JPH0151124B2 - - Google Patents

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JPH0151124B2
JPH0151124B2 JP58018679A JP1867983A JPH0151124B2 JP H0151124 B2 JPH0151124 B2 JP H0151124B2 JP 58018679 A JP58018679 A JP 58018679A JP 1867983 A JP1867983 A JP 1867983A JP H0151124 B2 JPH0151124 B2 JP H0151124B2
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JP
Japan
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optical system
light
optical
surface roughness
detection device
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JP58018679A
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JPS59143908A (ja
Inventor
Narikata Oota
Hironari Fukatsu
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Mitutoyo Corp
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Mitutoyo Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は表面粗さ検出装置の改良に係り、特
に、検査表面に投光して、該光の検査表面におけ
る反射率から表面粗さを検出するようにした表面
粗さ検出装置の改良に関する。
従来、表面粗さ検出装置の一つとして、触針式
表面粗さ検出装置があるが、これは、例えば、被
測定物表面が鏡面に近い状態の場合は、測定子が
被測定物表面に接触することによつて表面状態を
悪化させてしまい、且つ、正確な測定が困難とな
るという問題点があつた。
これに対して、物体表面を傷つけることなく光
学的に非接触で表面粗さを測定する装置が採用さ
れている。
かかる光学的手段による非接触の表面粗さ検出
装置は、一般に、例えば光フアイバ等からなる光
学系を介して、被測定物表面に投光し、その反射
光線を捉え、物体表面の反射率から表面粗さを検
出するものである。
かかる表面粗さ検出装置は、非接触で測定でき
るという利点があるが、被測定物表面における反
射光線の出力が微細となることがある等の理由に
よつて、光学系からの投光角度、光学系による受
光角度、光学系と測定面との距離および光学系の
光軸と測定面との角度が固定的とされていて、実
用化が困難であつた。
又、例えば特開昭57−163851号公報に開示され
るように、投光用フアイバーに対して受光用フア
イバーを該投光用フアイバーと平行に配置すると
共に、これと一定角度に、第2の受光用フアイバ
ーを設けて、最も感度良く被測定物表面を測定で
きるようにしたものがあるが、この光フアイバー
は、表面粗さ検出に際して最も感度のよい受光角
度を開示したに過ぎないものである。
従つて、この光フアイバーのみでは、正確な表
面粗さを得ることができない。
この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされた
ものであつて、投光および受光角度、被測定面と
光学系との距離、被測定面と光学系の光軸との角
度等の変動があつても、感度よく正確に表面粗さ
を検出することができる表面粗さ検出装置を提供
することを目的とする。
又この発明は、被測定物表面の材質、表面状態
等によつて生じる表面反射率の違いを補正して、
感度よく表面粗さを検出することができるように
した表面粗さ検出装置を提供することを目的とす
る。
この発明は、光軸が相互に交差する第1光学系
および第2光学系と、前記第1光学系および第2
光学系の少なくとも一方を介して検査面に投光す
る光源装置と、前記検査面からの反射光を前記第
1光学系を介して受光する第1受光器と、前記検
査面からの反射光を前記第2光学系を介して受光
する第2受光器と、を有してなる表面粗さ検出装
置において、前記第1受光器および第2受光器の
出力の比FD=Fe/Foを求める割算器と、この割
算器による割算器出力FDと測定物の材質加工条
件等により異なる定数M,Kを用いてRa=10
(FD−M/K)を逆対数演算するための演算装置と、 を設けることにより上記目的を達成するものであ
る。
又この発明は、前記表面粗さ検出装置において
前記第1光学系および第2光学系の両方を、往路
及び復路を備えた光フアイバーから構成すること
により上記目的を達成するものである。
又この発明は、前記表面粗さ検出装置におい
て、前記第1光学系および第2光学系の一方を、
往路および復路を備えた光フアイバーから構成す
ることにより上記目的を達成するものである。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
この実施例は、第1図に示されるように、光軸
が相互に30゜の角度で交差する第1光学系11お
よび第2光学系12と、前記第1光学系11およ
び第2光学系12を介して検査面13に投光する
光源装置14と、前記検査面13からの反射光を
前記第1光学系11を介して受光する第1受光器
15と、前記検査面13からの反射光を前記第2
光学系12を介して受光する第2受光器16と、
前記第1受光器15および第2受光器16の出力
の比を求める割算器17と、この割算器17によ
