JPH01116403A - 被検面の形状誤差の光学的検出方法と装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可干渉光、特にレーザー光を用いて種々の産
業製品の３次元表面形状に就き、所望の基準面形状に対
する誤差を光学的手法で検出する方法と装置とに関し、
特に歯車の歯面のように空隙を介して多数の被検面が連
続する場合にも能率良く形状誤差を測定、検出すること
が可能な被検面の形状誤差の光学的検出方法と装置とに
関する。

〔従来技術〕

レーザー光を用いて被検物体表面の形状誤差を３次元的
に検出する方法が、例えば、米国特許筒４．６５７．３
９号公報に開示されている。この周知の方法は、レーザ
ー光により大きい入射角で被検物体表面を照射し、その
正反射光のみで予め基準表面に就いて作成したホログラ
ムを照射し、プラス１次解析波を収束させ、その収束状
況を光電検出素子により検出し、その光電検出素子の出
力信号を解析処理することにより被検物体表面の形状誤
差を測定、検出するものである。上述において、レーザ
ー光を大きな入射角で被検物体表面を照射するのは、被
検物体が機械加工面を有している場合には光学的見地か
らはかなり粗い表面であり、精密な加工面でも光が散乱
してホログラムの形成が困難になることから、入射角を
大きくして正反射光を多くする周知のシーン現象を利用
するものである。

〔発明が解決すべき問題点〕

然しなから、上述した従来の形状誤差の光学的検出方法
は、極めて原理的であり、産業製品の加工現場や検査現
場で実際に被検物体の面の形状誤差を測定、検出する装
置を実現するための方法としては具体性に欠ける場合が
有る０例えば、歯車の加工現場や検査現場で、多数の歯
の歯表面の形状を理想的な例えばインボリュート歯面形
状に近い基準歯面形状に対比して形状誤差を能率良く検
出するに当たり、信号光を大きな入射角により歯表面に
入射せしめ、また、そこから正反射光を出射させる実用
的構成が未だ開示されていないと言う問題点が有る。ま
た、発明を歯車の歯表面の形状誤差の検出に限定するも
のではないが、特に歯車においては、多数の歯が歯溝空
間を隔てて等間隔に設けられた構造を有し、これらの多
数の歯面形状の誤差を能率良く検出し、しかも、斜歯歯
車や捩れ歯車の歯面の形状誤差の検出をも可能にする光
学的検出方法と装置の開発が特に要望されている。

依って、本発明は、上述した従来の形状誤差の光学的検
出方法に伴う問題点を解決することができる被検面の形
状誤差の光学的検出方法と装置とを提供することを主た
る目的としたものである。

また、本発明は、歯車等の多数の被検面を有する被検物
体における被検面の形状誤差を能率良く検出可能にする
被検面の形状誤差の光学的検出方法と装置とを提供せん
としたものである。

更に、本発明は、狭い空隙を隔てて対向した被検面にも
信号光を導入してシーン現象の利用により充分な正反射
光を被検面から出射させ、その被検面に関するホログラ
ムを作成可能にし、従って基準面形状に対する形状誤差
の検出を容易に行い得るようにする被検面の形状誤差の
光学的検出方法と装置とを提供せ゛んとしたものである
。

更に本発明は、複数の被検面の形状誤差を連続して検出
することも可能な被検面の形状誤差の光学的検出方法と
装置とを提供せんとしたものである。

〔解決手段と作用〕

本発明に依れば、予め選定した基準面に対する少なくと
も１つの被検面の形状誤差を光学的に検出する方法にお
いて、光源から発した検査光を信号光と参照光とに分離
し、該信号光を前記被検面と空隙を介して対向した仮想
平面に沿って第１の光学系により該被検面近傍に導入し
、前記信号光を前記空隙内で前記平面と垂直な方向に反
射又は屈折させて前記被検面に第２の光学系により、大
きな入射角で入射せしめ、前記被検面からの反射光を第
３の光学系により再び反射又は屈折させて前記仮想平面
と同一の仮想平面に沿って取り出し、該取り出した光を
第４の光学系により、一定位置に設けた受光部材に投射
させると共に該受光部材上で前記参照光との光干渉によ
り被検面に関するホログラムを形成するようにした被検
面の形状誤差の光学的検出方法が提供され、信号光を被
検面に大きな入射角で入射し、充分に正反射光を該被検
面から得ることにより、被検面の形状を示すホログラム
の形成を可能にするものである。

また、本発明によれば、基準面に対する少なくとも１つ
の被検面の形状誤差を検出する光学的形状誤差検出装置
において、可干渉性の検査光を発する光源と、前記光源
から発した検査光を参照光と信号光とに分離する光学的
分離手段と、前記参照光を受光し得る一定位置に装脱自
在に設けられる受光部材と、前記被検面を有した被検物
を保持する被検物保持手段と、前記信号光を前記被検面
と空隙を介して対向した仮想平面に沿って該被検面の近
傍に導入する第１の光学系と、前記信号光を前記空隙内
で前記仮想平面に垂直な方向に反射または屈折させて前
記被検面に大きな入射角で入射させる第２の光学系と、
前記被検面において前記信号光が反射した正反射光を再
び反射または屈折させて、前記仮想平面と同じ仮想平面
に沿って取り出す第３の光学系と、該取り出した正反射
光を前記一定位置に装着された受光部材に投射する第４
の光学系とを具備して構成され、前記正反射光と前記参
照光との干渉により被検面に関するホログラムを前記受
光部材上に形成するようにした被検面の形状誤差の光学
的検出装置が提供されるのである。以下、本発明を実施
例に従って更に詳細に説明する。

