JPS60200112A - 光学的形状誤差検出法 - Google Patents

光学的形状誤差検出法

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JPS60200112A
JPS60200112A JP59055750A JP5575084A JPS60200112A JP S60200112 A JPS60200112 A JP S60200112A JP 59055750 A JP59055750 A JP 59055750A JP 5575084 A JP5575084 A JP 5575084A JP S60200112 A JPS60200112 A JP S60200112A
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Toshio Honda
本田 捷夫
Junpei Tsujiuchi
辻内 順平
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Osaka Seimitsu Kikai Co 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
    • G01B11/30Measuring 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
    • GPHYSICS
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    • 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
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

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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】 〔発明の技術分野) 本発明(J、レーリ゛−光を用いて被検物体表面の形状
誤差を3次元的に測定づ−る光学的形状誤差検出?大に
関するものである。
〔発明の技術的青用どその問題点〕
・近年は、機械加」ニ部品の高い形状精度が要求される
ことが多く、また加工精度も向上している。
−普通、このよ−)な部品の形状h1測は3次元座標測
定機を用いておこなわれるが、この測定RにJ、る測定
は、時間と手間がかかり、大量生産品の品質管理のため
の検査にはあまり適しノていない。
(発明の目的) 本発明は、シー1f−光を用いて被検物体表面の形状誤
差を直感度かつ高速に3次元測定ぐぎる光学的形状誤差
検出法を提供しようとづるものである。
(発明の概要) 本発明の光学的形状誤差検出法は、レーリ゛−光により
大きい入射角で被検物体表面を照射し、その正反射光波
面を収束させやすい光波面に変換覆る特殊光学素子を用
いて収束させやすい光波面に変換し、この変換された光
波面を収束さけ、その収束状況を光電検出素子にJ:り
検出し、この光電検出素子の出力信号を処理づることに
より、被検物体表面の形状誤差を検査、測定Jることを
特徴とする構成のものである。
〔発明の実施例〕
以下:本発明を図面に承り実施例を参照して詳細に説明
覆る。
第1図に示りJ、うに、微小凹凸表面において同一方向
に正反CJりる光1と2の光路差Δは、A−〇[3・−
ΔB=2δCOSθであり、この光路差Aが照DIする
光の波長の数分の1以下の場合【よ正反射成分が増加し
、鏡面とみなすことができる。
光路差Aを小さくりるには上記式から入射角θを人きく
りればよい。
したがって、一般的には第2図に承りように、金屈加■
面3は、金属鏡のにうに特別な表面仕にげをしなりれば
、光学的には散乱面どしてff’ll <が、(〕かし
、第3図に承りように、入射角θを大ぎくしでゆくと、
十記狸由により、反射に伴う光1ど2の光路差が小さく
なり、その結果、正反口・1完成分4が強くなり、光り
γ・的鏡面どみなUるようになる。この現象はシーン(
sheenjとIlfばれている。
第4図おJ:び第5図は、上記シーン現象を利用して鏡
面反1iJを実現づるように、多きな入射角の方向から
、段S1どおりの理想形状の金属加工表面(これを基準
表面ど叶ぶ)11をシー1f−光12で照射し、そして
その基準表面11からの正反QJ光13を特殊光学素子
14あるいは15に導く状態を示づ。
この特殊光学素子14あるいは15の働きは、この素子
14あるいは15への正反射光13を第4図に示づ平面
波16あるいは第5図に示り球面波17に光波面変換づ
ることである。上記平面波16はレンズ18等により、
微小な一点に向かって収束さUることができる。また球
