JPH044966Y2

JPH044966Y2 -

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Publication number: JPH044966Y2
Application number: JP1984167945U
Authority: JP
Priority date: 1984-11-07
Filing date: 1984-11-07
Publication date: 1992-02-13
Also published as: JPS6184510U

Description

【考案の詳細な説明】ａ考案の目的（産業上の利用分野）本考案に係る微細形状測定器は、鏡面仕上を施
した金属表面の表面粗さ測定等、各種高精度の測
定に使用される。

（従来の技術）金属表面の表面粗さ等、各種精密形状測定を行
なうために、光梃子式、電気式の微細形状測定
器、或は比較的精度の粗いものとしてはミクロケ
ータ、ダイヤルゲージ等が使用されている。

このうち、電気式の微細形状測定器について説
明する。電気式の微細形状測定器は、第１図に示
すように、被測定面１の凹凸に追従して昇降する
触針２の途中に固定した鉄芯３と、この鉄芯３を
囲んで設けたコイル４とにより差動トランスを構
成したもので、上下対となつた互いに平行なばね
５，５により支承された触針２が被測定面１の凹
凸に従つて昇降すると、コイル４の出力電圧が触
針２の変位量に比例して変化する。このため、こ
の電圧変化分から被測定面１の凹凸形状を知るこ
とができる。６は測定圧調整用のばねである。

このような従来の微細形状測定器は測定時に触
針を被測定物表面に接触させたまま移動させるた
め、被測定物の表面を傷付けてしまう。このた
め、触針等の測定子を被測定面に接触させること
なく被測定面の形状を測定することができる、レ
ーザ光を用いた光学式の微細形状測定器が考えら
れている。次に、この光学式の微細形状測定器の
原理について簡単に説明する。

第２〜４図は、光学式の微細形状測定器の原理
を示している。この原理は、昭和58年度精機学会
秋季大会学術講演会論文集の第391〜392頁及び工
業技術院機械技術研究所発行の機械研ニユース
1983年No.９の第１〜２頁に記載されたものであ
る。この測定器は、投光手段と受光手段とから成
り、投光手段は、レーザダイオード７から送り出
されたレーザ光は、第２図に示したコリメータレ
ンズ８、偏光ビームスプリツタ９、４分の１波長
板１０、対物レンズ１１を通つて被測定面１に投
射される。受光手段では、このレーザ光はこの被
測定面１で反射して再び対物レンズ１１、４分の
１波長板１０を通り、偏光ビームスプリツタ９で
反射してハーフミラー１２に送られる。このハー
フミラー１２で反射したレーザ光は第一の臨界角
プリズム１３に臨界角で入射し、これを通つて第
一、第二のフオトダイオード１４，１６に送ら
れ、ハーフミラー１２を透過したレーザ光は第二
の臨界角プリズム１５に臨界角で入射し、これを
通つて同じく第一、第二のフオトダイオード１
４，１６に送られる。測定器の測定ヘツドに固定
の対物レンズ１１と被測定面１との距離が変化す
ると、この被測定面で反射してから第一、第二の
臨界角プリズム１３，１５内に進入するレーザ光
の入射角度が変化し、その結果第一、第二のフオ
トダイオード１４，１６に達する光の強さが変化
するため、第一、第二のフオトダイオード１４，
１６の出力差の変化を検出すれば被測定面の凹凸
を知ることができる。臨界角プリズムの原理を示
す第３図により更に説明すると、被測定面がＢ位
置にあつた場合、被測定面で反射したレーザ光は
同図に実線で示すような経路で第一、第二のフオ
トダイオード１４，１６に入り、両フオトダイオ
ードから同じ大きさの出力が出る（電位差０）。
被測定面がＡ位置にまで近付くと、反射レーザ光
は同図に鎖線で示すような経路で臨界角プリズム
１３，１５に入る。この状態に於いてはレーザ光
の一部がプリズム内で反射せずにそのまま透過し
てしまうため、第一、第二のフオトダイオード１
４，１６に入るレーザ光が弱くなるが、この弱く
なる度合は第二のフオトダイオード１６に比べて
第一のフオトダイオード１４の方が大きくなるた
め、両ダイオード１４，１６の出力に差が出る。
反対に被測定面がＣ位置にまで遠ざかると、反射
レーザ光は同図に破線で示すような経路で臨界角
プリズム１３，１５に入り、上述したＡ位置の場
合と逆の電位差が第一、第二のフオトダイオード
１４，１６の間に生じる。被測定面の変位量と出
力電位差ｖとの間には第４図に示すような関係が
あるため、この電位差ｖから被測定面の微細な形
状を求めることができる。なお、第２図に於いて
臨界角プリズムを第一、第二の２個用意し、第
一、第二のフオトダイオード１４，１６を２組設
けたのは、被測定面１の傾斜に基く誤差をキヤン
セルするためである。

