JP5748414B2

JP5748414B2 - 円筒面の形状計測方法

Info

Publication number: JP5748414B2
Application number: JP2010090007A
Authority: JP
Inventors: 勇新田; 公夫小俣
Original assignee: Niigata University
Current assignee: Niigata University
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP2011220816A

Description

本発明は、円筒面の形状計測方法に関し、特にレーザ走査干渉を応用して円筒面の表面画像を得ることのできる円筒面の形状計測方法に関する。

従来のレーザ走査干渉計として、特許文献１に記載のものが知られている。このレーザ走査干渉計は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズに入射させ、該テレセントリックｆθレンズの焦点面近傍に近接配置した参照面及び被観察面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させ、該スリットを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測し、計測した光量信号をＡ／Ｄ変換して前記走査ミラーの角度に対応した時系列データとして演算手段に取り込んで配置することにより干渉波形を取得することができ、レーザ光による走査光で参照面と被観察面とを走査することから、走査するレーザ光の光点サイズでの分解能、例えば２万×１．６万ドットの約３億画素程度の分解能が得られる。したがって、受光部の分解能にとらわれずに高精細、高コントラストの干渉波形を得ることができる。これにより、横分解能を高めることができるので、高低差の急激な部分も、高低差が緩やかな部分も干渉波形として確実に検出することができる。さらに、参照面と被観察面とからの反射光を、テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させることにより、余分な反射光をカットしてピントの合った光だけが受光素子に受光されることから、横分解能の向上、高精細化、高コントラスト化を促進することができる、というものである。

特開２００８−３０９６６８号公報

しかし、上記の従来のレーザ走査干渉計は、参照面として用いる参照ガラスの面が平面であることから、測定対象が平面に限られ、測定対象が円筒面の場合には測定ができないという問題があった。また、円筒面をレーザ干渉により測定しようとする場合には、その円筒面の曲率にあった曲率を有した面を有する参照ガラスを測定の度に用意しなければならないため、レーザ走査干渉による円筒面の測定は現実的ではなかった。

なお、円筒面の形状測定には、通常、真円度計や３次元測定器が用いられるが、これらは測定プローブを被測定部に接触させなければならないために、測定手順が面倒であり、測定に長時間を要するという欠点があった。

そこで本発明は、レーザ走査干渉を用いて円筒面の形状を簡単に、かつ、短時間で測定することができ、同時に円筒面の表面画像を得ることのできる、円筒面の形状計測方法を提供することを目的とする。

本発明の円筒面の形状計測方法は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズに入射させ、該テレセントリックｆθレンズの焦点面近傍に近接配置した参照面及び被観察円筒面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測する円筒面の形状計測方法であって、前記被観察円筒面の母線上からの反射光と前記被観察円筒面のクラウニング形状に合わせた前記参照面からの反射光とが干渉する距離まで前記被観察円筒面上の走査光が走査する母線に前記参照面を近接させて前記走査光を前記被観察円筒面の母線方向に１回走査させる毎に前記走査光のスポット径に対応する量だけ前記被観察円筒面を有する被測定物をその円筒軸を中心に連続的に回転させながら前記被観察円筒面の全周面を計測することを特徴とする。

また、前記受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた前記被観察円筒面上の位置情報に基づいて、前記被観察円筒面の全周面について前記被観察円筒面上の凹凸の程度を強調した円筒形状の３次元画像を前記被観察円筒面の表面画像として作成して表示手段に表示することを特徴とする。

本発明の円筒面の形状計測方法によれば、参照面として平面を用いて、走査光を被観察円筒面の母線方向に走査させると同時に被観察円筒面を有する被測定物をその円筒軸を中心に連続的に回転させながら前記被観察円筒面の全周面を計測することにより、レーザ干渉を用いて円筒面を簡単に、かつ、短時間で計測することができる。

また、受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた被観察円筒面上の位置情報に基づいて、前記被観察円筒面の全周面について被観察円筒面上の凹凸の程度を強調した円筒形状の３次元画像を作成して表示手段に表示することにより、測定結果を視覚的に分かりやすく表示することができる。

本発明の円筒面の形状計測方法に用いられるレーザ走査干渉計の全体構成を示す概略図である。

以下、本発明の円筒面の形状計測方法の一実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。

本発明の円筒面の形状計測方法に用いられるレーザ走査干渉計の一例を示す図１において、１はレーザ光源であり、このレーザ光源１から出力されたレーザ光は、コリメータレンズ２により平行レーザ光束となり、この平行レーザ光束は、固定ミラー３により反射されて向きを変え、ビームスプリッタ４と１／４波長板５を通過し、モータ６によって回転する走査ミラー７に導かれるようになっている。そして、平行レーザ光束は、矢印Ａの向きに回転する走査ミラー７により反射されることによって走査光に変換され、テレセントリックｆθレンズ８を通過し、その焦点面近傍に近接配置された参照平面ガラス９の参照平面９ａ及び被測定物10の被観察円筒面10ａにて反射されるようになっている。ここで、走査ミラー７が矢印Ａの向きに回転すると、走査光は被観察円筒面10ａの母線に沿って、矢印Ｂの向きに走査するようになっている。また、被測定物10は、図示しない回転手段により、円筒軸10ｂを中心に矢印Ｃの向きに回転するようになっている。

