JP5887120B2 - 接触部検出装置および接触部検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の透明部材とゴム等の弾性部材との接触部を検出する検出装置および検出方法に関するものである。

例えば、タイヤと路面との接触面において発生する摩擦や磨耗などの挙動を分析するために、ガラス等の透明部材とゴム等の弾性部材の試料とを用い、透明部材と弾性部材の試料とを互いに押圧して、透明部材側から観察することによって接触部を可視化することが行われている。一般的に、観察する側には平坦なガラスが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

一例として、特許文献１により開示される接触部の検出装置と同様の装置の例を、図４を参照して説明する。この検出装置によれば、光源１０１から水平に出射した照明光を、レンズ１０２によりコリメートしてライトガイド１０３、偏光板１０４を介してビームスプリッタ１０５に入射させ、光路を垂直下向き方向に折り曲げる。その後、この照明光は、レンズ１０６および１／４波長板１０７を介して、試料１０８と試料１０８の上部に押圧される平板ガラス１０９との接触部に照射される。したがって、照明光はレンズ１０６の光軸に沿って、平板ガラス１０９および試料１０８に略垂直に照射される同軸落射照明である。

この照明光は、平板ガラス１０９の下面および試料１０８の上部表面で反射され、再び１／４波長板１０７、レンズ１０６を通り、ビームスプリッタ１０５を透過して、偏光板１１１、結像レンズ１１２を経てＣＣＤカメラ１１３に結像される。

これによって、ＣＣＤカメラ１１３の受光面上では、平板ガラス１０９の下面からの反射光と、試料１０８の表面からの反射光との光路差による干渉縞の像が検出される。とくに、試料１０８と平板ガラス１０９とが接触している部分では、位相が互いに半波長分ずれるため、暗黒色として観察される。したがって、試料１０８と平板ガラス１０９との接触部を、黒色部分として検出することができる。

なお、特許文献１において、偏光板１０４、１／４波長板１０７および偏光板１１１は、フレア等のノイズを抑制する目的で配置されたものである。偏光板１０４と偏光板１１１の透過軸を直交させることによって、照明光は偏光板１０４で直線偏光となり、１／４波長板１０７を透過して円偏光となり、さらに、平板ガラス１０９または試料１０８で
反射され再度１／４波長板１０７を通って、偏光方向が９０度回転した直線偏光となる。偏光板１１１は透過軸が偏光板１０４と直交しているので、平板ガラス１０９または試料１０８で反射された光を効率良く透過させ、例えば、対物レンズ１０６で反射されたノイズ光を透過させない。

特開２００５−５５４１３号公報

しかしながら、引用文献１に開示された検出装置では、透明部材の平坦な表面に対して落射照明を用いている。この場合、弾性体の試料の接触部は粗面であっても、大きな凹凸がないので十分な光量の反射光が対物レンズに戻り結像される。しかし、透明部材が凸部を有する場合は、透明部材と試料との接触面も凸形状となるので、同軸落射照明を用いると、透明部材および弾性体からの反射光が対物レンズに十分に戻らず、光量が少なくなるため像が暗くなり干渉縞が不明瞭となる。とくに、試料の反射率が低い場合は、接触部を明瞭に検出することが困難であった。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、凸部を有する透明体と試料との接触部を明瞭に検出することができる接触部検出装置および接触部検出方法を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る接触部検出装置の発明は、観察位置に配置された少なくとも一部に凸部を有する透明体と該透明体に押圧されたゴム製の試料との接触部を検出する装置であって、光を検出するセンサと、前記センサと前記観察位置との間に設けられ、前記観察位置に前記透明体側より光を照射する中空のリング状光源と、前記リング状光源と前記観察位置との間に配置され、中空のリング形状を有し透過軸が第１の方向の第１の偏光素子と、前記観察位置と前記センサとの間に配置され前記第１の方向と平行な透過軸を有する第２の偏光素子と、前記センサと前記リング状光源との間に配置された結像光学系とを備え、前記リング状光源を出射した光の少なくとも一部が、前記第１の偏光素子を透過して前記観察位置で反射され、前記第１の偏光素子の内側の中空部、前記リング状光源の内側の中空部および前記第２の偏光素子を通り、前記センサに結像するように構成されたことを特徴とするものである。このようにすることによって、高い光量とコントラストで接触部を検出することが可能になる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の接触部検出装置において、前記結像光学系は、前記リング状光源側に対物レンズを備え、該対物レンズの光軸、前記リング状光源の中心軸線および第１の偏光素子の中心軸線が、略一致していることを特徴とするものである。このようにすることによって、接触部にバランス良く光を照射し、反射光を効率良く検出することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の接触部検出装置において、前記光源は、白色光源であることを特徴とするものである。白色光源を用いることにより、白色光に含まれる波長に対応したカラーの干渉縞が得られる。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の接触部検出装置において、前記光源は、単色光源であることを特徴とするものである。単色光源を用いることにより、検出する干渉縞のコントラストがより明瞭になる。