〔実施例〕

第１図は、可干渉光を用いて物体表面に関するホログラ
ムを作成すると共に基準の物体表面に関して作成したホ
ログラムに基づいて同位置に他の類似被検面を置き、そ
の基準表面のホログラムを用いて面形状の相違を検出す
る原理を説明した原理図である。同第１図において、光
源から発した可干渉光の光線束りはレンズＬ＋　、Ｌｘ
で拡大され、半透明鏡Ｍ０で参照光Ｒと信号光Ｓとの２
つの光線束に分離される。参照光Ｒは全反射鏡Ｍ。

を経て一定位置に保持されたホログラム形成用の受光又
は感光部材Ｈに投射される。また、信号光Ｓは、全反射
鏡Ｍ！で反射されて物体表面Ｑに入射され、正反射光が
前記一定位置に保持された感光部材Ｈに投射される。こ
のように、感光部材Ｈ上に参照光Ｒと物体表面Ｑで反射
した信号光Ｓとを重ね合わせると、感光部材Ｈ上に物体
表面Ｑの形状情報を含んだホログラムを作成することが
できるのである。そして、物体表面Ｑを予め選定した基
準表面として基準のホログラムを感光部材Ｈに形成して
から、そのホログラムを上記一定位置に定置し、次ぎに
物体表面Ｑを基準表面からそれと対比すべき被検面Ｑに
置き換え、その被検面Ｑから反射させた信号光Ｓを上記
基準のホログラムを経て結像レンズＬ３を通過させ、像
面Ｑ°に被検面Ｑの像を結像させるようにすると、像面
Ｑ゛には基準ホログラムにより回折作用を受けた光とホ
ログラムを透過した反射光との干渉により、干渉縞が得
られる。従って、この干渉縞を光学的に解析すると、被
検面Ｑと基準表面との面形状の誤差を検出することがで
きるのである。

また、上述した干渉縞の形成に替えて、被検面Ｑからの
信号光の正反射光を基準のホログラムに投射すると、１
次回折光が該ホログラムから出射されるので、この１次
回折光を集光レンズＬ、で集光すると共にピンホールＰ
の通過光量を測定すると、既述した米国特許第４，６５
７．３９号公報に開示された形状誤差の検出方法の原理
が得られる。

特に、この米国特許第４，６５７．３９号公報に開示の
方法では、物体表面が光学的には粗い表面と見做される
歯面等の機械加工表面の形状誤差の検出をも可能にする
ためにシーン現象を用いるべく大きな入射角で信号光を
導入することを特徴としたものであるが、光源から発し
た可干渉光、例えば周知のレーザー光を参照光と信号光
とに分離した後に信号光を大きな既知の入射角で被検面
に入射せしめ、正反射光を得るようにする実用性のある
光学機構の構成に就いては、開示がない。

本発明は、従って、実用性の有る被検面の形状誤差の検
出を実現すべく開発したものである。

第２図は、本発明による被検面の形状誤差の検出方法に
おいて、被検面へ信号光を大きな入射角で人、反射させ
る方法を説明した斜視図であり、また、第３図と第４図
とは第２図に２点破線で示した２つの仮想平面！、■に
よる断面であり、被検面は１例として歯車の歯面とした
場合である。

さて、第２図から第４図に示すように、本発明による被
検面の形状誤差の検出方法においては、図示されていな
い光源を発した可干渉光、例えば、レーザー光の光束が
参照光Ｒ（図示なし）と信号光Ｓとに分離され、その信
号光Ｓは被検歯面１０と対向する仮想平面■に沿って導
入され、被検歯面１０の直上方位置に達する。ここで、
同仮想平面Ｉ内で例えば全反射鏡１２ａに依って一旦、
反射により光の進み方向が偏光されて被検歯面１０に導
入し易い接近位置まで進められ、ここで、偏角プリズム
１４ａから成る光学素子により、上記の仮想平面■に垂
直な他の仮想平面■に沿う方向に屈折されて被検歯面１
０の所望の位置に大きな入射角θで入射される。ここで
、上記の偏角プリズム１４ａは、それによる偏角された
信号光Ｓが予め既知の量の入射角θとなり、かつシーン
現象を利用し得るような角度θは大きな既知量となるよ
うに正確な頂角γを有するように製造される必要がある
。被検歯面１０に入射した信号光Ｓは、そこで反射され
、反射光は上記偏角プリズム１４ａと一対を成す偏角プ
リズム１４ｂにより再び仮想平面■内に向けられ、同仮
想平面Ｉ内で例えば全反射鏡１２ｂによる反射により、
進路変更作用を受ける。こうして、出射信号光Ｓ°とし
て仮想平面■内で取り出すようにするものである。この
ようにして取り出された出射信号光Ｓ′は図示されてい
ない参照光Ｒと共に第１図に示したホログラム形成原理
の機構と同じように一定位置に保持された感光部材（図
示なし）上に投射させれば、被検歯面１０に関するホロ
グラムを形成することができるのである。

このような第２図から第４図に図示した構成によれば、
被検歯面１０に対して確実に大きな入射角θで信号光Ｓ
を入射させることができ、しかも歯車のような多数の歯
面が比較的狭い歯溝１６の空間を介して対向している場
合にもその歯溝１６の空間内に在る仮想平面Ｉに沿って
信号光Ｓを導入することが容易に可能となり、次いで、
仮想平面Ｉに垂直な仮想平面■に沿って反射または屈折
させることで、大きな入射角θによる信号光Ｓの入射が
確実に実現可能となるのである。このことは叉、歯車の
場合、その回転軸１８の回りに回転させて次々の歯面を
被検歯面ｌＯの位置に設定すれば、それら歯面に就いて
連続的に形状誤差の検出を行うことを可能にするのであ
る。しかも、歯車のサイズの大小に応じて入射信号光Ｓ
と出射信号光Ｓ”とを含んだ仮想平面Ｉの面に沿った方
向に光学系または歯車自体を移動させれば、例えば、歯
車の本体部や軸１８と・全反射鏡１２ａ、１２ｂや偏角
プリズム１４ａ、１４ｂ等の光学系とが機械的干渉を起
こすこと無（、回転軸１８に近い歯面を被検歯面１０と
しても回転軸１８から比較的遠い歯面を被検歯面１０と
した場合の何れの場合にも常に容易に被検歯面１０に信
号光Ｓを入射し得る利点も有する。

