JPH0338522B2 - - Google Patents

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JPH0338522B2
JPH0338522B2 JP13289780A JP13289780A JPH0338522B2 JP H0338522 B2 JPH0338522 B2 JP H0338522B2 JP 13289780 A JP13289780 A JP 13289780A JP 13289780 A JP13289780 A JP 13289780A JP H0338522 B2 JPH0338522 B2 JP H0338522B2
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interference fringes
wavelength
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gap
equation
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JP13289780A
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JPS5759106A (en
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Seiichiro Terajima
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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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
    • G01B11/14Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Landscapes

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は二物体間、例えばガラスデイスクと磁
気ヘツドとの間の隙間測定などのように、一方の
物体が透明体である場合、もしくは光束の振幅分
割により非透明体に対しても反射光束によつて干
渉縞が創生できる場合に使用される微小隙間測定
方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来のこの種の測定方法の原理を第1図につい
て説明するに、1は広帯域の波長(0.3〜0.7μm)
を含む白色光源、2は白色光源1に対設されたフ
イルタ、3はカメラ、4はフイルタ2およびカメ
ラ3に対設されたハーフミラー、5はハーフミラ
ー4からの光束を有効に入射させるために、表面
に反射防止膜を塗布したガラスデイスクで、この
ガラスデイスク5はハーフミラー4に対設されて
いる。6はガラスデイスク5と対向して設けられ
たスライダである。
上記フイルタ2は白色光源1からの光を単波長
の光束となし、この光束の一部をハーフミラー4
によりガラスデイスク5に入射させ、さらにスラ
イダ6により反射させる。このスライダ6の表面
の反射光とガラスデイスク5の裏面の反射光とに
より干渉縞が発生し、この干渉縞をハーフミラー
4を介してカメラ3により観察する。このカメラ
3による干渉縞を写真に記録し、または目視によ
り観察していた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来は上記のように写真記録または目視により
干渉縞の位置を読み取り、これにより二物体間、
すなわちガラスデイスク5とスライダ6との間の
微小〓間を測定していた。このような測定方法で
は、(a)測定者によつて誤差を生ずる(b)フイルムに
より感度が異なるため、同じギヤツプでも異なる
値となる、(c)フイルムが高価であるからコスト高
となる、(d)写真から読み取るときにかなりの手数
と時間を要するなどの欠点がある。
本発明は上記欠点を解消し、微小〓間を迅速
に、かつ高精度に測定することを目的とするもの
である。
〔問題を解決するための手段〕
本発明は、光干渉法により創出された二物体間
を現わす干渉縞に対向して光電変換用のカメラの
一構成要素である複数個の画像検出用センサを固
定または移動可能に配置し、その各センサからの
ビデオ出力から、少なくとも2波長を用いて創出
する干渉縞の明部と暗部の位置を読み取ることに
より、前記物体間の任意位置における微小〓間を
測定することを特徴とするものである。
〔作用〕
隙間に対応した干渉縞パターンのビデオ出力
を、波長差を制限した少なくとも二波長で発生
し、一の物体のエツジ位置を基準点とした干渉縞
の明部と暗部のピーク位置を、信号処理により検
出し演算する方法を採用しているため、簡単で高
速、高精度に微小隙間が測定される。
〔実施例〕
以下本発明の一実施態様を光電変換用カメラと
して例えばラインカメラを配置した場合について
説明する。
第2図に示す符号のうち第1図に示す符号と同
一のものは同一部分を示すものとする。
第2図において、7は一次元に素子を配列した
ラインカメラで、このラインカメラ7はその中に
スライダ6全体が入るように設置されている。8
はスライダ6全体の長手方向の輪郭を検出するた
