JPS60186705A - 光学式粗さ計 - Google Patents

光学式粗さ計

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JPS60186705A
JPS60186705A JP4276984A JP4276984A JPS60186705A JP S60186705 A JPS60186705 A JP S60186705A JP 4276984 A JP4276984 A JP 4276984A JP 4276984 A JP4276984 A JP 4276984A JP S60186705 A JPS60186705 A JP S60186705A
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JP
Japan
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measured
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light
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JP4276984A
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Kimiyuki Mitsui
公之 三井
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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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
    • G01B11/306Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は工作物等の表面の粗さを高感度に測定するた
めの光学式粗さ計に関するものである。
工作物の表面の粗さは、寸法精度、形状精度どともに、
機械加工の特性を評価するための重要す因子である。表
面品位の良否は単に外見的な問題にとどまらず、加工部
品の機能とも密接に関連している。個々の部品に要求さ
れる表面粗さの程度を満たすように機械加工を行うこと
は、加工能率並びに、使用工具や工作機械の状態とも関
連してくるため、品質管理の一端として表面粗さに注目
することが、機械加工の高度の自動化を達成するうえで
、益々重要な課題になってきている。表面粗さ測定法と
して、従来より広く用いられている触針式表面粗さ測定
法は、信頼性が高く、測定精度の面でも優れているが、
測定速度が低いこと、被測定物を測定装置に取付けるこ
とが必要なこと、軟質金属に対しては表面を傷つける可
能性があること等が難点となっている。一方、本件発明
の発明者の一人らは、加工サイクル中において非接触で
表面粗さを測定するための方法を開発し、切削中におけ
る測定、加工後ではあるが、オンマシンでの測定の可能
性を示すとともに、開発の目的の一つである工作機械の
振動と表面粗さの関連を明らかにするための実験に適用
し、多くの知見を得1こ。
しかし、機械加工部品が多様化している川石、超精密加
工や研削加工における、上に述べたような課題に対処す
るためにはより高速、高精度なインプロセス粗さ計の開
発が必要になってきている。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、被測定面に対して非接触で、従って、被測定面を傷
つけることがなく、高速、高精度でインプロセス測定が
可能な粗さ計を提供することを目的とするものである。
この目的に対応して、この発明の光学式粗さ計は少なく
とも、光源とビームスプリッタと円柱レンズと一方の分
割受光素子と及び他方の分割受光素子とを備え、前記光
源からの光線束を被測定面上で反射させ、前記反射した
光線束を前記ビームスプリッタで2分割し、前記分割さ
れた一方の光線束を前記円柱レンズを′通して前記一方
の分割受光素子上に入射し、前記分割された他方の光線
束を前記他方の分割受光素子上に入射し、前記一方の分
割受光素子の出力と前記他方の分割受光素子の出力との
差動出力を出力として取り出すように構成したことを特
徴としている。
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。
まず、この発明の光学式粗さ計による表面粗さの測定原
理を第1図について説明する。
光により非接触で測定物表面の断面形状をめる方法は幾
つか発表されているが、レンズにより測定物表面に結像
した光点の焦点位置からのずれを知ることにより断面形
状を推定する方法が、測定精痕、装置の小型化の可能性
などの面から有ツノである。光点の変動の検出方法には
数種類あり、すでに非接触の表面粗さ、ないし平面度の
測定に応用されているものもある。本発明ではこれらの
うち、円柱レンズで非点収差を与えることにより焦点ず
れを検知する方式を採用して、インプロセス粗さ測定を
行うこととしている。
第1図が測定の原理図である。対物レンズ1により結像
される表面の光点の像位置をQとする。
非点収差を与えるために、対物レンズ1の後方に円柱レ
ンズ2を置く。円柱レンズ2による結像位置をPとする
と、PQ間では、PからQに向かうにつれて、光線束の
断面は長袖が鉛直な楕円から、長袖が水平な楕円へと変
化する。この間Sでは光線束の断面形状は円となる。8
点における光線束の断面形状は、表面の位置により、図
に示したように変化するから、これを4分割フォトダイ
オードで光電変換し、演算することにより、表面位置に
対応した出力信号を得ることができる。
第2図にはこの発明の一実施例に係る光学式粗さ計10
が示されている。光学式粗さ計10は被測定面11を照
