１４ａに戻るため、フォトセンサ４２により観測される光強度はその位置で極大となり、第一のピークＰ１として現れる（図３（ａ）参照）。次に、ダイアモンド圧子１６をレンズ１４ａ側に向けて移動すると（図３（ｂ）矢印参照）、光の強度は一旦減少するが極小点を経た後、再び上昇し始め、照射光が曲率中心１７ｃで結像する配置（図３（ａ）中、Ｘ２の位置に頂点１７ｂがある場合）において第二のピークＰ２を持つ（図３（ａ）参照）。これは、レンズ１４ａから入射してきた光線が入射方向と逆向きに反射（正反射）されるためである。
【００３１】
ピークＰ１とＰ２間の距離を図１のリニアエンコーダ５４を使用して精密測定することにより、先端部１７ａの曲率半径の値を測定することができる。
【００３２】
図１にもどって、虹彩絞り５６は可変であり、ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの曲率を有する部分の大きさに応じて開口数を調整することが可能であり、本実施形態においては最大０．６５に設定可能である。
【００３３】
また、ビームスプリッタ３２により分割された光のうち参照体側対物レンズ５８に向かう光束はシャッタ６０により遮光されている。また、シャッタ６０は入射する光束が反射されて被検体側対物レンズ１４からの光束と干渉しない様に吸収効率の高い材質で構成される。後述するように、干渉光学系により圧子の表面性状を測定する場合は、このシャッタ６０は開いて使用される。
【００３４】
すなわち、シャッタ６０は曲率半径測定用の集光光学系と表面性状測定用の干渉光学系の測定を切換える役割の一部を果たしている。
【００３５】
図４は、参照球面を利用したリンニク顕微干渉光学系を使用して、ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの表面性状を測定する場合の表面性状測定器１０の構成を示す。
【００３６】
図中鎖線で囲まれた部分は、曲率半径測定に使用された光学機器のうち、表面性状測定には使用されないものである。測定方法を切換える際に、測定用途に応じて光学機器の配置を変更すること、また前述のシャッタ６０の開閉等の操作は手作業で行ってもよいし、新たに切換操作を制御する機構を設けてもよい。
【００３７】
なお、干渉光学系においては、シャッタ６０はすべて開いた状態で使用される。
【００３８】
光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程の説明は図１の説明箇所と重複するので省略する。
【００３９】
ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、その後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射し、ダイアモンド圧子１６の先端部１７に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照球の表面上に集光される。
【００４０】
ダイアモンド圧子１６の先端部１７への照射光は被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照球への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束はレンズ６２、６４を通過した後、それらによる干渉縞がＣＣＤカメラ４４により観測される。
【００４１】
図５（ａ）には参照体６６の側面図が示されており、図５（ｂ）には参照体６６の正面図が示されている。本実施形態においては参照体６６は平行平面基盤６８に参照球７０を密着したものが使用される。平行平面基盤６８における参照球７０の取付側の平面は、後述するようにダイアモンド圧子１６における先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合に参照平面７２として使用される。ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの曲率半径と参照球７０の曲率半径とがわずかに異なれば、曲率半径の違いに対応した干渉縞がＣＣＤカメラ４４にて観測される。干渉縞を利用して表面性状を測定する方法としては、フリンジスキャン法（縞走査干渉法）が知られており、この方法は、図４に示すようにＰＺＴ７４により参照体６６を照射光軸方向に微少振動させ、それにともなう干渉縞の変化を利用し、先端部１７ａの表面性状を計測するものである。
【００４２】
ＣＣＤカメラ４４で検出された表面性状のデータを解析部５０（図８参照）で解析することにより、例えば先端部１７ａの表面のうねり等の表面情報、先端部１７ａの各点の曲率等を知ることができる。また、解析部５０は各点の曲率に基づいて平均曲率を算出してもよい。
【００４３】
図６は、参照平面７２を利用したリンニク顕微干渉光学系を使用して、先端部１７の円錐形状の頂角を測定する場合の表面性状測定器１０の構成を示す。
【００４４】
図中鎖線で囲まれた部分は、前述の参照球７０を用いた表面性状測定に使用されたもので円錐形状の頂角の測定では使用されない光学機器を示す。測定の切換操作は手作業で行ってもよいし、新たに切換操作を制御する機構を設けてもよい。
【００４５】
光ファイバ１８による光がピンホール１２に集束されるまでの過程の説明は図１の説明箇所と重複するので省略する。
【００４６】
ピンホール１２に集光された光はレンズ３０により平行光束となり、レンズ３１により光束を適宜集光した後、ビームスプリッタ３２により二つの光束に分割される。一方は被検体側対物レンズ１４に入射しダイアモンド圧子１６の先端部１７の円錐形状の母線部１７ｄ（図２（ｂ）参照）に集光される。他方は参照体側対物レンズ５８に入射し参照平面７２に集光される。
【００４７】
参照体位置調整機構８８（図８参照）によって、照射対象として参照球７０または参照平面７２を選択することができ、参照体選択は参照体６６を照射光軸と交差する方向に移動する手段により行う。
【００４８】