他方、第２図から第４図に示した構成に依れば、被検物
体が図示の歯車のような場合には、偏角プリズムＬ４ａ
、１４ｂによる屈折、偏角方向を同一の仮想平面■内で
反対にすれば、被検歯面１０と歯溝１６を介して対向し
た被検歯面１０゛　（第４図参照）に就いても信号光Ｓ
を大きな入射角θで入射せしめ、かつ、反射した信号光
Ｓを元の仮想平面Ｉに沿って取り出すようにすることが
可能であることは容易に理解できる。このような偏角プ
リズム１４ａ、１４ｂによる屈折、偏角方向を反対向き
にする具体的構成としては、次の諸例を採用することが
できる。

（イ）入射側の偏角プリズム１４ａに入る前の信号光Ｓ
を２つの互いに平行な第１、第２の信号光Ｓに分離し、
互いに平行な２つの仮想平面１．　１に沿って夫々導入
し、しかも偏角プリズム１４ａ１１４ｂの対を２組設け
て互いに対向した被検歯面１０．１０”に夫々第１、第
２の信号光Ｓを人、出射させる構成とすれば、２つの被
検歯面１０．１０゛に就いて、逐次にホログラムの作成
又は形状誤差の検出を行うことができる。

（ロ）第５図に示すように、平行平面体２２ａ又は２２
ｂの左右両側に頂角Ｔの２つの偏角プリズム部２６ａ、
２６ａ’又は２６ｂ、２６ｂ’　を夫々逆向きに結合し
た２つの結合型偏角プリズム２４ａ、２４ｂを被検歯面
１０、ｌＯｏの上方、下方に前述した偏角プリズム１４
ａ、１４ｂに換えて配置し、しかも該２つの結合型偏角
プリズム２４ａ、２４ｂを一体にして仮想平面■に垂直
な方向にスライド可能に配置すれば、同一の信号光Ｓと
偏角プリズム部２６ａ、２６ｂとを使用して被検歯面１
０のホログラム作成又は形状誤差の検出を行い、反対側
の偏角プリズム２６　ａ’　、２６　ｂ’を使用して被
検歯面１０′・のホログラム作成又は形状誤差の検出を
行うことが可能な構成を得ることができる。

（ハ）第６図に示すように、被検歯面１０の上方には１
組の偏角プリズム３６　ａ、　３６　ａ’から成るプリ
ズム組体３４ａを配置し、下方には他の１組の偏角プリ
ズム３６ｂ、３６ｂ’　から成るプリズム組体３４ｂを
配置し、これら両プリズム組体３４ａ、３４ｂを同期し
て縦方向の一定軸心３７の回りに旋回可能に設けておけ
ば、（ａ）の位置では被検歯面１０に対して信号光Ｓを
偏角して、大きな入射角で入射せしめ、正反射させるこ
とができ、他方両プリズム組体を軸心３７の回りに９０
゛旋回させた（ｂ）の位置を経過して１８０＠旋回させ
た（Ｃ）の位置に設定すれば、信号光Ｓを（ａ）の場合
とは逆の方向に偏角させることにより、該信号光Ｓを被
検歯面１０°に入、反射させることができる構成とした
ことができる。尚、上記各組の偏角プリズム３６ａ、３
６ａ゛又は３６ａ、３６ｂ°において、即ち、偏角プリ
ズム３６ａと３６ａ°　との間及び偏角プリズム３６ｂ
と３６ｂ°との間で軸心３７回りに相対回転させること
によって、入射角を十〇から一〇までの任意の角度に連
続的に設定でき、例えば、被検歯面１０又は１０′の面
粗度に応じて入射角を適正化してシーン現象を最適に利
用し得るようにすることができる。

上述の（イ）〜（ハ）の構成を用いれば、歯車の歯面等
、多数の被検面を有する面形状の誤差検出対象に就いて
もホログラムの形成又は基準面形状との誤差の検出を逐
次的に進捗せしめることが可能であり、検出能率を著し
く向上させることができる。従って、このような本発明
による検出方法を歯車の歯形の検査、つまり、基準の歯
形（例えば、インボリュート歯形）形状に対する誤差の
検出に適用すれば、歯車の加工現場や検査現場における
検査能率を著しく向上させることができるのである。

第７図は、第２図から第４図に示した構成を用いて被検
歯面１０又は１０’等の３次元被検面における全面に渡
って緻密な形状誤差の検出を実行し、かつ、コンビ−タ
ー装置を利用して形状誤差の光学的検出と同時にその解
析をデータ処理技術により遂行する検出及び解析機構を
形成する場合の具体的構成を示した機構図である。

第７図に示す光学的検出及び解析機構において、レーザ
ー光源４０から発せられるＨｅ−Ｎｅレーザー光等の可
干渉光りは半透明鏡４２で参照光Ｒと信号光Ｓとに分離
され、信号光は更に全反射鏡１２ｇ、偏角プリズム１４
ａを経て、第２図〜第４図において既述のように被検面
１０に入射され、正反射により、信号光Ｓ゛として偏角
プリズム１４ｂ、全反射鏡１２ｂを経て出射される。信
号光Ｓ”は次いで全反射鏡４６で反射されてから、所定
の位置に保持された感光部材４８に投射される。他方、
参照光Ｒは全反射鏡４４により進路を変更され、感光部
材４８に投射される。従って、感光部材４８に被検面ｌ
Ｏに関するホログラムを記録、作成することができる。