面波17はそのままで微小な−・貞に収束り°る。19
はその収束点である。
そこで第7図に示1ように、上記平面波または球面波の
収束光24の収束点19に小間口のピンホール20を買
す、その収束光24をづべて通過さけるようにする。ぞ
してそのピンホール20を通過づる光の強度を光電検出
素子21によっ°C検出する。
一方、第6図に示すように、実際の被検物体表面(以下
被検表面と呼ぶ)22がlet%+表面11からす゛れ
ていて形状誤差がある場合には、その被検表面22から
の正反射光23は基準表面11からの正反射光13に対
しその形状誤差に応じて変化し、それに伴って特殊光学
素子15からの出力光24aも平面波あるいは球面波の
収束光24どはWなり、いわゆる収差をもった光波面と
なる。この出力光24aはレンズ等によっても上記収束
点19には収束(集光)しない。
このJ:うに、被検表面22の形状が基準表面11の形
状と全く同じ場合には、第7図に示りJ:うに、特殊光
学素子14あるいは15からのU1力光は一点に集中し
てりべてピンホール20を通過するのC1上記光電検出
素子21からの出力信号は大ぎいが、第6図に示ずにう
に被検表面22が基準表面11からずれでいる(形状誤
差がある)場合には、第8図に示りJ:うに、特殊光学
素子14あるいは15からの出力光の一部しかピンホー
ル20を通過しないので、上記光電検出素子の出力信号
は小さくなる。その小さくなる程度は、被検表面22の
基準表面11からのずれ具合と敏感に対応する。
次に、基準表面11からの正反射光波面を平面波あるい
は球面波に変換覆るだめの上記特殊光学素子14.15
の一つとしてボログラ11光学索了がある。
すなわち、第9図に示づように、基準表面11からの正
反射光13と平面波あるいは球面波の平行参照光25と
でAフ・アクシスタイプの小1]グラム2Gを記録、作
成りる。このホログラムはB1粋ホ1コグラムに置きか
えることb可能である。次にこの(1成したボログラム
26を現像処理後、第10図に示づように、記録時と全
く同じ(O同叫正確にヒツトし、このホログラム26を
基準表面71からのiE反04光13の光波面27のみ
で照明覆れば、ホ[1グラl\2Gからの出力光である
プラス1次回折光28 +、iホIllグラム記録時の
もう一つの光波面Jなわら参照光25の平面波あるいは
球面波と同一光波面となり、レンズ18等により一点に
収束する。ところが、記録時の基準表面11を前記被検
表面22に侃ぎかえ、この被検表面22を同一のレーザ
ー光波面で照Ql シた場合、被検表面22の形状が基
準表面11とわずかに異なっていると、その被検表面2
2がらの1反04光23の光波面27aは基、準表面1
1からのそれとはわり゛かに異なった光波面どなり、こ
の反射光波而27aでホ[1グラム26を照明すると、
その波面の違いに応じてホログラム26からのプラス1
次回117光28aは上記平面波あるいは球面波とは少
し異なった光波面となる。この光波面はレンズ18等に
より微小4【一点(収束点)に収束させることはできな
い。
以上の説明をまとめると、次のようになる。
まず即想形状をもつ加工表面(基準表面)11に大ぎな
入射角でレーザー光12を照射し、その正反射光13ど
平面波参照光25とでボログラム26を記録し、現象処
理後、このホログラム2Gを記録時と全く同じ位だにレ
ッ1−する。そして記録時の基準表面11を被検表面2
2に置きかえ、この被検表面22を同一のレージ−光波
面で照射Jる。そし−Cその正反01光波面でボログラ
ム26を照明し、ホログラム2Gからのプラス1次回折
波を凸レンズ18で受()、後側焦」:、1面での光強
度分布を観察する。もし被検表面22が基準表面11と
全く同じであるどリ−ると、その光強度分布は微小な収
束点19に集中りるが、形状誤差があると、その分布、
母に応じて光強疫分布が広がったりあるいは集光位置が
ずれたりする。したがって後側焦点面の中心にピンホー
ル20を置き、このピンホール20を通過する光の強庶
苓光電検出素子21により検出りれば、この素子21の
出力と、被検表面22のM Q’表面11に対Jる形状
誤差に対応づる吊との相関が得られる。
なお上記実施例では、形状誤差に対応する仏門の最も簡
単な検出法として、光波の収束面にビンボール20を置
きそのピンホール20の通過光を光電検出する方法を示
したが、この手法以外に、第11図に示Jように、上記
光波の収束面に微小光電検出素子アレイ31を配列し、
それぞれの光電検出素−F31aの出力をマイクロコン
ピュータで処理りることにJ:す、被検表面22の基準
表面11からのずれの方向および程度を検出覆ることが
可能である。
次に、本発明検出法を歯車の「44形の3次元形状検査
に用いた実験例を第12図ないし第14図に示す。づな
わら、歯車32の各歯面の中でインボリコー1−理想形