また、ダイアモンド圧子１６は、圧子位置調整機構８６により、照射光軸に直交する軸を中心として回転することができる。従って、先端部１７ａが照射されている配置から円錐形状の母線部１７ｄが照射されるような配置に円滑に移行できる。それゆえ、測定毎にセッティングする煩雑さを軽減できる。
【００４９】
ダイアモンド圧子１６の母線部１７ｄへの照射光は被検体側対物レンズ１４側へ反射され、参照平面７２への照射光は参照体側対物レンズ５８側へ反射される。
【００５０】
ビームスプリッタ３２を通過した被検体側対物レンズ１４からの光束と、ビームスプリッタ３２により反射された参照体側対物レンズ５８からの光束はレンズ３８、４０を通過した後、それらによる干渉縞がＣＣＤカメラ４４により観測される。
【００５１】
ＣＣＤカメラ４４において観測される干渉縞は図７（計量研究所報告Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４ 第８９頁）に示す様な細長い形状である。干渉縞の延びている方向に等間隔目盛が付されており、干渉縞の長さが測定できる。
【００５２】
ダイアモンド圧子１６を回転させ、前述の干渉縞が最も長くなる位置、すなわち照射光軸と母線部１７ｄのなす角度が略垂直になったときの配置をまず基点とする。次に、先ほどの回転方向とは逆にダイアモンド圧子１６を回転させ、基点で観測される干渉縞と同様に、干渉縞が最も長くなるような配置を終点として、基点から終点までの回転角をロータリエンコーダ８０を使って読み取る。その回転角に基づいて円錐形状の頂角が求められる。終点での配置は照射光軸と母線部１７ｅ（図２（ｂ）参照）のなす角度が略垂直になった場合に対応する。
【００５３】
なお、ダイアモンド圧子１６は、その軸（図２（ａ）における一点鎖線）を中心として回軸可能とされており、その角度は圧子位置調整機構８６によって、任意角度に回転させて支持できるようになっている。これによって、円錐形状の母線部測定にあたって、ダイアモンド圧子軸回りの任意角度における母線部の測定が行える。
【００５４】
図８は本実施形態に係る解析部５０及び位置制御部８２の概念図である。
【００５５】
解析部５０はフォトセンサ４２、ＣＣＤカメラ４４、位置制御部８２及び表示装置８４に接続されており、フォトセンサ４２からの光強度信号、ＣＣＤカメラ４４により検出された干渉縞の画像情報等を入力し、例えば、光信号の強度変化、干渉縞の画像等を表示装置８４に表示する。
【００５６】
位置制御部８２は圧子位置調整機構８６及び参照体位置調整機構８８に接続されている。参照体位置調整機構８８は参照体６６の位置を調整するものである。ダイアモンド圧子１６の先端部１７ａの表面性状測定と円錐形状の頂角の測定とに対する測定切換に対応して、参照球７０及び参照平面７２の切換操作が行われるが、この切換操作は参照体位置調整機構８８を介して位置制御部８２で行われる。また、先端部１７ｂの表面性状を測定する際に参照体を微少振動させる機構であるＰＺＴ７４も参照体位置調整機構８８に含まれ、位置制御部８２によってその運動が制御されている。
【００５７】
圧子位置調整機構８６はダイアモンド圧子１６の位置を調整するものであり、次に挙げる４つの機能を有する。（１）照射光軸に対して直交方向の面内（以下、直交面内）に移動する機構で、それらは更に粗動機構と微動機構とからなる。本実施形態においては粗動機構は可動範囲が５ｍｍであり、微動機構の可動範囲は２０μｍである。 微動機構は圧電素子が使用されており、位置制御部８２はそれらにより０．０１μｍの分解能で直交面内の移動を制御できる。（２）照射光軸方向に並進移動する機構で、本実施形態においてはインチワームモータ５２を使用している。位置制御部８２はインチワームモータ５２により圧子の位置を分解能０．０１μｍで制御できる。また、圧子の曲率半径測定する場合、解析部５０はフォトセンサ４２の光量の情報に基づいて、ダイアモンド圧子を自動的に移動するよう圧子位置調整機構８６を制御できる。（３）圧子軸を中心としてダイアモンド圧子１６を回転することができ、圧子表面の任意の母線に対し光を照射することができる。（４）照射光軸に直交する軸を中心としてダイアモンド圧子１６を回転することができ、本実施形態においては照射光軸に対して±３０°回転することができる。したがって、上述のように円錐形状の母線部と参照平面との干渉縞から円錐形状の頂角を測定することができる。また、曲率をもつ先端部１７ａと円錐形状の母線との境界部分の表面性状も参照体６６との干渉縞に基づいて測定することができる。
【００５８】
リニアエンコーダ５４は照射光軸方向の移動距離を、ロータリエンコーダ８０は照射光軸に直交する軸を中心として回転させたときの回転角度を読み取るために使用されるが、これらの読取情報を信号として位置制御部８２に入力してもよい。そうすれば、解析部５０は位置制御部８２を介して得たそれらの情報を表示装置８４に出力することができる。
【００５９】
また、解析部５０はダイアモンド圧子の位置と光信号の強度の相関を示すグラフ（図３（ａ）参照）、ＣＣＤカメラ４４からの干渉縞の位相情報データに基づいて解析した先端部１７の曲率半径、表面性状及び円錐形状の頂角等を表示装置８４に出力することができる。
【００６０】
本実施形態においては解析部５０と位置制御部８２は独立に設けられているが一体として構成してもよい。
【００６１】
本実施形態においてはダイアモンド圧子１６に照射される光の光軸が、曲率半径を測定する集光光学系のものと先端部１７ａの表面性状及び円錐形状の頂角を測定する干渉光学系のものと一致しているので、測定を連続して行う場合、一つの測定から次の測定に移行する際のセッティングに要する時間を大幅に短縮できる。
【００６２】