ここで、被検面１０を基準面に置換してホログラムを先
ず、記録、作成し、感光部材４８上に現像処理を施した
後にそのホログラムを再び同一位置に設定し、次いで検
出対象である被検面１０を基準面と同じ検出位置に設定
する。このようにすれば、被検面１０からの正反射光Ｓ
゛は、基準ホログラム４８に投射される。このとき、被
検面１０をＴＶカメラ５０等の揚傷装置の撮像レンズで
撮像面に投射して撮像すれば、干渉縞が撮影できる。従
って、この干渉縞を一旦、イメージフレームメモリーか
ら成るメモリー手段５２に記憶させる０次いで、このメ
モリー手段５２に記憶された干渉縞の撮像データをイン
ターフェース５４を介してプロセッサー５６に入力して
解析処理を行えば、被検面全体に就いて基準の形状に対
する評価を行うことができるのである。この解析結果は
必要に応じて、例えばＣＲＴ装置５８或いは図示されて
いない周知のプロッター装置に表示することも可能とな
る。

このように、コンピューター装置を利用したデータ解析
により、被検面１０又は１０°の全面に関して評価が可
能になれば、例えば、被検対象が歯車の歯面のように面
自体が作動要素になっている産業製品においては、製品
の機能、性能の判断が、より正確に成し得ることとなり
、極めて好ましい効果を得ることが可能となるのである
。

ここで、干渉縞が観測されたとき、その１つの干渉縞の
１本に対応する、その表面の法線方向への形状差の感度
（縞感度Ｐと言う、）は、可干渉光（レーザー光）の波
長をλ、被検面１０における信号光Ｓの入射角をθとす
れば、次式で示されることは周知である。

Ｐ−λ／Ｃ０５（θ）・・・・　（１）故に、本発明の
形状誤差の検出原理によれば、偏角プリズム’１４　ａ
、１４ｂの頂角Ｔを、予め精密に形成することで、入射
角θの値が、正確に既知の値となり、故に、用いられる
レーザー光に応じてその波長λも既知の値となり、干渉
縞の縞感度Ｐが計算可能となるのである。そして、゛こ
の計算結果の干渉縞の縞感度Ｐから、面形状の誤差デー
タを得ることができ、故にその誤差データに基づいて、
被検物体の面加工を修正することがてきるように成るの
である。

さて、被検物体、特に歯車の場合には、第２図に示した
ような回転軸１８の軸心に対して歯面１０が平行になっ
ているとは限らない、即ち、はすば歯車では軸心に対し
て歯面が傾いている。故に第２図〜第４図に示したよう
な軸心に平行な仮想平面Ｉに沿って信号光Ｓを導入する
ことでは、斜向の歯面に信号光Ｓを入射することができ
ない場合が発生する。その場合に、仮想平面Ｉが斜向に
対向した面となるように歯車軸１８を傾けることも考え
られるが、そのようにすると、歯面の形状は歯車軸１８
の軸心に対して３次元座標における形状を決定するもの
であるから、その基準となる歯車軸１８を傾ける方法は
好ましくない。従って、光学系を操作して信号光Ｓを導
入する仮想平面Ｉを被検面となる斜向に対向するように
旋回させ得るように構成することが必要となる０本発明
によれば、これを容易に実現することも可能となるので
ある。即ち、第８図、第９図は、その具体的な実施例を
説明する機構図である。

さて、第８図に示す機構では被検物体をはすば歯車に特
定して説明すると、先ず、可干渉光りははすば歯車の軸
心１８’を含む平面上で、しかも歯幅の略中間位置に在
る線上から投射されるように構成され、その可干渉光り
を半透明鏡４２により参照光Ｒと信号光Ｓとに分離し、
参照光Ｒは全反射鏡４４．４５を経て、一定位置に着脱
自在に保持された感光部材４８に投射されるように構成
する。他方、信号光Ｓは、全反射鏡６２．６４を経ては
すば歯車の軸心１８°を含む仮想平面に沿って導入され
、全反射１１１２　ａ、偏角プリズム１４ａにより、大
きな入射角で歯面に入射され、反射後に偏角プリ゛ズム
１４ｂ、全反射鏡１２ｂを経て再び上記と同一の仮想平
面に戻されてから、更に全反射鏡６６を経て出射信号光
Ｓ°として感光部材４８に投射されるように構成してお
く。しかも、上記の鏡４２．４４．４５．６２．６４．
６６．１２ａ、１２ｂや偏角プリズム１４ａ、１４ｂ、
感光部材４８等の光学要素を有した光学系全体を可干渉
光りの投射軸線回りに矢印βで示すように回転可能に構
成しておけば、上記仮想平面をはすば歯車の歯の傾斜に
応じて旋回させることができ、故に仮想平面をはす歯々
面に対向した位置に到来させ得ることとなり、従って、
第２図から第４図に示した構成で説明した平歯車の場合
と同じ原理に従って、はすば歯面の形状誤差を検出する
ことが可能となる。このとき、可干渉光りを発するレー
ザー光源は、固定位置に置けば良いから、上記の光学系
の旋回機構は比較的簡単に構成することができる。

第９図は、第８図に示した構成において、出射信号光Ｓ
°を全反射鏡６６を経た後に更に全反射鏡６８を経由し
て、可干渉光りと同じ光軸上に取り出し、固定鏡７０を
経て参照光Ｒと共に感光部材４８　（ホログラム）上に
取り出すように構成したものである。このように構成す
ると、光学系を可干渉光りの光軸の回りに旋回させて、
はすば歯車の歯面と対向した仮想平面に沿って信号光Ｓ
を入射させたとき、歯面で反射された出射信号光Ｓ゛も
再び可干渉光りと同一の光軸上に取り出されるから、旋
回量の如何に関わり無く、出射信号光Ｓ′は常に同一軸
上に出射することになる０次いでその出射信号光Ｓ°を
固定鏡７０を経て感光部材４８上に到達させることによ
り、参照光Ｒの光学系や感光部材４８　（ホログラム）
は固定位置に配置しておけば良い。勿論、ホログラム４
８の後方に配置される干渉縞の盪影手段であるカメラや
データ処理機構等を不動に配置し得ることは言うまでも
ない、故に第８図に示した実施例より、光学系を旋回さ
せる機構が簡単になる利点が有る。