る割算器出力を逆対数演算するための演算装置1
8と、により表面粗さ検出装置を構成したもので
ある。
前記第1光学系11および第2光学系12は、
それぞれ往路および復路を備えた光フアイバーか
ら構成されている。
これら第1光学系11および第2光学系12の
光フアイバは、共に内側に投光用の光フアイバを
円形に束ね、又その外側に同心リング状に受光用
の光フアイバを束ねたものであり、投光用および
受光用の光フアイバの面積比は1:1とされてい
る。
前記第1受光器15および第2受光器16は、
それぞれ、受光した反射光線を電気信号に光電変
換するフオトトランジスタとされ、その出力電気
信号をアンプ19を介してそれぞれ前記割算器1
7に出力するようにされている。
前記演算装置18は、前記第1受光器15から
の出力Foと第2受光器16からの出力Feの比FD
=Fe/Foに基づき、中心線平均粗さRa=10
(FD−M/K)を演算する逆対数演算装置とされて いる。ここでM,Kは測定物の材質加工条件等に
よつて異なる定数である。
上記第1図に示される表面粗さ検出装置によつ
て検査面13の表面粗さを測定する場合は、同図
に示されるように、第1光学系11を、その光軸
が検査面13と直交するように配置するととも
に、第2光学系12を、その光軸が検査面13に
おいて前記第1光学系11と交差角度θをもつて
交差するように配置する。
次に、上記実施例装置によつて検査面13の表
面粗さを測定する原理およびその原理における理
論計算式ならびにこの理論計算式を実証する実験
値について説明する。
実験は、第1光学系11および第2光学系12
共に、内側に直径0.8mmの投光用の光フアイバを、
又、その外側にリング状に外径が1.2mmの光フア
イバを各々300本束ねたものであつて、面積比は
1:1とした。又、第1光学系11と第2光学系
12の交差角度θ=30゜とした。
光源装置14としては、タングステンランプ
を、又第1光学系11および第2光学系12によ
り照射される検査面13におけるスポツト径は約
1.5mm、第1光学系11および第2光学系12先
端と検査面13とのギヤツプを約2乃至3mmとし
た。
一般に研削面の場合その断面曲線から得られる
表面傾斜角が正規分布となることが知られている
が、中心線平均粗さRaが0.2μmおよび0.8μmの表
面粗さ標準片を測定した実験の結果、その断面曲
線における表面傾斜角の分布は第2図aおよびb
に示されるヒストグラムのようになつた。
第2図aおよびbのヒストグラムは正規分布を
示し、理論値と実験値が略一致していることがわ
かる。
従つて、表面傾斜角をθsとし、表面傾斜角分布
の標準偏差をσesとすると、分布関数f(θs)は、 で表わされることになる。
従つて2系統の光学系11および12で受光さ
れる検査面13からの反射光についても同様に正
規分布するものと考えられる。
ここで光フアイバは開口数N.Aによる固有の受
光角(光フアイバが受光可能な入射角)を有する
ため、検出有効範囲が限定される。実験に使用し
た第1光学系11および第2光学系12の垂直光
フアイバFoおよび傾斜光フアイバFeは共にN.A
≒0.26であり、有効受光角は約7゜となる。測定物
からの総反射光量をΦとすると、(1)式より Φ=∫ -∞f(θs)dθs ……(2) となる。又光フアイバが受光可能な反射光量をΦ
とすると、次式で表わすことができる。
Φ=∫b af(θs)dθs ……(3) (3)式における定数a,bは光フアイバの有効受
光角で決定される。
ここで、光フアイバが受光できる反射光量を検
出確率Qと呼ぶことにすると Q=Φ/Φ ……(4) となる。
第3図に示されるように、測定物の反射角θsの
表面で反射される光の反射角θrは θr=2θs ……(5) となる。
よつて垂直フアイバFoの検出確率Qoは、第4
図に示されるように正規分布の中心に対して±
3.5゜、又θ=30゜の傾斜フアイバFeの検出確率Qe
は、正規分布の中心から15゜ずれた位置を中心に
±3.5゜の範囲の積分値として求められる。
第5図に検出確率Qo,Qeの計算結果を示す。
Qo,QeおよびQD=Qe/Qoについて対数近似を
最小自乗法により求めると、 Qo=1.09−0.08logσes ……(6) Qe=−0.11+0.19logσes ……(7) QD=−1.67+1.72logσes ……(8) (相関係数γ=0.97) となる。
第6図に、表面粗さ標準片について測定した結
果を示す。ここでは、縦軸は光フアイバの出力値
である。この時の、Fo,FeおよびFD=Fe/Foの
対数関数近似を最小自乗法により求めると、 Fo=8.90−6.27logσes ……(9) Fe=0.16+1.22logσes ……(10) FD=−5.48+11.59logσes ……(11) (相関係数γ=0.95) となつた。
以上の通り、表面傾斜角分布θsの標準偏差σes
に対する2系統の光フアイバ出力の比FDとの相
関性は、第5図の検出確率の理論計算値と比較し
て明らかなように、定性的に一致性が高い。
表面傾斜角分布の標準偏差σesにより表面粗さ
を測定するのは実用的でない。そこで、σes−Ra
の関係式を実験的に求め、その結果を第7図に示
す。最小自乗法により対数近似を行い、 σes=−11.03+6.96logRa ……(12) (相関係数γ=0.99) を得た。
同様に、FD−Raの関係式を求めると、 FD=−6.07+4.22logRa ……(13) (相関係数γ=0.99) を得た(第8図参照)。
以上の結果から、光フアイバによる研削加工面
の中心線平均粗さRaの測定の場合、次の一般式
で表わすことができる。
FD=M+KlogRa ……(14) 故に、 となる。ただし、M,Kは測定物の材質、加工条
件等により異なる定数である。
よつて、光フアイバ出力FDとRaの関係を直線
化させるには、逆対数演算による変換を行えばよ