又、第２図に示した構造では、レーザダイオー
ド７とコリメータレンズ８とを偏光ビームスプリ
ツタ９の上方に配置し、この偏光ビームスプリツ
タ９を通過したレーザ光を被測定面１で反射させ
てから上記偏光ビームスプリツタ９で側方に採り
出すようにしているが、第５図に示すようにレー
ザダイオード７とコリメータレンズ８とを偏光ビ
ームスプリツタ９の側方に配置し、この偏光ビー
ムスプリツタ９で反射したレーザ光で被測定面１
を照射し、この被測定面１からの反射光を偏光ビ
ームスプリツタ９を透過させて第一、第二のフオ
トダイオード１４，１６に送るように構成しても
良い。

（考案が解決しようとする問題点）ところが、上述のような従来の微細形状測定器
に於いては、次に述べるような不都合を生じる。

即ち、微細形状測定器により測定される被測定
面１の表面には、第６図に拡大して示すように、
表面加工により形成された微細な溝１７，１７が
形成されている場合が多く、このような溝１７，
１７が表面に形成された被測定面の表面形状を測
定する場合、溝１７，１７に直角なａ方向に測定
を行なう事が日本工業規格（JIS）に定められて
いる。このような溝１７，１７を有する被測定面
１をレーザ光で照射した場合、対物レンズ１１か
ら照射される部分までの距離が各溝１７，１７の
深さ分だけ異なり、この距離の差に基づく回析現
象により、被測定面１からの反射光には第７図に
示すような干渉縞１８，１８が生じる。このよう
に被測定面１に存在する溝１７，１７により生じ
る干渉縞１８，１８の部分の幅及び光強度は、溝
１７，１７の幅と深さとによつてそれぞれ相違す
る。この干渉縞は、凹凸のない平坦面から反射さ
れたならば円形光となるべき光が、反射面の凹凸
による干渉のため形成されるものであり、円形光
となるときには縞の位置を外れた位置にあるべき
反射光の一部が縞の内に集められてしまう。従つ
て第８図のように、フオトダイオード１４，１６
を干渉縞の長さ方向と直角方向に配置して受光す
ると、円形光の場合は例えばフオトダイオード１
４に入るべき光がフオトダイオード１６に入つて
しまうような現象を生じ、両フオトダイオードの
出力差を測定しても溝の深さを正確に測定できな
くなる。

本考案は上述のような事情に鑑み、干渉のため
正確な被測定面の凹凸測定が妨げられることを無
くすことのできる微細形状測定器を提供すること
を目的としている。

ｂ考案の構成本考案の微細形状測定器は、被測定物を載せる
試料台又は測定ヘツドを第一、第二のフオトダイ
オード１４，１６の配列方向に、相対的に移動可
能にすることにより、被測定面１からの反射光中
に生じた干渉縞１８，１８のいずれもが、第９図
に示すように両フオトダイオード１４，１６に半
分ずつ到達するようにしている。各干渉縞１８，
１８の幅は、前述のようにそれぞれ異なるが、１
本の干渉縞１８について見た場合、その幅はその
長さ方向（第７〜９図上下方向）中央位置に対し
てほぼ対称になるため、第一、第二のフオトダイ
オード１４，１６の境界線を第９図のように干渉
縞１８，１８の中央を通りその長さ方向と直角方
向に位置させる。これにより、各干渉縞１８，１
８に混在する干渉に基く光量は、両フオトダイオ
ード１４，１６の出力差を検出するときに相殺さ
れる。

従つて、第一、第二のフオトダイオード１４，
１６を干渉縞１８，１８と平行に配置し、各フオ
トダイオード１４，１６に入る反射光にそれぞれ
別の干渉縞１８，１８が含まれるようにすると、
両フオトダイオード１４，１６に入る反射光の強
度が干渉縞１８，１８の存在によつても変化して
しまう。このように、第一、第二のフオトダイオ
ード１４，１６に入る反射光の強度が、対物レン
ズ１１と被測定面１との距離以外の要素でも変化
するようになると、上記距離の測定を正確に行な
えなくなつてしまう。