第１０図は、本発明による被検面の形状誤差の光学的検
出装置の実施例を示した斜視図である。

この実施例は、既述した（イ）の構成を備えることによ
り、２つの被検面を逐次、光学的に観測して形状誤差の
検出が可能になるように構成されている。第１０図にお
いて、可干渉光から分離された参照光Ｒは装置固定枠８
０に固定、保持された反射鏡８２で反射され、上記固定
枠８０の定位置に装脱自在に保持されたホログラム乾板
（又は感光部材）８４に投射されるように成っている。

ホログラム乾板８４には既述の場合と同様に被検面に対
する基準面のホログラムが予め記録・作成されており、
勿論、感光部材８．４を配置して被検面のホログラムを
記録・作成をすることも可能になっている。

他方、信号光Ｓは固定枠８０に対して適宜のブラケット
手段を介して固定された反射鏡８８に入射されてから回
転性の中空円筒支持体８６内に該円筒支持体８６の中心
の回転軸心９０に沿って進行するように成っている０円
筒支持体８６は適宜の軸受手段９２．９２等を介して回
転可能に配設された後述する光学系の支持部材である０
円筒支持体８６に入った信号光Ｓは小鏡９４．９６で反
射された後に光束拡大レンズ９８．１００で拡大され、
次いで反射鏡１０２．１０４を経由して徐々に被検物体
１２０に接近した位置に進行する。

反射鏡１０４を出た信号光Ｓは半透明鏡１０６により２
つの信号光Ｓ＋、Ｓｔに分離される。信号光Ｓ１は次い
で反射鏡１０Ｂで反射され、偏角プリズム１１０に入る
。また信号光Ｓｔは反射鏡１１２．１１４で反射されて
から偏角プリズム１１６に入る。ここで、反射鏡８８か
ら反射鏡１０８及び１１４に到る信号光Ｓ、Ｓ、、Ｓ！
の光路を決定する光学素子は被検物体１２０の２つの被
検面１１８ａ、１１８ｂと対抗した２つの平行な仮想平
面（図示なし）に最終的に信号光Ｓ、、Ｓ３を分離、導
入する光学系であり、偏角プリズム１１０と１１６は、
これら信号光Ｓ＋　、Ｓｔを該仮想平面と垂直な方向に
偏角させてシーン現象を利用できる大きな入射角で被検
面１１８ａ、１１８ｂに入射させる光学系である。被検
面１１８ａ、１１８ｂで正反射した夫々の信号光Ｓ＋　
、Ｓｔは次いで、再度、１組の偏角プリズム１２２．１
２４によって入射時と同じ各仮想平面に沿うように信号
光Ｓｌ　’　、Ｓｇ　’　として出射される。出射され
た夫々の信号光Ｓ＋　’　、Ｓｔは反射鏡群１２６〜１
４２により夫々所望の光路を経て最終的には支持筒８６
から離れた固定位置に設けられた反射鏡１４４を介して
感光部材８４上に投射されるように成っている。故に、
該感光部材として基準面のホログラムが設定されていれ
ば、被検面１１８ａ、１１８ｂの一方の被検面１１８ａ
を先ず、信号光Ｓ、で照射し、次に被検面１１８ｂを信
号光Ｓ２で照射するようにして両面に関して順次に形状
誤差の検出をすべく、夫々の干渉縞を図示されていない
像面に形成して盪像し、既述のように、コンピータ装置
により解析が可能となる。また、感光部材８４には、被
検面１１８ａ、１１８ｂの両面のホログラムを一緒に記
録、作成することもできる。従って、被検物体が歯車で
あり、その多数の歯面の何れか１対の歯面を基準歯面と
して他の多数の歯面の形状誤差を検出、評定を連続的に
高能率で遂行することができ、故に、歯車加工現場や検
査現場における検査能率の向上に寄与することができる
。しかも、本実施例の構成に依れば、回転支持筒８６を
軸９０の回りに回転させることにより、被検物体１２０
が既述したはすば歯車の場合にも傾斜した被検歯面と入
射光の仮想平面と全歯車の輪軸を傾けること無く、相互
に対抗位置した状態に傾斜角度に応じて設定することが
できるのである。

回転支持体８６の回転駆動手段としては、周知の回転形
パルスモータを利用したり、或いは周知のリニアパルス
モークを利用し、回転支持筒８６に巻設した牽引ロープ
の一端を固定枠８０に係止し、他端を該リニアパルスモ
ータの可動子に結合した構成としても良い。

更に、ここで、第１１図を参照すると、本発明にれば、
信号光Ｓから半透明鏡１０６で分離された信号光Ｓ１、
Ｓｔに関して、同第１１図に示すように、前者の信号光
Ｓ、に係る光学系を形成する反射鏡１０６．１０８、偏
角プリズム１１０゜１２２及び反射鏡１２６．１３４は
同図に２点鎖線で示した平面ＸＩ上に配設し、後者の信
号光Ｓ２に係る光学系を形成する反射ｔＩ！１ｌ１２．
１１４、偏角プリズム１１６．１２４及び反射鏡１２８
．１３２は同じく２点鎖線で示した平面Ｘｚ上に配設し
、これら両光学系は上記両手面Ｘ、、Ｘ、を互いに接近
又は離反する方向に相対変位可能な構成にすれば、被検
物体１２０における対向した２つの被検面の間隙の大小
に応じて両信号光Ｓ１、Ｓｔを適正に両被検面１１８ａ
、１１８ｂへ大きな入射角で入射せしめ、かつ、正反射
後に元の入射仮想面上に出射させることができる。