請求項５に係る発明は、請求項１または２に記載の接触部検出装置において、前記光源は、赤色、緑色および青色の３色を組み合わせて構成されることを特徴とするものである。３色を含む光源を用いることにより、３色の各波長に応じた３つの干渉縞が得られる。

請求項６に係る発明は、請求項３または５に記載の接触部検出装置において、前記センサは、カラーイメージセンサであることを特徴とするものである。カラーイメージセンサを用いることによって、複数の波長成分を含む干渉縞を検出することができ、接触部およびその近傍の形状のより詳細な分析が可能になる。

請求項７に係る発明は、請求項４に記載の接触部検出装置において、前記センサは、モノクロＣＣＤカメラであることを特徴とするものである。モノクロＣＣＤカメラで単色の干渉縞を観察するので、干渉縞の検出および分析処理が白色光や複数の光源を用いた場合より簡単である。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れか一項に記載の接触部検出装置において、前記リング状光源は、前記透明体の前記凸部の面形状に応じて、光の出射する方向を調節可能であることを特徴とするものである。そのようにすることによって、リング光源の光を最も効率的に接触部に照射して、より高いコントラストで観察することが可能になる。

上記目的を達成する請求項９に係る接触部検出方法の発明は、観察位置に配置された、少なくとも一部に凸部を有する透明体と該透明体に押圧されたゴム製の試料との接触部を検出する方法であって、中空のリング状光源から前記試料に向けて前記透明体側より光を出射させ、該光を前記透明体および前記試料の互いに押圧されるそれぞれの面で反射させ、該反射されたそれぞれの光を前記リング状光源の内側の中空部を通過させ、該中空部を通過した光をセンサ上に結像させて、前記反射されたそれぞれの光による干渉縞を検出することを特徴とするものである。そのようにすることによって、センサ上に結像される光量が増え、干渉縞のコントラストが改善される。

請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の接触部検出方法において、前記リング状光源を出射した光を、中空のリング形状を有する第１の偏光素子を透過させ第１の方向に偏光した直線偏光とした後、前記透明体および前記試料の互いに押圧される前記それぞれの面で反射させ、該それぞれの面で反射された光を前記リング状光源の内側の中空部、前記第１の偏光素子の内側の中空部および前記第１の方向に平行な透過軸を有する第２の偏光素子を透過させた後、センサ上に結像させることを特徴とするものである。そのようにすることによって、干渉縞以外のノイズ光を減らし、コントラストを改善することができる。

本発明によれば、試料に透明体側より光を照射する中空のリング状光源を設け、観察位置で反射された光が、リング状光源の内側の中空部を通過して結像するようにしたので、凸部を有する透明体と試料との接触部を明瞭に検出することができる。

本発明の実施形態に係る接触部検出装置の概略を示す構成図である。 図１の実施形態に係る接触部検出装置による接触部の検出例である。 従来例の接触部検出装置を、凸部を有する透明体と試料との接触部の検出に用いた検出例である。 従来技術に係る接触部検出装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の一例である実施形態に係る接触部検出装置１０の概略を示す構成図である。この接触部検出装置１０は、観察位置に配置された、凸部を有するサファイアレンズ（透明体）２１とサファイアレンズ２１の凸部に押圧されたゴム板（試料）２２との接触部を検出する装置であって、リング状光源１１、第１の偏光版（第１の偏光素子）１２、対物レンズ１４、第２の偏光板（第２の偏光素子）１５、結像レンズ１６、ＣＣＤカメラ（センサ）１７および画像取得・分析用のＰＣ１８を含んで構成されている。なお、図１においてサファイアガラス板２３は、サファイアレンズ２１をゴム板２２に対して押圧させるための部材であり、ゴム板２２の方向に押圧力を加える図示しない押圧機構と係合している。また、対物レンズ１４と結像レンズ１６とは、結像光学系を構成する。

