JPS6288905A - 細い線材等の無接触直径測定方法及びその装置 - Google Patents

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】 本発明は細い線、繊維、液体放射等の直径の無接触測定
、並びに間隙の無接触測定及び細い孔の直径の無接触測
定を平行、単色かつコヒーレント光による測定対象物の
照明によるフラウンホーファ回折によって行う測定方法
及びその装置に関する。この方法によって高い測定精度
が達成され、かつ直径又は隙間巾を変える工学的プロセ
ス（例えば引抜き、塗布、蒸発）の連続的制御及び管理
のために静的個別測定にもその他でも有利に使用される
ことができる。

（従来の技術） 無接触直径測定のために、光学的又は空気圧的測定手段
が使用され、又は光学的方法が使用される多くの技術的
解決が公知であり、その際線の投影（東独国専用特許Ｄ
Ｄ−１０６４６９号）、その光学的像は球面レンズ又は
シリンドリカルレンズ（西独国特許明細書ＤＢ　−１５
４８２０９号、同ＤＥ−２４４８６１１号）又はその走
査は可視光線（西独国特許明細書ＤＥ〜２１０５１８５
号）によって利用される。

これら全ての方法には共通して、直径が小さくなるに従
って測定コストが嵩みかつ測定精度が低下するという欠
点を伴う。小さい直径、例えば２００μｍ以下のもので
は、フラウンホーファ回折を利用する方法が使用される
ことになる。

（例えばＥ、Ｇｒｉｍｓｅｈｌの物理学教本■章、光学
１、ブロックハウスａｂｃ物理学）、巾すの隙間又は直
径すの線を波長λの平行、単色かつコヒーレント光で照
明した場合、回折像が生じ、その相対的強度分布■（β
）は与えられた光βの回折角の函数としてＩ（β）〜（
ｓｉｎ　Ｚ／Ｚ）　”によりあたえられ、その際 大きさＺは略 Ｚ＝π・ｂ　−ｓｉｎβ／λ により得られる。この強度分布は照明光の方向に関して
対称でありかつ交互に極小と極大を有し、その位置は波
長が知られていれば、線直径の寸法として使われる（物
理学第７巻（１９５１年）、第２４２頁参照）。

この回折像の評価のための技術的解決が公知であり、そ
れによれば強度極大又は極小の位置は直ちに測定される
。このことは写真的方法で行われ得（西独国特許明細書
ＤＢ　−２３１９４１０号）又は回折像は１つ又は２つ
の運動可能な光電池によって順次走査される（西独国特
許明細書ＤＢ−１９００９２４、同ＤＢ　−２１４１８
２４号）。しかしこの種の方法は連続的測定には適さな
い。池の公知の解決（西独国特許明細書ＤＥ−１６２３
２３０号、同ＤＥ−１９０８２７５号）では、回転し又
は振動する走査装置によって回折像が位置固定の検出器
を介して案内され、かつ検出器信号の時間的経過から強
度極大又は極小の空間的距離が決定される。類似の方法
（西独間明細書ＤＥ−２３３１５７５号）は回転円板格
子によって回折像を走査しかつ格子の中心の把握と極大
値との間の時間差から距離を検出する。前記３つの方法
は故障を起こす原因となる機械的に動かされる構成部分
を使用する。そのために両前記の場合、測定方法によっ
て必要とされる精度で走査速度を決定しなければならな
いという必要性が生じる。特別の困難性はこの方法では
、非常に偏平に経過する強度分布の極値の位置を概して
充分な精度を以て確定しようとする点にある。その鬼門
のために、好適に選択された閾値の弁別に従って信号を
矩形パルスに変換しく西独間特許ＤＥ−２３３１５７５
号）又はその相違及び続いてのゼロ位置決定によって精
度の向上が持ちこされる（西独国特許ＤＥ−２０２６８
０３号）べき方法が提案された。しかしこれらの全ての
解決には全ての回折像から僅かな像要素の情報又は隣接
した像要素の僅かな強度差のみを使用し、それによって
現実の測定条件の下に生ずる個々の測定点の誤差に対し
て特別に敏感であるという大きな欠点を伴う。