いことになる。
従つて、上記実施例に係る表面粗さ検出装置に
おいては、演算装置18における計算条件とし
て、前記(14)式および(15)式における定数M
およびKを測定物の材質、加工条件等に応じて予
め設定しておけば、第1光学系11および第2光
学系12を介して第1受光器および第2受光器に
受光された2系統の反射光出力の比に基づき、表
面粗さRaを検出することができる。
前記実験条件で、上記実施例装置によつて表面
粗さ標準片を測定した結果は第9図に示されるよ
うになつた。
この第9図からも明らかなように、実験結果
は、実際の表面粗さと略一致している。
尚上記実施例装置は、第1光学系11および第
2光学系12の両方から検査面13に光源装置1
4を介して投光するようにしているが、これはど
ちらか一方の光学系のみから投光するようにして
もよい。
又、上記実施例は、第1光学系11の光軸が検
査面13に対して垂直となり、且つ、第2光学系
12の光軸が第1光学系11の光軸に対して30゜
の角度で交差するように配置しているが、本発明
はこれに限定されるものでなく、検査面13に対
する傾斜角度および両光学系11および12の交
差角度θは検査面13の状態に応じて0<θ<
90゜の範囲で任意である(θ≧90゜となると反射光
を受光できない)。
又、前記第1光学系および第2光学系11,1
2は、共に往路および復路を備えた光フアイバよ
り構成されているが、本発明はこれに限定される
ものでなく、例えば、第1光学系は往路と復路、
第2光学系は復路のみとしてもよく、更に、光フ
アイバ以外によつて光学系を構成するようにして
もよい。
本発明は上記のように構成したので、二つの光
学系からの出力の比によつて表面粗さを検出する
ことができ、従つて、光学系の投光および受光角
度、光学系と検査面との距離、検査面との角度等
の変動があつて、二つの光学系からの出力信号が
微細となつても、感度よく表面粗さを検出するこ
とができ、又、前記条件の変化に対する適用範囲
を拡大することができるとともに、単に表面粗さ
に関連する抽象的な出力を得るようにされた従来
の表面粗さ検出装置に対して、具体的な中心線平
均粗さを検出することができるという優れた効果
を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る表面粗さ検出装置の実施
例を示すブロツク図、第2図は研削面における断
面曲線の表面傾斜角分布を示すヒストグラム、第
3図は測定面の断面曲線における表面傾斜角と該
傾斜表面における光の反射角との関係を示す光学
図、第4図は測定面の断面曲線における表面傾斜
角の分布を示す線図、第5図は2系統の光フアイ
バにおける検出確率およびこれらの検出確率の比
の理論計算値を示す線図、第6図は2系統の光フ
アイバの出力値およびこれらの比の実測値を示す
線図、第7図は不特定面の表面傾斜角分布の標準
偏差と該表面の中心線平均粗さとの関係を実験的
に求めた結果を示す線図、第8図は2系統の光フ
アイバ出力の比と中心線平均粗さとの関係を実験
的に求めた結果を示す線図、第9図は本発明に係
る表面粗さ検出装置による測定結果と実際の表面
粗さとの関係を示す線図である。 11……第1光学系、12……第2光学系、1
3……検査面、14……光源装置、15……第1
受光器、16……第2受光器、17……割算器、
18……演算装置、θ……交差角度。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 光軸が相互に交差する第1光学系および第2
    光学系と、前記第1光学系および第2光学系の少
    なくとも一方を介して検査面に投光する光源装置
    と、前記検査面からの反射光を前記第1光学系を
    介して受光する第1受光器と、前記検査面からの
    反射光を前記第2光学系を介して受光する第2受
    光器と、を有してなる表面粗さ検出装置におい
    て、前記第1受光器および第2受光器の出力の比
    FD=Fe/Foを求める割算器と、この割算器によ
    る割算器出力FDと測定物の材質、加工条件等に
    より異なる定数M,Kを用いてRa=10(FD−M/K) を逆対数演算するための演算装置と、を有してな
    る表面粗さ検出装置。 2 前記第1光学系および第2光学系の両方を、
    往路及び復路を備えた光フアイバーから構成した
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の表
    面粗さ検出装置。 3 前記第1光学系および第2光学系の一方を、
    往路および復路を備えた光フアイバーから構成し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    表面粗さ検出装置。
JP1867983A 1983-02-07 1983-02-07 表面粗さ検出装置 Granted JPS59143908A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4892406A (en) * 1988-01-11 1990-01-09 United Technologies Corporation Method of and arrangement for measuring vibrations
JPH0660813B2 (ja) * 1990-01-16 1994-08-10 政則 栗田 表面粗さ測定装置および表面粗さ測定方法
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57163851A (en) * 1981-04-01 1982-10-08 Mitsutoyo Mfg Co Ltd Optical fiber

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