めの拡大ないし縮小用のレンズ系で、スライダ6
の表面の反射光とガラスデイスク5の裏面の反射
光とにより創生された干渉縞パターンは前記レン
ズ系8を介して一次元のラインカメラ7上に結像
する。
上記スライダ6の浮上面は十分な反射光を維持
するために鏡面に近い状態に仕上げられているの
で、干渉縞が創出されると否とにかかわらず、ラ
インカメラ7には一定の光量が入力される。前記
干渉縞の理想的な状態では、暗部は出力が零にな
るはずであるが、実際にはこのようになることが
なく、任意のスライスレベルが設定可能な、干渉
にあずからない光量による出力すなわち直流の出
力レベルが必ず生ずる。
フイルタ2およびハーフミラー4を経て第3図
に示すように波長λ1の単色光束が入ると干渉縞を
創出する。いまデイスク5が静止している場合、
スライダ6はバネ力(図示せず)などによりデイ
スク5の表面に押圧されているため隙間は最も小
さく、少なくとも一個所以上が接触しており、第
4図Aに示すように暗部に対応した干渉縞が得ら
れる。
次にデイスク5を回転させると隙間は次第に増
加し第4図Bのような干渉縞がラインカメラ上に
結像する。定常状態で第4図Bのような干渉縞が
あらわれるとき、これに対応した電気出力すなわ
ちラインカメラのビデオ出力から極大値(干渉縞
明部に対応)もしくは極小値(干渉縞暗部に対
応)とその位置を検出すればスライダ6の任意の
面上の隙間を決定することができる。
次にこの測定条件と方法について述べる。
第3図に示すように、定常状態におけるスライ
ダの傾きをθ,最小隙間をhmin,最大隙間を
hmax,任意の隙間をhとする。ラインカメラ上
の基準位置からλ1の光束で結像した干渉縞の極大
値(明部に着目)までの位置をx11,x12とする。
まず一般に波長λと縞次数k,すきまhとの関
係は干渉縞の明部では次式で示される。
h=2k+1/4λ ……(1) 次に第4図Bのように干渉縞が2本観察できる
条件として次式を得る。
Sotanθ1/2λ1 ……(2) すなわちスライダの傾き角θが(2)式で示される
条件以上でなければならない。これは多くの場合
満足されてくる。一方Soを大きくし、λ1を小さ
くすることでθの条件は緩和できる。第4図Bの
ようにカメラ面上での観察位置をx11,x12とする
と傾き角は次式で決定できる。
θ=tan-1λ1/2/x12−x11 ……(3) 同時にx12に対応したすきまをh12(k)とすると次
式が得られる。
h12(k)=2k+1/4λ1=hmin+tanθx12 ……(4) 次に第2の波長λ2を用いて干渉縞を創生し、こ
の時のカメラ面上の位置をx21、x22とすると、同
様にして次式が得られる。
h22(k′)=2k′+1/4λ2 =hmin+tanθx22 ……(5) (4)式と(5)式から、k=k′すなわちλ1、λ2の2波
長を用いて干渉縞を発生させたとき、同一次数内
で干渉縞の変化を測定できれば次の様にして最小
隙間hminが決定できる。
(4)式(5)式から h22(k)−h12(k)=2k+1/4(λ2−λ1) =tanθ(x22−x12) ……(6) (6)式から 2k+1/4=x22−x12/λ2−λ1tanθ……(7) これより k=λ1(x11+x12−2x22)+λ2(x12−x11)/2(
x12−x11)(λ1−λ2) ……(8) として次数kが決定できる。
したがつて、(8)式を用いることにより、(4)式な
いし(5)式によりx12点やx22点での絶対浮上量が決
定できる。
(7)式を(4)式に代入すると hmin=x22−x12/λ2−λ1tanθ・λ1−tanθx12 =λ1x22−λ2x12/λ2−λ1・λ1/2(x12−x11
……(9) (9)式においてλ1、λ2は既知であり、x22、x12
x11を測定することによりhminは決定できる。
次にk=k′の条件で上式のようにhminを決定
できるためにはλ1の波長で縞を創生し、λ1→λ2
(λ1>λ2)にしたとき、短波長λ2の一段高い次数
の干渉縞がλ1の次数の干渉縞をとびこさなければ
良い。すなわち次式が得られる。
2(k+1)+1/4λ2>2k+1/4λ1 ……(10) (10)式で示される条件は、測定範囲によつて干渉
縞の次数の大きさが定まることを示している。
次に測定範囲の上限hmaxを1.5μmとして最長
の使用波長λ1を0.7μmとした場合の一例をあげ
る。測定範囲内では干渉縞の次数は、 hmax=2k+1/4λ1より k=0〜4となる。従つて第2の波長λ2の可変範
囲は、今測定の対象としている隙間に対応して異
なつてくる。(10)式を用いてそれぞれの次数におけ
る第2の波長λ2の可変範囲を求めると次のように
なる。
λ1>λ2であるから波長の可変条件は次のように
なる。
ところで、測定範囲は一般にあらかじめ決定さ
れる。しかし次数は未知である。従つて(12)式
からいずれの次数であつても隙間を決定できる条
件としてλ1>λ2>9/11λ1を採用してこの範囲内で 第2の波長λ2を用いて干渉縞の明部、暗部のピー
ク位置を測定すれば良い。
以上説明したように、可変波長範囲を設定して
干渉縞の位置を求めることにより隙間を決定でき
る。
なお(3)式や(12)式の関連で、傾斜角θが小さ
くて干渉縞の明部、暗部が十分に発生しないため
(3)式より傾斜角θが決定できない場合は、第3の
波長、第4の波長(λ1>λ2>λ3>λ4)を用いれば