参照平面９ａにて反射された反射光である参照光と、被観察円筒面10ａにて反射された反射光である測定光は、テレセントリックｆθレンズ８を通過して反射平行光束に変換され、走査ミラー７により反射され、１／４波長板５を通過して、ビームスプリッタ４に導かれるようになっている。そして、反射平行光束は、ビームスプリッタ４により反射されることによりレーザ光源１からのレーザ光と分岐され、結像レンズ11に入射して集光され、テレセントリックｆθレンズ８の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール板12のピンホール12ａを通過して、ホトマル等の受光素子13に入射するようになっている。

受光素子13は、入射した反射平行光束の光量を計測して光電変換を行い、光量に対応した光量信号をＡ／Ｄ変換ボード14へ送信し、Ａ／Ｄ変換ボード14は、この光量信号をＡ／Ｄ変換して演算手段15へ送信するようになっている。また、走査ミラー７を回転させるモータ６の動作、及び被測定物10の回転は、図示しない制御手段により制御され、走査ミラー７の回転角度及び被測定物10の回転角度の情報は制御手段から演算手段15へ送信されるようになっている。そして、演算手段15は、走査ミラー７の回転角度及び被測定物10の回転角度から光量信号が得られた被観察円筒面10ａ上の位置情報を算出し、光量信号とその位置情報に基づいて画像データを作成し、この画像データを表示手段16に出力するようになっている。なお、この画像データは、参照光及び測定光の干渉状態に応じた明暗を示すものとなる。

つぎに、上記のレーザ走査干渉計を用いた本発明の円筒面の形状計測方法について説明する。

被測定物10の円筒軸10ｂを図示しない回転手段に保持させ、被観察円筒面10ａに近接させて参照平面９ａを設置する。ここで、被観察円筒面10ａの母線上からの反射光である測定光と参照平面９ａからの反射光である参照光とが干渉する距離まで、被観察円筒面10ａ上の走査光が走査する母線に参照平面９ａを近接させる。なお、参照面の設置位置は、光学的に共役な位置であればよいので、この位置に限定されることはない。

図示しない制御手段に指令を与えて、レーザ光源１からのレーザ光を連続点灯又はパルス点灯させるとともに、モータ６を矢印Ａの向きに回転させる。これにより、走査光が被観察円筒面10ａの母線に沿って矢印Ｂの向きに走査され、参照平面９ａにて反射された参照光と、被観察円筒面10ａにて反射された測定光とが発生し、参照光と測定光の干渉が発生する。なお、レーザ光源１からのレーザ光をパルス点灯させた場合には、連続点灯させた場合と比較して、反射光のコントラストが上昇する。また、レーザ光源１からのレーザ光をパルス点灯させた場合には、狙った点のみにおいて参照光と測定光を干渉させることができる。

また、走査光が被観察円筒面10ａの母線を１回走査する毎に、走査光の走査方向である矢印Ｂに直交する方向である矢印Ｃの向きに、走査光のスポット径に対応する量だけ被測定物10をその円筒軸10ｂを中心に回転させる。なお、被測定物10は、矢印Ｃの向きに連続的に回転させてもよく、走査光の走査毎に非連続的に回転させてもよい。連続的に回転させる場合は、被測定物10の回転に起因して被観察円筒面10ａ上の走査線が捩れることになるので、データ処理により補正する必要がある。

参照光と測定光は、テレセントリックｆθレンズ８により反射平行光束となり、ビームスプリッタ４によりレーザ光源１からのレーザ光と分岐される。そして、参照光と測定光は、結像レンズ11により集光され、ピンホール12ａにより余分な光がカットされて、焦点の合った光のみが受光素子13に入射する。受光素子13から送信された光量信号は、Ａ／Ｄ変換ボード14によりＡ／Ｄ変換された後、演算手段15へ送信される。

また、演算手段15は、図示しない制御手段から送信された走査ミラー７の回転角度及び被測定物10の回転角度の情報に基づき、光量信号が得られた被観察円筒面10ａ上の位置情報を算出する。演算手段15は、光量信号とその位置情報を記憶する。そして、被測定物10が一回転するまで計測を続けることにより、被観察円筒面10ａの全周の光量信号とその位置情報が演算手段15に蓄積される。演算手段15は、参照光及び測定光の干渉状態に応じた明暗を示す光量信号とその位置情報に基づいて、画像データを作成し表示手段16に出力する。その結果、被観察円筒面10ａの全周の画像データが得られる。ここで得られた画像データは、被観察円筒面10ａを展開した２次元画像として表示手段16に表示される。また、演算手段15によるデータ処理により、被観察円筒面10ａを展開していない円筒形状の３次元画像が作成され、被観察円筒面10ａ上の凹凸の程度が強調されて表示手段16に表示される。なお、表示手段16への表示方法は、上記に限らず、適宜変更可能である。例えば、２次元画像において平面度や表面粗さを表示するようにしてもよく、３次元画像において真円度や円筒度を表示するようにしてもよい。また、表示条件を設定して、特定の条件を満たす箇所のみを強調して表示するようにすれば、欠陥や不具合がある箇所のみを視覚的に分かりやすく表示することができる。