また、測定に応じて光源を変更してもよい。被検体の表面性状のうち、粗さなどスケールが非常に小さい構造を測定する場合、目的に応じて波長及びコヒーレンスの程度が異なった光源を集光／干渉光学系それぞれ独立に用意してもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば被検体の表面性状の測定を効率よく行う表面性状測定器を提供することができる。また硬度測定に用いられる圧子の表面性状に適した表面性状測定器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイアモンド圧子の先端部の曲率半怪を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定器の構成を示す図である。
【図２】ダイアモンド圧子の形状を示す図である。
【図３】ダイアモンド圧子の先端部の位置とフォトセンサにより検出された光の強度の関係を示す図である。
【図４】ダイアモンド圧子の先端部の表面性状を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定器の構成を示す図である。
【図５】参照体の形状を示す図である。
【図６】ダイアモンド圧子の円錐形状の頂角を測定する場合の本発明の実施形態に係る表面性状測定の構成を示す図である。
【図７】参照平面を使用した場合の干渉縞を示す図である。
【図８】位置制御部と解析部とを示す図である。
【符号の説明】
１８ 光ファイバ、１４ 被検体側対物レンズ、１６ ダイアモンド圧子、１７ 先端部、３６、３８、４０ レンズ、４２ フォトセンサ、４４ ＣＣＤカメラ、５２ インチワームモータ、５４ リニアエンコーダ、５８ 参照体側対物レンズ、６６ 参照体、７４ ＰＺＴ、８０ ロータリエンコーダ。
Claims (8)
- 曲率を有する表面を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、
光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、
前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、
前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、
前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、
前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、
を含むことを特徴とする表面性状測定器 - 請求項１記載の測定器において、
前記参照体は参照体切換手段により切換可能な複数の参照体を含むことを特徴とする表面性状測定器。 - 請求項１記載の測定器において、
前記被検体は円錐形状を備え、
前記被検体は照射光の光軸に直交する軸を中心として回転可能であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から、照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度まで回転可能に設置されていることを特徴とする表面性状測定器。 - 請求項３記載の測定器において、
前記表面性状測定部は前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定することを特徴とする表面性状測定器。 - 請求項３または４に記載の測定器において、
前記被検体は、前記円錐形状の軸を中心軸として回転可能に設置されていることを特徴とする表面性状測定器。 - 先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、
光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、
前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、
前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、
前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、
前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、
を含み、
前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう干渉縞の変化に応じて前記円錐形状の頂角を測定することを特徴とする表面性状測定器。 - 先端部が球面形状の一部を有し、基部に円錐形状を備え、移動可能に設置された被検体の表面性状を測定する表面性状測定器において、
光源からの光により照射された前記被検体と参照体からの各々の反射光により干渉縞を形成する干渉光学系と、
前記干渉縞に基づいて前記被検体の表面性状測定を行う表面性状測定部と、
を含み、
前記参照体は参照体切換部により切換可能な参照平面と参照球とを備え、
前記表面性状測定部は、前記被検体への照射光の光軸と直交する軸を中心とした前記被検体の回転であって、照射光軸と前記円錐形状の一方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度から照射光軸と前記円錐形状の他方の母線部とのなす角度が略垂直になる角度までの前記被検体の回転にともなう前記参照平面との干渉縞の変化に基づいて前記円錐形状の頂角を測定し、且つ前記参照球との干渉縞に基づいて前記球面形状の一部の表面性状を測定することを特徴とする表面性状測定器。 - 請求項７記載の測定器において、
前記干渉光学系における前記被検体への照射光路と同一の光路で、前記被検体に対して光を集光して照射し、前記被検体からの反射光をピンホールに通過させる集光光学系と、
前記被検体を、前記被検体へ照射した光の光軸方向に並進移動させて前記ピンホールを通過した反射光の光強度のピーク位置に基づいて前記被検体の曲率半径測定を行う曲率半径測定部と、
前記被検体の曲率半径測定と表面性状測定とを切換える測定切換部であって、曲率半径測定を行う際に前記参照体に向かう光を遮光する測定切替部と、
を更に含むことを特徴とする表面性状測定器。
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