また、このとき、第１２図に示すように、信号光Ｓ、に
係る光学系の内で反射鏡１１８、偏角プリズム１１０．
１２２及び反射鏡１２６は、同第１２図に２点鎖線で示
した平面Ｙ、上に配設し、他の信号光Ｓ２に係る光学系
の内で反射鏡１１４、偏角プリズム１１６．１２４及び
反射鏡１２８は同じく２点鎖線で示した平面Ｙｔ上に配
設して、これら両光学系は両手面Ｙ、　、Ｙｔに沿って
相互に平行に移動変位し得る構成にすれば、被検物体１
２０の２つの被検面１１８ａ、１１８ｂの面上における
３次元的に対応した同一位置に夫々の信号光Ｓｌ　、ｓ
ｚを入射させ、かつ出射させることができるのである。

これら第１１図、第１２図に示した構成について、その
作用原理を第１３図に基づいて説明すると、被検面１１
８ａ、１１８ｂに対して、上記平面Ｘ、　、Ｘ、を接近
又は離反させる変位を与えれば、第１３図に示した距離
Ｍの大小の変化に対応して信号光ｓｔ　、Ｓｔの入・出
射を調節することができ、また、上記平面ＹＩ％Ｙ２を
相互に変位させれば、距離Ｎを加減調節して、信号光Ｓ
、　、Ｓｔを夫々被検面上における３次元的に同一位相
点へ入射せしめ得ることとなるのである。斯くして、被
検面１１８ａ、１１８ｂの最も適切な検出位置へ信号光
Ｓ＋　、Ｓｔを入射せしめ、その最適な検査位置に就い
て面の形状誤差に関するデータを得ることも可能となり
、叉、被検物体かはすば歯車の場合には、歯車噛み合い
作用に最も関与する歯幅Ｂにおける中間位置を選定し、
しかも換れ°角βに対応して、はす歯面の形状誤差を検
出することができるのである。

第１４図は、第１１図、第１２図に示した平面Ｘｒ、Ｘ
ｚ及びＹ＋　、Ｙｚの移動変位を可能にするための移動
手段の一実施例を示したものである。

第１４図において、２つの支持体１５０．１５２は固定
横桁１５４に対して周知のリニアパルス駆動方式により
横方向に相互に接近・離反可能な摺動性の支持体として
形成し、しかも、これら２つの支持体１５０．１５２に
対して上下に相対移動可能な支持体１５６．１５８を設
け、これらの後者の縦方向の移動も周知のリニアパルス
駆動方式により遂行するように構成しておけば、上記の
第１１図の平面ｘ、、Ｘｉを支持体１５０．１５２に置
き換え、平面ｙ、　、Ｙ、を支持体１５６．１５Ｂで置
き換えることにより、リニアパルス駆動方式によって、
精密な平面Ｘｔ、Ｘｔ及びＹ３、Ｙ２の移動変位を制御
することができる。

第１５図は、上述した第１θ図から第１４図に示した構
成を備えた被検面の形状誤差の光学的検出装置を歯車の
歯形誤差検出装置に適応した場合の構成を示した立体図
である。

同第１５図において、歯車の歯形誤差検出装置は基台２
００を有し、この基台２００の上部には被検物体である
歯車２０４をその軸心回りに回転可能に支持する取付軸
２０２がコラム２０１とブラケット２０３とで支持され
た状態で設けられ、この取付軸２０２は基台２００内に
具備されたサーボモータＳｍを駆動源にして、割出し駆
動機構２０５を介して回動される構成にあり、該取付軸
２０２の回動量は周知のエンコーダ装置２０６を上記割
出し駆動機構２０５に装着し、そのエンコーダ装置２０
６を経て検出可能に成っている、このエンコーダ装置２
０６による取付軸２０２、従って被検物体である歯車２
０４の回転量はインターフェース２０８を経てコンピー
タ装置２１０に印加されており、故に、コンピータ装置
２１０により、歯車２０４の回転量を制御することが可
能になっている。つまり、歯車２０４の被検歯面を次々
に検出位置へ自動的に割り出すことが可能に成っている
。

他方、基台２００上において、取付軸２０２と向き合っ
た位置に本発明に係る形状誤差の検出部２２０を有した
測定台２２２が搭載されている。

この形状誤差の検出部２２０は、測定台２２２が上記被
検歯車２０４の取付軸２０２に接近又は離反する方向に
基台２００の上面に沿って、例えば周知のリニアパルス
モータ機構により、矢印Ｘで示す方向に摺動変位可能に
構成され、この測定台２２２にヘッド支持部２２６が、
同じくリニアパルスモータ機構により上下方向（矢印Ｙ
方向）に摺動可能に取付られ、また、このヘッド支持部
２２６に回転ヘッド２２８が装着され、この回転ヘッド
２２８の内部に第１４図に示したリニアパルスモークに
よる光学系の支持体１５０，１５２．１５６．１５８を
備えた光学的検出機構部が装着されている。上記の回転
ヘッド２３０は第１０図に示した回転性の支持筒８６の
機能を達成する部分であり、その一部の偏光プリズムが
被検歯車２０４の近くに突出した構造で設けられている
。

そして、基台２００内に内蔵されたＨｅ−Ｎｅレーザ光
発生装置２３４からレーザー光線を可干渉検査光として
発射し、複数の反射鏡２３６により光路変更を受け、更
に、反還明鏡２３８を経由することにより、参照光Ｒと
信号光Ｓと゛辷分光されてから、信号光Ｓは、上記回転
ヘッド２３０内の光学機構部へ誘導される。そして、既
述した検出原理に基づき、被検物体である歯車２０４の
歯面の形状、即ち、３次元歯形誤差の検出を光学的に回
転ヘッド２３０内の光学的機構部により遂行する。