同様な欠点を他の公知の方法（西独国特許明細書ＤＢ−
１２９９７３９号、同ＤＢ−１９２９５０５号、同ＤＥ
−２１２３４６１号、同ＤＥ−２３１９４１０号）が有
し、その際１つ又は多数のフォトセルが回折像の中央か
ら一定の距離をおいて強度極大及び隣接した強度極小の
間の面に配設されており、その強度測定値は予め与えら
れた目標値からの線径の偏りの蛍として利用される。こ
の方法は、個々の極小値及び極大値の緊密な連続のため
に非常に限られた測定範囲しかカバできないという欠点
を伴う。

一般に光の像の空間的構造及び光像に含まれる周波数成
分の一般的把握のために、多数の受光器、例えばセンサ
電池及びセンサマトリックスの形のものから構成される
特別のオプトロニクス構成要素による技術的解決も公知
であり（東独国専用特許ＤＤ−２２２１０９号、西独間
特許明細書ＤＥ−２１４０９３９号、同ＤＢ−２４４８
５７１号、同ＤＢ−２９４７７２２号、及びヨーロッパ
特許ＥＰ−０１００４１２号）、しかしこれらの方法は
回折像の把握及び評価のためには従来使用されなかった
。

公知の技術的解決の他の群は参照像と比較した回折像の
評価である。そのように参照像として同様に回折像が使
用され、これは等しい波長の光によって照明された既知
の巾の補助間隙によって生成される（西独間特許明細書
ＤＢ−８２７１２３号、同ＤＥ−２１３８９９９号）。

この隙間の巾及び回折像の巾が一致する場合、両回折機
は中心像の外方で同一であり、かつ相異なる評価方法の
信号は極小になる。他の公知の方法では、参照像として
空間周波数フィルタが使用される。このフィルタは交げ
に透過しま又は不透明しまから成りかつ回折像と一致し
た場合に強度が極小となり（西独国特許明細書ＤＥ−２
１６５６９３号）又は位相ウェブの配列から成り、位相
ウェブは一致の場合測定対象物の像の像平面における極
大強度の相関ピークを生ずる（東独国専用特許ＤＤ−２
２２１０９号）。この種の解決はまず一般的に、これに
よって参照像によって予め与えられる目標値からの偏位
が狭く限られた測定範囲内においてしか把握されること
ができないという欠点を伴う。広い測定範囲をカバする
ために、前記方法では参照像を補助隙間の巾の変化又は
光路中に有効な空間アイルタの縞の巾の変化によって測
定可能に変えることが提案される。他の技術的解決にお
いて、回折像の大きさは補助隙間又は線の測定可能な移
動（西独間特許明細書ＤＥ−８２７１２３号）により拡
散光線束の使用の下に（西独間特許明細書ＤＢ−１９３
３６５１号）又はズームレンズの使用によって（西独国
特許明細書ＤＥ−２１６５６９３号）、固定した参照像
に測定可能に適合される。

しかしこれら全ての方法はその測定範囲が機械的移動に
よって順次に走査されねばならないという欠点を有する
。この種の機械的に動かされる構成要素は連続運転中摩
耗の危険があり、かつ連続測定には不適当である。類似
の原理によれば与えられた数パルス列が参照像の機能を
有する走査方法も実施される　（西独国特許明細書ＤＢ
−１９０８２７５号）。

他の技術的解決（西独国特許明細書ＤＥ−１９２５５８
７号）において、回折又は屈折によって曲げられる全て
の光の総合強度をシュリーレン法の適用のために実用さ
れるような構成において把握し、かつこれを線径の寸法
として利用することが提案される。この方法は線表面の
粗さ及び汚れが偏向された光の強度従って測定結果を不
特定の方法で影響しうるという欠点を有する。

（発明の目的） 本発明の目的は測定方法及びこの測定方法の実施に適す
る装置を創造することであり、本発明は機械的に動かさ
れる構成部分の使用を回避して、静止している又は走行
する細い線、繊維、液体放射等の直径並びに隙間や小さ
い孔の直径を、無接触かつ非破壊の下に、高精度かつ大
きな測定範囲内で明白な結果を以て連続的に測定するこ
とを行う。