本考案は上述のような事情に鑑み、干渉縞によ
り強度むらを相殺することで測定値への影響を無
くすことのできる微細形状測定器を提供すること
を目的としている。

ｂ考案の構成本考案の微細形状測定器は、第一、第二のフオ
トダイオード１４，１６の配列方向と、測定器に
対して被測定面１が相対的に移動する方向とを工
夫することにより、被測定面１からの反射光中に
生じた干渉縞１８，１８のいずれもが、第９図に
示すように両フオトダイオード１４，１６の半分
ずつ到達するようにしている。干渉縞１８，１８
同士の幅及び光強度は前述のようにそれぞれ異な
るが、１本の干渉縞１８について見た場合、その
幅及び光強度はその長さ方向（第７〜９図上下方
向）中間位置に対してほぼ対称になるため、第
一、第二のフオトダイオード１４，１６を第９図
に示すように干渉縞１８，１８の方向と直角方向
に配列することにより、各干渉縞１８，１８の存
在による光強度むらは両フオトダイオード１４，
１６の間で相殺される。

従つて、第一、第二のフオトダイオード１４，
１６に達する反射光の強度差は、対物レンズ１１
と被測定面１との距離変化に基づくものだけとな
り、上記距離を正確に求められるようになる。

なお、第９図に示すように干渉縞１８，１８の
方向と第一、第二のフオトダイオード１４，１６
の配列方向とが直角になるようにするためには、
両フオトダイオード１４，１６を第２図及び第５
図に示すように配列した場合、各図で対物レンズ
１１に対して被測定面１が表裏方向に移動するよ
うに構成すれば良い。即ち、第２図及び第５図に
於いて被測定面１上の溝１７，１７が左右方向に
存在するように試料台上に試料を載せれば、干渉
縞１８，１８とフオトダイオード１４，１６の関
係は第９図の状態となり、この状態で試料台又は
測定ヘツドを各図の表裏方向に移動させれば、溝
１７，１７に対して直角方向に表面形状の測定を
行なうことができる。被測定物の表面の凹凸を測
定するのは、殆どが物品の表面仕上げの結果を検
査する時に行なうものであるから、溝１７，１７
の深さは微小であつて目視によつてはその方向を
知ることはできないが、前段階の加工方法により
溝の方向は判るから、このような場合に試料台又
は測定ヘツドの移動方向と直角に溝１７を位置さ
せて被測定物を試料台に取付けることは容易であ
る。前述のように、JISでもこのように検査すべ
きことを規定している。

なお、レーザ光を投射する測定ヘツドと被測定
面１を有する被測定物を載置する試料台とは相対
的に平行移動自在であれば良く、どちらを移動さ
せるように構成しても差支えない。勿論両方共移
動可能としても良い。

ｃ考案の効果本考案の微細形状測定器は以上に述べた通り構
成されるため、被測定面の微細な凹凸を干渉によ
る影響を受けることなく正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は接触式の微細形状測定器の１例を示す
略縦断側面図、第２図は光学式の微細形状測定器
の原理を示す略側面図、第３図は臨界角プリズム
の原理を示す略側面図、第４図は臨界角プリズム
により生じる電位差と変位量との関係を示す線
図、第５図は光学式微細形状測定器の別例を示す
略側面図、第６図は被測定面を拡大して示す斜視
図、第７図は被測定面上の溝により生じる干渉縞
を示す図、第８〜９図はこの干渉縞の方向に対応
してフオトダイオードを配列する方向の２例を示
しており、第９図は本考案の場合を示す図であ
る。１……被測定面、２……触針、３……鉄芯、４
……コイル、５，６……ばね、７……レーザダイ
オード、８……コリメータレンズ、９……偏光ビ
ームスプリツタ、１０……４分の１波長板、１１
……対物レンズ、１２……ハーフミラー、１３…
…第一の臨界角プリズム、１４……第一のフオト
ダイオード、１５……第二の臨界角プリズム、１
６……第二のフオトダイオード、１７……溝、１
８……干渉縞。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

投光手段と受光手段とより成り、投光手段は、
レーザダイオード７の出すレーザ光をコリメータ
レンズ８、偏光ビームスプリツタ９、４分の１波
長板１０、対物レンズ１１に順次通し、試料台に
載せた被測定物の被測定面１に対物レンズ１１の
焦点を結ばせるものであり、受光手段は、被測定
面から反射し対物レンズ１１、４分の１波長板１
０を通つたレーザ光を偏光ブームスプリツタ９で
反射させて臨界角プリズム１３，１５に臨界角で
入射させ、この臨界角プリズムから出るレーザ光
の光軸に直交し且つ入射光が平行から拡散／収束
するようにずれるのに応じて各々への入射光量の
比率が変化する方向に２箇のフオトダイオード１
４，１６を隣接配置したものである微細形状測定
器において、試料台又は測定ヘツドは、被測定面
の凹凸に基いて反射光に生じる干渉縞の長さ方向
と２箇のフオトダイオード１４，１６の配列方向
とを一致させた状態で、両フオトダイオード１
４，１６の境界線を干渉縞の長さ方向中央位置に
合致させる移動が可能である微細形状測定器。