また、参照光Ｒは、光路を適宜に変更されてから第１０
図の反射鏡８２に対応した反射鏡２４０により反射され
、感光部材２４２（第１０図の感光部材８４に対応する
）に達する。勿論、この感光部材２４２には、上記光学
的機構部から出射した信号光Ｓが到達するように成って
いる。そして、干渉縞が、この感光部材２４２上に得ら
れるのである。

その干渉縞は、撮像用のカメラ２４４で撮像可能に構成
され、また、干渉縞は、フレームメモリー２１２に一旦
記憶され、このフレームメモリー２１２からインターフ
ェース２０８を経てコンピータ装置２１０に送入され、
データ解析処理を受は得るように構成されている。なお
、被検歯面のホログラムを記録、作成する場合の露光装
置２１６及び上記のデータ解析処理の結果をＣＲＴ表示
装置２１４やハードコピー装置（図示なし）等に表示さ
せることも可能に構成されている。また、感光部材２４
２上に記録されたホログラムを通過した１次回折光の光
量を検出する光センサ−２４６も撮像用カメラ２４４に
併設して具備されている。

本実施例に係る歯形誤差検出装置によれば、歯車の種類
、例えば、平歯車、はすば歯車等の種類に関わりなく、
叉歯の大きさ、歯車自体の大きさ等に関わり無く歯面の
３次元的形状を基準とした歯形のホログラムを介して検
出することができるのである。第１５図における２４８
は、歯形誤差検出装置に対して外部からの振動等の外乱
の影響を防止するエアーダンパであり、また、装置全体
を、扉付きの大きなケーシング２５０内に格納して、光
学的外乱の影響を防止するよ４に成っている。

〔発明の効果〕

以上の各種実施例の説明から明らがなように、本発明に
よれば、被検面の３次元的形状を基準の面形状に対する
誤差量として光学的に非接触で検出することができると
共に検出操作を極めて高能率化することができ、しかも
、コンピータ装置の導入と、基準ホログラムによる回折
光と被検面からの正反射信号光との干渉による干渉縞を
映像化することとにより、精密な被検面の形状誤差の解
析を行うことが可能となり、その解析結果を加工機に反
映させることにより、産業製品の面形状を高品質化する
ことも可能となるのである。しかも産業製品における特
に歯車の歯形の３次元形状を歯溝の狭広、歯面の傾斜の
有無に関わり無く、正確な面形状誤差を検出可能とし、
従って、歯車加工の品質向上にも大きく寄与することが
可能となる効果を奏するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、可干渉光による被検面の形状誤差の検出を行
う周知の原理を説明する機構図、第２図は本発明による
被検面の形状誤差の検出方法と装置の構成に最も重要な
信号光の大きな入射角による被検面への入射と偏角原理
を説明する機構図、第３図は第２図の一断面に沿う断面
図、第４図は他の断面図、第５図は、信号光の屈折を逆
向きにする偏角プリズムを１実施例の構造を示す略示図
、第６図は同じ（偏角プリズムの他の実施例の説明図、
第７図は被検面の形状誤差の検出をコンピータ装置の導
入でデータ解析するための構成を示した機構図、第８図
は、はすば歯車の歯面の形状誤差等の検出を可能にする
光学系の構成原理を説明する機構図、第９図は第８図を
更に改善した実施例の機構図、第１０図は、本発明によ
る被検面の形状誤差の検出装置の具体的な構成実施例を
示した斜視図、第１１図と第１２図とは第１Ｏ図に示し
た検出装置内に備えられる特定機構を説明するための斜
視図、第１３図は２つの被検面の形状誤差を検出する場
合の被検面間の距離の変化に対処し、また、最適の面位
置に信号光を入射させるための要件に就いて説明する解
説図、第１４図は光学系の支持体を横方向、縦方向にス
ライドさせるためにリニアパルスモータを用いた移動変
位機構の１実施例の斜視図、第１５図は、本発明に係る
被検面の形状誤差の検出方法を歯車の歯形検査装置に応
用する場合の構成を示した立体的な機構図。 １０・・・被検面、 １２ａ、１２ｂ−・全反射鏡、 １４ａＳ　１４ｂ・・・偏角プリズム、■及び■・・・
仮想平面、Ｒ・・・参照光、Ｓ、Ｓｒ及びＳ、　　・・
・信号光、 Ｌ・・・可干渉光、４２・・・半透明鏡、４８・・・感
光部材またはホログラム、８６・・・回転止支持筒、 ８４・・・感光部材、 １１０．１１６．１２２．１２４・・・偏角プリズム。 第２図 第５図 （ａ）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（ｃ）鶏６因 第８図 第９図 第１１図 第１２図