（発明の詳細な説明） 公知の技術の技術的欠点の主要点は細い線、繊維、液体
ジェット等の直径の測定のため並びに隙間中の測定のた
め及び小さい孔の直径の測定のために、特別に好適な回
折像をその情報内容の手段をつくして、高速度で把握し
かつ評価することの困難性である。

（発明の課題） 本発明は、回折像の使用によって大きい測定範囲に亙っ
てかつ明白な結果をもって並びに技術的プロセスの使用
の際に摩耗なくかつ故障なく評価されうるように、迅速
かつ正確に作動する測定方法及びこのＪｌｌ定法法実施
するための装置を開発することを課題の基礎とする。

（課題の解決のための手段） 本発明によれば上記課題は測定対象物から生ずる回折像
の半体又は両半体の全ての位置的強度分布は大きな回折
角となる非本質的範囲をカットして、並びに回折されな
い光線の近くで間断なく把握され、デジタル化され、及
びデジタルの形で記憶され、そしてそのようにして得ら
れたデータ界はフーリエ変換によって位置振動に分解さ
れかつそれから直径又は測定対象物の巾が決定されるこ
とによって解決される。このためにオプトロニクス装置
から同時に又は走査装置から逐次的に把握される強度分
布がデジタル化され、記憶され、及び必要ならばノイズ
減少のために蓄積される。追加的に精度の向上のために
位置座標に関する把握された回折像の非線形性の修正及
び回折角の変化に応じた強度の補償が実施され、それに
よって回折されない光からの距離に関して調和した信号
波形が得られる。

こうして得られたデータ界は本発明により、その周波数
スペクトルの算出のためフーリエ変換される。その際回
折像の直接測定に対する本質的精度向上が達成される情
報緊密化が順次行われる。そのようにして得られた位置
周波数から、公知の方法で回折が行われた測定対象物の
直径又は巾が決定される。

この方法を実施するための本発明による装置は照明装置
、検出装置及び接続されたデジタルデータメモリを備え
たアナログデジタル変換器とフーリエプロセッサとを有
する電子評価ユニットから成る。本発明による装置は追
加的にデジタル又はアナログ表示装置、記録装置及び直
径を変える工学的プロセスの制御のための帰還部を備え
ることができる。

照明装置は平行、単色かつコヒーレント光により測定対
象物を照明するという機能を充足する。その発生のため
に好ましくはレーザが使用される。追加的に照明装置は
、同一光軸上に配設された２つの凸レンズ及び両レンズ
の共通の焦面の絞り孔とから成る拡大及びフィルタ装置
を有することができる。これによって光線は必要に応じ
て拡大されかつその拡散を減少されることかできる。広
い孔絞りによって光線の直径がその強度分布内で充分均
一である必要な測定界の大きさに制限される。

回折像の位置的強度分布は検出装置によって確認される
。強度分布は回折像の同時把握のためのオブトロニクス
装置：例えばセンサ電池又はその逐次的走査のための装
置及び受光器を有する。追加的に検出装置は凸レンズを
有し、凸レンズは回折像をその焦面に配設されたオプト
ロニクス装置又はそこに配設された受光器上に投影する
。それによって幾何学的光学系の公知の合理性に相応し
て、回折像の位置がオブトロニクス装置上又は受光器上
光線内で測定対象物の軸方向又は半径方向の移動によっ
て影響されないことが保証される。この凸レンズは、例
えば、線及び隙間で与えられるような直接的に回折する
構造の測定の際にシリンドリカルレンズが実施するよう
な測定対象物の位置決め又は案内部における要請におけ
る調整の容易化のため及び要請の減少のため又は焦点調
整が回折像の平面でのみ行われ、これと垂直な面では回
折像の幾分の最小高さが残されるという方法でシリンド
リカルレンズと組合せて行われることができる。更に検
出装置は回折されない光線の遮光のための絞りを有する
ことができ又は検出装置がそのような絞りの機能を有す
るようにされることができる。更に検出装置は回折され
た光の回折角の大きさに応じて強度の補償をするための
光学的手段を存することかでき、例えば回折像に関して
位置固定にセンサ電池の前に設けられた透過フィルタを
含みうる。