リング状光源１１は、サファイアレンズ２１とゴム板２２との接触部サファイアレンズ２１側より光を照射する中空のリング状光源である。このリング状光源１１の中心軸線は、サファイアレンズ２１およびゴム板２２の接触面に略直交している。リング状光源１１は、例えば、多数（例えば１０個、５０個、１００個等）の白色ＬＥＤをリング状に配置して構成される。より詳しくは、リング状光源は、発光部を光の出射方向側が広がったテーパー形状とし、その内測面側にＬＥＤを配置して出射表面とすることができる。さらに、均一な面照明を得るために、光の出射表面を樹脂等の散光板（表面が磨りガラス状のもの）で覆って構成される。また、リング状光源からの光は指向性を有し、サファイアレンズ２１およびゴム板２２の観察位置に向けて照射されても良い。さらに、リング状光源は、サファイアレンズ２１の曲面に対して略垂直方向から光を照射するように調節する調節機構を有することが好ましい。そのようにすることによって、リング光源１１の光を最も効率的に接触部に照射して、高いコントラストで観察することが可能になる。なお、リング状光源は、上記のような形態に限られず、他の形態のリング状光源を用いることも可能である。

第１の偏光板１２は、リング状光源１１とサファイアレンズ２１およびゴム板２２の観察位置との間（リング状光源１１の近傍）に配置される、中空のリング形状を有する偏光板である。リング状光源１１から射出された照明光は、ほぼリング形状の内側の中空部分を通らず、第１の偏光板１２を通り第１の偏光板１２の透過軸方向（第１の方向）の偏光成分のみが透過する直線偏光となる。

第１の偏光板１２を透過した直線偏光の照明光は、観察位置のサファイアレンズ２１およびゴム板２２に照射される。ここで、観察位置とは、観察の対象とする接触部が配置される位置である。互いに押圧されるサファイアレンズ２１の凸面（図において下面）は照明光を内部反射し、ゴム板２２の表面（図１において上面）はサファイアレンズ２１を透過した照明光を外部反射する。サファイアレンズ２１とゴム板との接触部分では、略同一の面で上記２つの反射が生じることとなる。なお、ゴム板２２の表面における反射では、位相が１８０度反転する。

これらの反射光は、第１の偏光板１２の内側の中空部を通過し、さらに、リング状光源１１の内側の中空部をも通過して、対物レンズ１４に入射する。

なお、リング状光源１１は、サファイアレンズ２１およびゴム板２２の接触部である凸部での照明光の反射光が、リング状光源１１の内側の中空部を通過するように、あらかじめ光の出射する方向、言い換えれば、観察位置を照射する角度が調整されている。また、観察位置の凸部の形状に応じて、光の出射する方向を調整できることが好ましい。

対物レンズ１４は、観察位置で反射された光を略平行光に変換する。なお、対物レンズ１４は必須の構成要素ではない。対物レンズ１４が無くとも、結像レンズ１６のみによって観察対象の像をＣＣＤカメラ１７に結像させることもできる。しかし、対物レンズ１４を設けることにより、反射光の拡散を抑えて結像レンズにリレーすることができ、また、対物レンズを焦点距離の異なるレンズに交換可能とすることによって、検出する接触部の像倍率を変更することが可能になる。

第２の偏光板１５は、対物レンズ１４と結像レンズ１６との間に配置され、第１の方向と平行な方向に透過軸を有する偏光板である。対物レンズ１４を透過した光は、第１の方向に偏光しているので、ほぼそのまま第２の偏光板１５を透過することができる。一方、リング状光源１１を出射して第１の偏光板１２を透過した照明光の反射光以外の光が、第２の偏光板１５に入射した場合は、第１の方向に直交する成分の光が第２の偏光板１５を透過できず、カットされる。したがって、検出される干渉縞のコントラストを改善することができる。なお、第２の偏光板１５を配置する位置は、リング状光源１１とＣＣＤカメラ１７との間の他の位置であっても良い。

結像レンズ１６は、サファイアレンズ２１の凸面およびゴム板２２の表面による反射光の干渉縞をＣＣＤカメラ１７の受光面上に結像させる。ＣＣＤカメラ１７は、受光面に、例えば赤、緑、青の画素フィルタがベイヤ配列されたカラーイメージセンサである。ＣＣＤカメラ１７は、画像取得・分析用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に接続されている。ＰＣ１８は、ＣＣＤカメラ１７の出力に基づいて、サファイアレンズ２１とゴム板２２との接触部分の特定、接触部分近傍の試料の形状の分析等を行う。