良い。
次に干渉縞の光強度分布に対応した極大値もし
くは極小値を検出する方法について述べる。
ラインカメラは第4図B′に示すように各素子
に入力した干渉縞光量Aに比例したセンサ出力を
第5図aに示す信号Bとして第5図bに示すクロ
ツクCに同期して出力する。そのクロツクCおよ
び第5図(c)に示すスキヤン開始信号Dは予めライ
ンカメラ7から出力されるので、これに同期させ
て第5図aのセンサ出力Bを処理して位置を決定
すればよい。
その一例を第6図について説明する。7は画像
検出用センサ9、クロツク発生器10、シフトカ
ウンタ11およびアンプ12を備えるラインカメ
ラ、13はクロツク発生器10およびアンプ12
に接続するスライスレベル設定回路、14はアン
プ12に接続するサンプルホールド回路、15は
サンプルホールド回路14に接続するA/D変換
器、16はA/D変換器15に接続するラツチ回
路、17はA/D変換器とラツチ回路16に接続
する比較回路、18はA/D変換器15、比較回
路17および後述するデコーダ21に接続する比
較回路、19は比較回路17と比較回路18に接
続するデータ処理回路、20はクロツク発生器1
0に接続するカウンタ、21はカウンタ20に接
続するデコーダである。
上記のような構成からなる干渉縞の明暗部を決
定する電気回路では、まずスライスレベル設定回
路13からラインカメラ7上のスライダ面の位置
n0(第5図d参照)が決定される。ついでクロツ
ク発生器10から出力される1クロツク内の出力
に対して、サンプルホールド回路14によりサン
プルホールドした後にA/D変換器15により
A/D変換し、この出力を比較回路17において
常に比較する。これを1画素に相当する各クロツ
ク毎に行う。すなわち、上記比較回路17では、
ラツチ回路16を用いて1クロツク前の値と比較
し、その差分の符号の変化をみる。その符号が増
から減あるいは減から増に変化したとき、比較回
路18を開きセンサの番号とレベルを入力する。
いま上記符号が波長λ1のとき増から減に(ある
いは減から増に)変化した場合のクロツク番号
(センサ番号値と同じ)をそれぞれnx11、nx22
(nx11)(第5図d参照)とする。予め使用してい
る波長λ1およびラインカメラ7上のスライダ面の
位置n0が判つているので、前記センサ番号値
ηx11、ηx22から次のようにして所望の最小隙間
hminを求めるための値を決定できる。
(nx11−n0)Δl=x11 (nx12−n0)Δl=x12 ……(13) ただしΔl:一画素の長さ 同様にλ2の波長を用いて求めたセンサ番号値を
nx21、nx22とすると (nx21−n0)Δl=x21 (nx22−n0)Δx=x22 …(14) 以下同様にして (nx31−n0)Δl=x31 (nx32−n0)Δx=x32 ……(15) となる。
次にnX11、nx11に対応するビデオ出力をEX11
Ex11とすると鮮明度Vは次式で示される。
V=EX11−Ex11/EX11−Ex11……(16) (16)式の変化を測定することにより、計測誤
差要因を検知する。例えば反射率の変化、面のう
ねり等が干渉縞光量分布に与える程度が検知でき
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、測定者
による誤差の発生を防止し、高精度にかつ迅速に
微小隙間を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の微小隙間測定方法の概念を示す
図、第2図は本発明に係わる微小隙間測定方法の
一実施例の概念を示す図、第3図ないし第5図は
第2図に示す実施例の説明用図、第6図は同実施
例の電気回路図である。 7……ラインカメラ、9……画像検出用セン
サ、10……クロツク発生器、13……スライス
レベル設定回路、19……データ処理回路、21
……デコーダ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 2つの平面がθなる角度で対向して配置した
    とき形成される〓間に、波長の異なる少なくとも
    2種類の単色光を照射して、干渉縞を形成し、該
    2種類の単色光の波長差をそれぞれの単色系で形
    成される干渉縞の明部と暗部が異なる次数同士で
    一致しないように選び、該2種類の単色光で形成
    される干渉縞の明部または暗部の位置を画像検出
    用センサで測定し、この結果から前記2つの平面
    間で形成される〓間の最小値を演算して求めるこ
    とを特徴とする微小〓間測定方法。
JP13289780A 1980-09-26 1980-09-26 Measuring method for fine clearance Granted JPS5759106A (en)

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JPH0684153B2 (ja) * 1989-12-29 1994-10-26 住友金属工業株式会社 鉄道車両の空気ばねへの給気方法

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JPS5759106A (en) 1982-04-09

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