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．予め選定した基準面に対する少なくとも１つの被検
   面の形状誤差を光学的に検出する方法において、光源か
   ら発した検査光を信号光と参照光とに分離し、該信号光
   を前記被検面と空隙を介して対向した仮想平面に沿って
   第１の光学系により該被検面近傍に導入し、前記信号光
   を前記空隙内で前記平面と垂直な方向に反射又は屈折さ
   せて前記被検面に第２の光学系により、大きな入射角で
   入射せしめ、前記被検面からの反射光を第３の光学系に
   より再び反射又は屈折させて前記仮想平面と同一の仮想
   平面に沿って取り出し、該取り出した光を第４の光学系
   により、一定位置に設けた受光部材に投射させると共に
   該受光部材上で前記参照光との光干渉により被検面に関
   するホログラムを形成するようにしたことを特徴とした
   被検面の形状誤差の光学的検出方法。
2. ２．前記被検面の位置に前記基準面を配置してその基準
   面のホログラムを形成し、次ぎに該基準面を複数の被検
   面の各々の被検面と置き換え、前記信号光を該各被検面
   で反射させた正反射光を前記一定位置に置かれた前記基
   準面のホログラムに投射して前記受光部材に光干渉縞を
   形成し、該光干渉縞を解析することにより、被検面の形
   状誤差を検出することを特徴とした特許請求の範囲１．
   に記載の被検面の形状誤差の光学的検出方法。
3. ３．前記受光部材上に形成された光干渉縞をカメラで撮
   像し、撮像された像を記憶装置に記憶させ、前記記憶さ
   れた光干渉縞像をコンピータで解析し得るようにしたこ
   とを特徴とした特許請求の範囲２．に記載の被検面の形
   状誤差の光学的検出方法。
4. ４．前記被検面は、回転軸に装着された歯車の複数の歯
   面であり、前記歯車を軸回りに回転せしめることにより
   、複数の歯面の形状誤差を連続的に検出するようにした
   特許請求の範囲１．に記載の被検面の形状誤差の光学的
   検出方法。
5. ５．前記第１、第２、第３及び第４の光学系を１つの回
   転軸を有した円筒内に保持し、前記歯車が斜歯々車や捩
   れ歯車で有る場合に、各歯面の傾き角度に応じて該円筒
   の回転により、前記信号光を前記仮想平面に対して傾い
   た仮想平面に沿って導入し、次いで該後者の平面と垂直
   な方向に反射または屈折させ、各傾いた歯面へ大きな入
   射角で当接させえるようにした特許請求の範囲４．に記
   載の被検面の形状誤差の光学的検出方法。
6. ６．基準面に対する少なくとも１つの被検面の形状誤差
   を検出する光学的形状誤差検出装置において、 可干渉性の検査光を発する光源と、 前記光源から発した検査光を参照光と信号光とに分離す
   る光学的分離手段と、 前記参照光を受光し得る一定位置に装脱自在に設けられ
   た受光部材と、 前記被検面を有した被検物を保持する被検物保持手段と
   、 前記信号光を前記被検面と空隙を介して対向した仮想平
   面に沿って該被検面の近傍に導入する第１の光学系と、 前記信号光を前記空隙内で前記仮想平面に垂直な方向に
   反射または屈折させて前記被検面に大きな入射角で入射
   させる第２の光学系と、 前記被検面において前記信号光が反射した正反射光を再
   び反射または屈折させて前記仮想平面と同じ仮想平面に
   沿って取り出す第３の光学系と、該取り出した正反射光
   を前記一定位置に装着された受光部材に投射する第４の
   光学系とを具備して構成され、 前記正反射光と前記参照光との干渉により被検面に関す
   るホログラムを前記受光部材上に形成することを特徴と
   した被検面の形状誤差の光学的検出装置。
7. ７．特許請求の範囲６．に記載の被検面の形状誤差の光
   学的検出装置において、前記受光部材に予め基準面のホ
   ログラムを形成し、該基準面のホログラムを前記被検面
   から取り出した前記光で照射したとき、該受光部材に形
   成された干渉縞を撮像する手段と、 該撮像した干渉縞を記憶する記憶手段と 前記記憶手段が記憶した干渉縞を解析して基準面と被検
   面との形状誤差を解析する電子的解析手段とを更に具備
   した被検面の形状誤差の光学的検出装置。
8. ８．特許請求の範囲６．に記載の被検面の形状誤差の光
   学的検出装置において、 前記第２、第３光学系は、各々光の屈折角が予め既知で
   ある偏角プリズムを具備していることを特徴とした被検
   面の形状誤差の光学的検出装置。
9. ９．特許請求の範囲６．に記載の被検面の形状誤差の光
   学的検出装置において、前記第１〜第４の光学系は１つ
   の円筒支持部材に保持され、かつ、該円筒支持部材はそ
   の中心軸線回りに回転可能に形成されることにより、種
   々相互に異なる仮想平面に沿って前記信号光を入射せし
   めると共に該仮想平面に垂直な方向に反射または屈折さ
   せて任意の被検面に大きな入射角で入射可能にしたこと
   を特徴とした被検面の形状誤差の光学的検出装置。
10. １０．特許請求の範囲６．に記載の被検面の形状誤差の
    光学的検出装置において、前記第１の光学系は、前記信
    号光を第１及び第２の２つの信号光に分離する分光素子
    と、該第１、第２の信号光を２つの被検面に対してそれ
    ら被検面に対向した互いに平行な２つの仮想平面に沿っ
    て導入する入射光学素子群とを具備してなり、また、前
    記第２、第３の光学系は、前記２つの被検面の夫々に大
    きな入射角で前記第１、第２の信号光を入射させ、その
    正反射光を取り出すように２組の偏光光学系として設け
    られ、更に、前記第４の光学系も取り出された２つの正
    反射光を前記一定位置に設けられた前記光学部材に向け
    て出射させる２組の出射光学系として構成されているこ
    とを特徴とした被検面の形状誤差の光学的検出装置。
11. １１．特許請求の範囲１０．に記載の被検面の形状誤差
    の光学的検出装置において、前記第１の光学系の入射光
    学素子群と前記第２、第３の光学系の２組の偏光光学系
    と前記第４の光学系の２組の出射光学系とは互いに平行
    な２つの左右平面上に分離・配置された左右２組の光学
    的測定系として形成され、該左右２組の光学的測定系を
    前記左右平面の接近、離間方向及びそれら平面に沿う方
    向に相対移動可能にする移動機構が具備されて、前記第
    １、第２の信号光を各被検面の最適な位置に入射せしめ
    得るようにしたことを特徴とした被検面の形状誤差の光
    学的検出装置。