なお、上記の構成において、リング状光源１１の中心軸線、第１の偏光板１２の中心軸、対物レンズ１４の光軸および結像レンズ１６の光軸は、略一致しており、これら中心軸線または光軸は、サファイアレンズ２１、ゴム板２２、第２の偏光板１５およびＣＣＤカメラ１７の受光面と交差している。これによって、サファイアレンズ２１とゴム板２２の接触部に３６０度全周方向からバランス良く光を照射し、反射光を効率良くＣＣＤカメラ１７に結像させ検出することができる。

また、リング状光源１１とサファイアレンズ２１およびゴム板２２の観察位置との距離は調整可能であり、この距離を変えることによって、リング状光源１１からの光の照射角度や、観察位置から見たリング状光源１１の中空部の立体角を変更することができる。また、この調整に応じて、結像光学系を構成する対物レンズ１４および結像レンズ１６の配置を変更したり、レンズそのものを焦点距離の異なるものに交換したりするようにしても良い。これによって、サファイアレンズ２１とゴム板２２との接触部の大きさや接触面の曲率等に応じた観察が可能になる。

以上説明したように本実施の形態によれば、リング状光源１１から斜め照射された光は、サファイアレンズ２１のゴム板２２に押し付けられている凸部を有する表面とゴム板２２の表面とで反射し、位相差による干渉縞を形成する。特に、サファイアレンズ２１とゴム板２２との接触部は、半波長位相がずれるので干渉縞の暗部となる。

さらに、この干渉縞を形成する光は、高い効率で第１の偏光板１２の内側の中空部およびリング状光源１１の内側の中空部を通過し、さらに、対物レンズ１４、第２の偏光板１５および結像レンズ１６を透過してＣＣＤカメラ１７の受光面に結像される。ここで、第２の偏光板１５を通過することにより、第１の方向に直交する偏光成分が除去されるので、干渉縞の画像コントラストが改善される。

また、接触部に形成される暗部に加え、サファイアレンズ２１とゴム板２２との隙間に応じ干渉縞模様が観察される。ＰＣ１８がこの干渉縞の情報を読み込んで処理することにより、サファイアレンズ２１とゴム板２２との接触状態及び隙間の状態の可視化が可能となる。リング状光源１１として白色光源を用いたので、接触部の０次の黒色の暗部の周りに、白色光に含まれる色成分毎にその波長と２つの反射光の光路差に応じた多色の干渉縞が発生する。複数の波長成分を含む干渉縞を検出することができるので、単色光で観察する場合と比較して、接触部およびその近傍のより詳細な分析が可能になる。

図２は、本実施形態に係る接触部検出装置による干渉縞の検出例を示す図であり、図３は、従来例の接触部検出装置を、凸部を有する透明体と試料との接触部の検出に用いた検出例である。本実施の形態では、干渉縞は完全に接触している部分では暗部となっており、非接触部分との間で高いコントラストを示している。これは、リング状光源１１を用いたことにより、反射光が接眼レンズに十分な光量で入射したこと、および、偏光を用いてノイズとなる光を除去したことによる。一方、図４の従来例では十分な光量が得られないため、画像全体が暗くなっている。

（変形例１）
なお、上記実施形態では、図１のリング状光源としては白色光源を用いるものとしたが、これに限られない。例えば、赤色、緑色および青色の３色のＬＥＤを組み合わせて、リング状光源１１を構成しても良い。その場合も、各色の強度を調整すると略白色の光源が得られる。また、この場合、干渉縞は赤色、緑色、青色の各波長の光に対して観察される。所定の３波長の光を混合した光源を用いることにより、３波長成分による干渉縞のみを分析すれば良いので、ＰＣ１８による接触状態および隙間状態の分析がより容易になる。

(変形例２）
また、図１において、単色光源を用いてリング状光源１１を構成しても良い。単色光源を用いることにより、異なる波長の成分が混合しないので、１次以上の干渉縞のコントラストをより明瞭に検出することができる。その場合、センサとしてカラーのＣＣＤカメラに代えて、モノクロＣＣＤカメラを用いることができる。モノクロＣＣＤカメラで単色の干渉縞を観察するので、干渉縞の検出および分析処理が白色光や複数の光源を用いた場合より単純になる。

なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、第２の偏光素子は対物レンズと結像レンズとの間に配置したがこれに限られず、観察位置とセンサとの間の適切な位置に配置することができる。例えば、第２の偏光素子を、第１の偏光板のリング形状の内側の中空部分や、リング状光源の内側の中空部分に配置して、これら第１の偏光板またはリング状光源と一体として構成しても良い。また、第２の偏光素子は偏光板に限られず、例えば、偏光プリズムや反射式の偏光子等を用いることもできる。さらに、画像を検出するセンサは、ＣＣＤを用いたものに限られず、他の２次元イメージセンサ、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサを用いることもできる。また、結像光学系は直線的に構成されるとは限られず、例えばミラー等によって光路が折り曲げられた構成とすることもできる。その場合、第１の方向も光路と共に折り曲げられた方向となる。さらに、透明体は、サファイアガラスを用いたがこれに限られず、石英ガラスやＢＫ−７などの他の透明部材を用いることができる。また、リング状の光源は、点光源をリング状に配置したものに限られず、発光部そのものがリング形状を有するものも含むことは言うまでもない。

１０ 接触部検出装置
１１ リング状光源
１２ 第１の偏光版（第１の偏光素子）
１４ 対物レンズ
１５ 第２の偏光板（第２の偏光素子）
１６ 結像レンズ（結像光学系）
１７ ＣＣＤカメラ（センサ）
１８ ＰＣ
２１ サファイアレンズ（透明体）
２２ ゴム板（試料）
２３ サファイアガラス板

Claims (10)

1. 観察位置に配置された少なくとも一部に凸部を有する透明体と該透明体に押圧されたゴム製の試料との接触部を検出する装置であって、
   光を検出するセンサと、
   前記センサと前記観察位置との間に設けられ、前記観察位置に前記透明体側より光を照射する中空のリング状光源と、
   前記リング状光源と前記観察位置との間に配置され、中空のリング形状を有し透過軸が第１の方向の第１の偏光素子と、
   前記観察位置と前記センサとの間に配置され前記第１の方向と平行な透過軸を有する第２の偏光素子と、
   前記センサと前記リング状光源との間に配置された結像光学系とを備え、
   前記リング状光源を出射した光の少なくとも一部が、前記第１の偏光素子を透過して前記観察位置で反射され、前記第１の偏光素子の内側の中空部、前記リング状光源の内側の中空部および前記第２の偏光素子を通り、前記センサに結像するように構成されたことを特徴とする接触部検出装置。
2. 前記結像光学系は、前記リング状光源側に対物レンズを備え、該対物レンズの光軸、前記リング状光源の中心軸線および第１の偏光素子の中心軸線が、略一致していることを特徴とする請求項１に記載の接触部検出装置。
3. 前記光源は、白色光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の接触部検出装置。
4. 前記光源は、単色光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の接触部検出装置。
5. 前記光源は、赤色、緑色および青色の３色を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の接触部検出装置。
6. 前記センサは、カラーイメージセンサであることを特徴とする請求項３または５に記載の接触部検出装置。
7. 前記センサは、モノクロＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項４に記載の接触部検出装置。
8. 前記リング状光源は、前記透明体の前記凸部の面形状に応じて、光の出射する方向を調節可能であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の接触部検出装置。
9. 観察位置に配置された、少なくとも一部に凸部を有する透明体と該透明体に押圧されたゴム製の試料との接触部を検出する方法であって、
   中空のリング状光源から前記試料に向けて前記透明体側より光を出射させ、
   該光を前記透明体および前記試料の互いに押圧されるそれぞれの面で反射させ、
   該反射されたそれぞれの光を前記リング状光源の内側の中空部を通過させ、
   該中空部を通過した光をセンサ上に結像させて、
   前記反射されたそれぞれの光による干渉縞を検出することを特徴とする接触部検出方法。
10. 前記リング状光源を出射した光を、中空のリング形状を有する第１の偏光素子を透過させ第１の方向に偏光した直線偏光とした後、前記透明体および前記試料の互いに押圧される前記それぞれの面で反射させ、該それぞれの面で反射された光を前記リング状光源の内側の中空部、前記第１の偏光素子の内側の中空部および前記第１の方向に平行な透過軸を有する第２の偏光素子を透過させた後、センサ上に結像させることを特徴とする請求項９に記載の接触部検出方法。