検出装置によって把握される強度値は電子評価ユニット
に供給される。このユニットは迅速かつ高い分解能で作
動するアナログデジタル変換器及びデジタルデータメモ
リを有する。更に強度値は測定精度の向上のために、信
号調整のための電子装置を備えることができる。これは
一方ではアドレス変換のための構成群であり、このアド
レス変換には位置座標に関する回折像の非線形性の修正
が実施される。他方では評価ユニットは他の構成群を有
することができ、この構成群は単独で又は検出装置中の
光学手段と共に増大する回折角の強度の補償を行う。本
発明によれば電子評価ユニットは記憶されたデータ界に
基礎をおく位置周波数の算出のためのフーリエプロセッ
サを有し、位置周波数は使用する光の波長が知られ、か
つ回折パターンの結像又は走査における幾何学的比が知
られている場合、直ちに測定対象物の直径又は回折組織
の巾の寸法である。

（実施例） 本発明による無接触直径測定方法及びこの方法の実施の
ための装置を図面に基づいて詳しく説明する。

部分１〜３は照明装置を形成する。ヘリウム・ネオンレ
ーザ１の光は拡大及びフィルタ装置２によって、その拡
散を減少されかつ孔絞り３によって所望の直径を制限さ
れて、測定界内で光の強度が充分均一であるようにされ
る。

測定される線又は他の測定対象物４の１つは図・１；、
而に対して垂直にレーザ光線１１〕に配設され又はレー
ザ光線を通され、かつフラウンホーファ回折像５を生ず
る。

検出装置は部分６〜１０から成る。絞り６により回折さ
れないレーザ光を絞った後、凸レンズ７は回折像の半分
を大きい回折角の止木質的範囲をカットして凸レンズの
焦平面に配設された走査センサ９上に投影し走査センサ
は所望の電子読取装置及び凸レンズと共にカメラに構造
的に一体化されている。凸レンズはシリンドリカルレン
ズ８と焦点合わせが回折像の平面内でのみ行われるとい
う方法で組合わされている。

更に走査センサの前にフィルタＩＯが配設されており、
それによって回折された光の回折角の増大に伴う回折像
の強度低下が補償される。この検出装置は一括してシャ
ノン走査理論の充足により、強度極大及び極小から成る
回折像の各周期は走査センサの少なくとも２つの像要素
によって把握されるように設計されている。

重子的評価ユニットは部分１１−１４を含む。

センサて電気信号に変換される回折像の局部的な強度状
態か読み取られ、かつデジタルデータメモリ２を接続さ
れたアナログデジタル変換器１１に供給され、その結果
各メモリ個所は連続してかつ間断なくセンサの像要素の
情報を記憶される。その際ノイズの減少のために、信号
の反復読取汝び蓄積が行われることができる。このデー
タ界は続いてその周波数スペクトルを分析するためにフ
ーリエプロセッサ１３に供給され、その際デジタルデー
タメモリに、アドレス変換のための構造群も接続される
。それによって前辺て位置座標の変換によって回折像の
像歪曲及び非線形性が修正され、その結果、回折された
レーザ光の距離に関する調和した正弦曲線が得られる。

迅速なフーリエ変換によってそのように調整されたデー
タ界から分解された回折像の位置周波数が得られ、この
データ界から回折が行われた測定対象の直径又は構造の
巾が求められる。

測定結果はデジタル表示装置１５に表示され、印字器、
さん孔テープ又は他のデータ担体によって記録装置１６
に潜込まれ、かつ直径又は隙間巾を変える１学的プロセ
スの制御のための帰還部１７を介して利用される。