明するためのレーザ光源12を備える。レーザ光源12
としてはHe−Neレーザ、半導体レーザ等を使用する
ことができる。
被測定面11とレーザ光源12との間にはコリメー々レ
ンズ13、ピンホール14、偏光ビームスプリッタ15
、(λ/4)板16、及び対物1ノンズ1を配置する。
偏光ビームスプリッタ15の反射側にはビームスプリッ
タ17を配置し、ビームスプリッタ17の透過側に円柱
レンズ2及び第1の分割受光素子18を配設する。この
円柱レンズ2としては円柱凸レンズまたは円柱凹レンズ
のいずれをも使用することができる。またビームスプリ
ッタ17の反射側には第2の分割受光素子21を配設す
る。第1の分割受光素子18及び第2の分割受光素子2
1は等角度で配置された4個の独立した受光面(第1の
分割受光素子18については受光面AI。
A2 、、A3 、 A4 、第2の分割受光素子21
については受光面B1,82.83.84 )を持つ受
光素子で、このような受光素子としては4分割フォトダ
イオードを用いることができる。
ビームスプリッタ17と第2の分割受光素子21の間に
は必要に応じてレンズまたは円柱レンズ22を配設する
ことができる。円柱レンズ22を配設する場合に、円柱
レンズ2と円柱レンズ22の両方に円柱凸レンズ若しく
は円柱凹レンズを使用する場合は、両日柱レンズの母線
を90”ずらして配置する必要がある。
このように構成された光学式粗さ計10において被測定
面11の粗さを測定する場合には、レーザ光源12から
のレーザ光をコリメータレンズ13、ピンホール14、
偏光ビームスプリッタ15、(λ/4)板16及び対物
レンズ1を通して被測定面11を照明し、かつ被測定面
11からの反射光を対物レンズ1、(λ/4)板16を
通して偏光ビームスプリッタ15で反射させて、ビーム
スプリッタ17に入射する。ビームスプリッタ1アでは
入射光線束を2分割し、一方の光線束20aを円柱レン
ズ2を通して第1の分割受光素子1日に入射する。第1
の分割受光素子18では被測定面11の凹凸に応じて、
第1図に示す原理によって、受光面A1〜A4の受光量
、従って出力が異なることとなり、被測定面11の粗さ
を測定することができる。
ただし、被測定面11が旋削面などのように傾斜の比較
的大きな断面曲線や、鋭いエツジを持つ段差の測定時に
は、回折像の影響により第1の分割受光素子18の特定
の受光面に非常に強度の大きい光が入射するために、断
面曲線の振幅が実際より数倍〜十数倍大きく測定される
。そこで、この発明ではビームスプリッタ17で光路を
2分割し、第2の分割受光素子21にも被測定面11か
らの反射光20bを入れ、第1の分割受光素子18の出
力を第2の分割受光素子21の出力で補正し、回折光の
影響を除去する。従って、被測定面11の断面曲線に対
応する信号は、Ai 、 Biを分割受光素子の各受光
面からの出力信号として、SQ −((At十△3) −、(A2 +A4 ) /Σ△i) t1 − ((B1 +83 ) −(B2 +84)/交Bi) ε・1 ・・・(1) で与えられる。
または史A I s Z s +をフィードバックして
しtでl DI −ザ光5112の出力を変えて 8a = (△1+A3 )−(A2 +A4 )−(
(31−1−83) + (B2 +84 )・・・(
2) で与えられる。
但し、この実施例ではビームスプリッタ17の透過側を
検出側とし、反射側を補正側としているが、これとは反
対に、透過側を補正側とし、反射側を検出側として利用
してもよい。
〔実験例〕 測定表面の変位に対する出力電圧の特性を第3図に示す
。第3図より、合焦位置く出力OV)から±10flI
11の範囲で出力特性はほぼ直線的に変化していると見
ることができる。
第4図は、圧電素子を用いて測定表面を微小振幅で振動
させ、その間における表面の変位を静電容隋式変位Kf
(ADE3016△)と本測定装置により同時に測定し
た結果を示したものである。
測定表面の振動振幅は0.02μ鋼であるから、出力信
号に重畳した50)−IZの電気的雑音成分を考慮して
も、測定分解能は、変位計としての特性でみる限り、0
.01μm以上であることかわる。
第5図は約0.9μmの段差のある表面粗さ計校正用標
準片を測定対象とした実験結果である。
第5図のa)、b)に示した波形は4分割フォトダイオ
ード八及びBの出力信号である。両信号の差に相当する
のが、(1)式で与えられる測定信号であり、C)で示
されている。段差に対する測定値はおよそ0.96μm
となっており、実際の値とよく一致しているが、段差の
両端部で測定誤差が生じている。これは表面の傾斜が急
激に変化する段差の端部で生ずる回折像の影響を第2図
に示したように、ビームスプリッタにより分割した2つ
の光学系で除去しているのであるが、光学系のアライメ
ン1−の調整が十分でないために、これを完全にとり除
くことができなかったことににる。
以上の説明から明らかな通り、この発明の光学式粗さ計
は、被測定面の光学的測定を可能にし、被測定面を傷つ
けることなく高速、高精度、かつ高信頼性の測定を可能
にするとともに、被測定物を工作機械等にとりつけたま
ま測定することができるので、インプロセス粗さ測定が
可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は粗さの測定原理を示す構成説明図、第2図はこ
の発明の一実施例に係る粗さ計を示ず構成説明図、第3
図は、変位−出力特性を示すグラフ、第4図は微小変位
に対する検出特性を示ηグラフ、及び第5図は段差測定
結果を示す粗さ計の出力を示すグラフである。 1・・・対物レンズ 2・・・円柱レンズ 10・・・
光学式粗さ片1 11・・・被測定部 12・・・レー
ザ光源 15・・・偏光ビームスプリッタ 17・・・
ビーl\スプリッタ 18・・・第1の分割受光索子2
1・・・第2の分割受光素子 ニー1j 第1図 第2図 4゜区ン8