以上のように、本実施例の円筒面の形状計測方法は、レーザ光源１からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタ４を介して走査ミラー７に導き、該走査ミラー７で前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズ８に入射させ、該テレセントリックｆθレンズ８の焦点面近傍に近接配置した参照平面９ａ及び被観察円筒面10ａからの反射光を前記テレセントリックｆθレンズ８により平行光束に変換し、前記走査ミラー７で反射させた後に前記ビームスプリッタ４でレーザ光源１からのレーザ光と分離し、結像レンズ11によって集光して前記テレセントリックｆθレンズ８の焦点面と共役の位置に設置したピンホール12ａを通過させ、該ピンホール12ａを通過した前記反射光の光量を受光素子13で計測する円筒面の形状計測方法であって、前記レーザ光源１からのレーザ光を連続点灯又はパルス点灯させるとともに、前記被観察円筒面10ａを有する被測定物10をその円筒軸10ｂを中心に回転させながら計測するものである。参照面として参照平面９ａを用いて、被観察円筒面10ａを有する被測定物10をその円筒軸10ｂを中心に回転させながら計測することにより、レーザ干渉を用いて円筒面を簡単に、かつ、短時間で計測することができる。

また、レーザ光源１からのレーザ光をパルス点灯させることにより、反射光のコントラストを上昇させるとともに、狙った点だけの情報を得ることができ、その結果、円筒面の形状を正確に測定することができる。

また、走査光を前記被観察円筒面10ａの母線に沿って走査させることにより、被観察円筒面10ａを一回転させるだけで被観察円筒面10ａ全体にレーザ光を隙間なく照射することができる。すなわち、被観察円筒面10ａを一回転させるだけで被観察円筒面10ａの観察が可能となり、短時間で計測することができる。

また、前記走査光が前記被観察円筒面10ａの母線を１回走査する毎に、前記走査光の走査方向に直交する方向に、前記走査光のスポット径に対応する量だけ前記被測定物10をその円筒軸10ｂを中心に回転させることにより、被観察円筒面の全面にわたって、円筒面の形状を正確に測定することができ、同時に円筒面の表面画像を得ることができる。

また、参照平面９ａの代わりに、被観察円筒面10ａのクラウニング形状に合わせた曲面を参照面とすることにより、例えば、被観察円筒面10ａが樽形の場合は、参照平面を平凹とすることで、単純な円筒面と同じように、その形状を参照凹面からの差として測定できる。被観察円筒面10ａ円筒面が糸巻き形であれば、参照平面を平凸にすることで同じように、その形状を参照凸面からの差として測定できる。また、参照面の形状は凹凸に限定されることなく、波形など適宜変更できる。

また、受光素子13で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた前記被観察円筒面10ａ上の位置情報に基づいて、前記被観察円筒面10ａ上の凹凸の程度を強調した円筒形状の３次元画像を作成して表示手段16に表示することにより、測定結果を視覚的に分かりやすく表示することができる。

以上、本発明について上記実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内で種々の変形実施が可能である。なお、上記実施例では、レーザ走査干渉計に用いられる光学系の基本的な要素のみを例示したものであり、この種の光学系に設置される各種部材を必要に応じて追加してもよいし、適宜配置を変更してもよい。また、ビームスプリッタの反射側にレーザ光源を、通過側に受光素子を配置してもよい。さらに、余分な光をカットするためにピンホールを用いたが、その代わりにスリットを用いてもよい。

１レーザ光源
４ビームスプリッタ
７走査ミラー
８テレセントリックｆθレンズ
９ａ参照平面
10 被測定物
10ａ被観察円筒面
10ｂ円筒軸
11 結像レンズ
12ａピンホール
13 受光素子
16 表示手段

Claims

レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズに入射させ、該テレセントリックｆθレンズの焦点面近傍に近接配置した参照面及び被観察円筒面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測する円筒面の形状計測方法であって、前記被観察円筒面の母線上からの反射光と前記被観察円筒面のクラウニング形状に合わせた前記参照面からの反射光とが干渉する距離まで前記被観察円筒面上の走査光が走査する母線に前記参照面を近接させて前記走査光を前記被観察円筒面の母線方向に１回走査させる毎に前記走査光のスポット径に対応する量だけ前記被観察円筒面を有する被測定物をその円筒軸を中心に連続的に回転させながら前記被観察円筒面の全周面を計測することを特徴とする円筒面の形状計測方法。
前記受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた前記被観察円筒面上の位置情報に基づいて、前記被観察円筒面の全周面について前記被観察円筒面上の凹凸の程度を強調した円筒形状の３次元画像を前記被観察円筒面の表面画像として作成して表示手段に表示することを特徴とする請求項１記載の円筒面の形状測定方法。