状に近い歯面(爾ナンバー19預)を基準表面として、
He−NeレーIJ”−(波長633μm)の平行光1
2により、ビッヂ円上eの入射角θが約71度となる方
向から照射し、その正反0光波而27ど、参照光25の
平面波とにJ:つてガラス入4仮のホL1グラ1826
を作成1ノる。第12図にd5いて33はハーフミラ−
134はミラーである。次にその小ログラノ12Gを記
録時と同じ位置にしツ1〜し、上記基準表面の南面((
JAプンパー19番)からの正反射光のみでこのボ[」
グラム26を照+−aる。
そしてこのホ1コグラム26からのプラス1次回折光2
8を焦点距Ml fのレンズ18にJ:り集光し、基準
表面に対応づる光電検出素子21からの出力が最大とな
るJ:うに微小ビンボール20の位置を調節づる。
この配置で、歯車32の回転軸35を正確に1ピツチづ
つ回Q7さけることにより、他の各歯面に対応りる光電
検出素子21からの出力を読みとる。そして基準表面の
場合の出力に対りる他の歯面の出力の比をめれば、一定
の限界値以l;の場合を不良表面どして検出Jることが
できる。
4tお、前記特殊光学素子14.15は、基本的にはゆ
がんだ光波面を整った光波面(平面波、球面波)に変換
覆る作用をもった光学素子であればホログラムには限ら
れない。例えば、そのような働きを覆るガラスあるいは
プラスチック光学素子、キノフオーム等を特殊光学素子
として用いてもJ:い。
〔発明の効果〕
本発明は、(A)被検物体表面にタJL、人きい入射角
でシー1F−光を照射し、その反0・1光のうらの大き
い反射角の正反用光成分の光を用いること、(B)この
正反射光波面をホログラム等の特殊光学素子を用いて平
面波等の収束さlや゛りい光波面に波面変換すること、
(C)この光波面を収束さけ、での収束点あるいは収束
点とその近傍とに配置された′1個あるいは複数個の微
小光電検出素子により収束光の強度分イ11等を検出り
ること、(1))この検出された光強度分布等のデータ
を演輝処即することにより、被検物体表面の微小形状誤
差を出力することの4段階からなり、この4段階の組合
せによって高感度、高速の3次元的形状誤差4測を実現
りることができ、微小形状Kl差の分類(凹凸、傾きの
方向等)おJ:びムイ;差吊を容易に検出覆ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の光学的形状誤差検出法に係るもて゛、第1
図、第2図および第3図【31シーン現Φ示り説明図、
第4図、絹5図33 J:び第6図は1!i光学素子の
1lil+ぎを示づβ1明図、第7図および第Nは特殊
光学素子よりの出力光をピンホールをて光電検出素子に
にり検出りる作用を示づ説明第9図はホログラム作成時
の説明図、第10図ホログラム再生時のi+2明図、¥
X11図は上記ピホールの代替手段である〉に電検出累
了アレイおびその出力の処理系統を承り説明図、第12
図本発明を1!iii中の歯形の形状に5t 55−検
出に利用覆る合の説明図、第13図および第1/1図は
イの歯の斜視図である1゜ 12・・レーリ゛−光、21.31a ・・光電検出素
22・・被検物体表面(被検表面)、2G・・特殊学素
子としてのホ1]ダラム。 Yノ3目

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) レーリ゛−光により大きい入射角で被検物体表
    面を照則し、その正反a・J光波面を収束さlやり−い
    光波面に変換り−る特殊光学素子を用いて収束させやづ
    い光波面に変換し、この変換された光波面を収束させ、
    その収束状況を光電検出素子により検出し、この光電検
    出素子の出力信号を処理づ“ることにより、被検物体表
    面の形状誤差を検査、測定りることを特徴とり°る光学
    的形状誤差検出法。
JP59055750A 1984-03-23 1984-03-23 光学的形状誤差検出法 Granted JPS60200112A (ja)

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JP59055750A JPS60200112A (ja) 1984-03-23 1984-03-23 光学的形状誤差検出法
US06/713,531 US4657396A (en) 1984-03-23 1985-03-19 Optical method for detecting errors in shape

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JPS60200112A true JPS60200112A (ja) 1985-10-09
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