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも、光源とビームスプリッタと円柱レンズと一
    方の分割受光素子と及び他方の分割受光素子とを備え、
    前記光源からの光線束を被測定面上で反射させ、前記反
    射した光線束を前記ビームスプリッタで2分割し、前記
    分割された一方の光線束を前記円柱レンズを通して前記
    一方の分割受光素子上に入射し、前記分割された他方の
    光線束を前記他方の分割受光素子上に入射し、前記一方
    の分割受光素子の出力と前記他方の分割受光素子の出力
    との差動出力を出力として取り出すように構成したこと
    を特徴とする光学式粗さ計。
JP4276984A 1984-03-06 1984-03-06 光学式粗さ計 Granted JPS60186705A (ja)

Priority Applications (1)

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JP4276984A JPS60186705A (ja) 1984-03-06 1984-03-06 光学式粗さ計

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4276984A JPS60186705A (ja) 1984-03-06 1984-03-06 光学式粗さ計

Publications (2)

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JPS60186705A true JPS60186705A (ja) 1985-09-24
JPH0214642B2 JPH0214642B2 (ja) 1990-04-09

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ID=12645178

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JP4276984A Granted JPS60186705A (ja) 1984-03-06 1984-03-06 光学式粗さ計

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JP (1) JPS60186705A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62134016U (ja) * 1986-02-18 1987-08-24
JPS63250552A (ja) * 1987-04-08 1988-10-18 Yasunaga Tekkosho:Kk 光学式傷変位計測装置
JPH02162789A (ja) * 1988-12-16 1990-06-22 Juki Corp 直接描画方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JPH02162789A (ja) * 1988-12-16 1990-06-22 Juki Corp 直接描画方法

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JPH0214642B2 (ja) 1990-04-09

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