この装置によって読取装置の作業速度及び電子評価ユニ
ットの構成部分に相応して、１秒以下の測定時間が実現
され、その結果測定方法は校正運転中の直径測定にも使
用されることができる。記載の測定方法及び記載の装置
によって直径か３〜１０００μｍの範囲について±０１
％、即ら±０．１μｍの精度で測定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）細い線、繊維、液体放射等の直径の無 接触測定、並びに間隙の無接触測定及び細 い孔の直径の無接触測定を、平行、単色か つコヒーレント光による測定対象物の照明 によるフラウンホーファ回折によって行う 測定方法において、 測定対象物から生ずる回折像の半体又は両 半体の全ての位置的強度分布は大きな回折 角となる非本質的範囲をカットして、並び に回折されない光線の近くで間断なく把握 され、デジタル化され、及びデジタルの形 で記憶され、そしてそのようにして得られ たデータ界はフーリエ変換によって位置振 動に分解されかつそれから直径又は測定対 象物の巾が決定されることを特徴とする測 定方法。 ２）位置的強度分布が何度も把握されかつ 蓄積される、 特許請求の範囲第１項記載の測定方法。 ３）位置座標に関する把握された回折像の 非線形の修正が行われる、 特許請求の範囲第１項記載の測定方法。 ４）強度低下の補償が回折角の変化に対応 して行われる、 特許請求の範囲第１項記載の測定方法。 ５）細い線、繊維、液体放射等の直径の無 接触測定、並びに間隙の無接触測定及び細 い孔の直径の無接触測定を、平行、単色か つコヒーレント光による測定対象物の照明 によるフラウンホーファ回折によって行う ためであって、測定対象物から生ずる回折 像の半体又は両半体の全ての位置的強度分 布は大きな回折角となる非本質的範囲をカットして、並
   びに回折されない光線の近くで 間断なく把握され、デジタル化され、及び デジタルの形で記憶され、そしてそのよう にして得られたデータ界はフーリエ変換に よって位置振動に分解されかつそれから直 径又は測定対象物の巾が決定される測定方 法を実施するための測定装置において、装 置は光源を含む照明装置と、回折像の位置 的強度分布を把握するための検出装置と、 アナログデジタル変換器、デジタルデータ メモリ、及びフーリエプロセッサとを含む 電子評価ユニットとから成ることを特徴と する測定装置。 ６）光源がレーザである、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 ７）照明装置が光線の光線拡巾、拡散減少 及び均一化のための拡大及びフィルタ装置 を有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 ８）拡大及びフィルタ装置は同一光軸上に 配設された２つの凸レンズ並びに両レンズ の共通焦平面の孔絞りから成る、 特許請求の範囲第５項又は第７項記載の測 定装置。 ９）照明装置は光線の直径を規制するため の孔絞りを有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １０）検出装置は位置的強度分布の同時把握のための光
   学電子的装置を有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １１）光学電子的装置は走査センサである、特許請求の
   範囲第５項又は第１０項記載の 測定装置。 １２）検出装置は位置的強度分布の逐次的走査装置及び
   受光器とを有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １３）検出装置が、焦平面に配設された光電装置又はそ
   こに配設された受光器上に回折 像を投影する凸レンズを有する、 特許請求の範囲第５項、第１０項又は第１ ２項のうちのいずれか１つに記載の測定装 置。 １４）凸レンズはシリンドリカルレンズとして形成され
   、又はシリンドリカルレンズと 組合されている、 特許請求の範囲第５項、第１０項、第１２ 項及び第１３項のうちのいずれか１つに記 載の測定装置。 １５）検出装置が回折されない光の遮光のための絞りを
   有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １６）絞りがオプトロニクス装置の有効な受光面の制限
   によって形成される、 特許請求の範囲第５項、第１０項及び第１ ５項のうちのいずれか１つに記載の測定装 置。 １７）評価ユニットにアドレス情報のための電子構成群
   がデジタルデータメモリに含ま れており、電子構成群は位置座標に関する 検出装置によって把握された回折像の非線 形性を修正する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １８）装置が位置に依存した光強度弱化のための光学的
   手段又は検出装置によって検出 された信号の位置に依存した弱化又は強化 のための電子群が含まれており、電子群に よって回折角の変化に応じた強度の補償が 行われる、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。 １９）光学的手段が検出装置の構成部分として回折像に
   関して位置固定に配設された透 過フィルタである、 特許請求の範囲第５項又は第１８項記載の 測定装置。 ２０）装置が測定結果のデジタル表示又はアナログ表示
   のための手段、データ担体への 記録のための手段及び直径又は巾を変える 技術的プロセスの制御に使用するための手 段を有する、 特許請求の範囲第５項記載の測定装置。