JPH0217044B2 - - Google Patents
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- JPH0217044B2 JPH0217044B2 JP59055750A JP5575084A JPH0217044B2 JP H0217044 B2 JPH0217044 B2 JP H0217044B2 JP 59055750 A JP59055750 A JP 59055750A JP 5575084 A JP5575084 A JP 5575084A JP H0217044 B2 JPH0217044 B2 JP H0217044B2
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- JP
- Japan
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- light
- wavefront
- hologram
- specularly reflected
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 22
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
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- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、レーザー光を用いて被検物体表面の
形状誤差を３次元的に測定する光学的形状誤差検
出法に関するものである。
形状誤差を３次元的に測定する光学的形状誤差検
出法に関するものである。
近年は、機械加工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、このような部品の形状計測は３次元座標測
定機を用いておこなわれるが、この測定機による
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ていない。
れることが多く、また加工精度も向上している。
普通、このような部品の形状計測は３次元座標測
定機を用いておこなわれるが、この測定機による
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ていない。
本発明は、レーザー光を用いて被検物体表面の
形状誤差を高感度かつ高速に３次元測定できる光
学的形状誤差検出法を提供しようとするものであ
る。
形状誤差を高感度かつ高速に３次元測定できる光
学的形状誤差検出法を提供しようとするものであ
る。
本発明の光学的形状誤差検出法は、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
の正反射光波面を収束させやすい光波面に変換す
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することにより、被検
物体表面の形状誤差を検査、測定することを特徴
とする構成のものである。
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す
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することにより、被検
物体表面の形状誤差を検査、測定することを特徴
とする構成のものである。
以下、本発明を図面に示す実施例を参照して詳
細に説明する。
細に説明する。
第１図に示すように、微小凹凸表面において同
一方向に正反射する光１と２の光路差Δは、Δ＝
OB−AB−2δcosθであり、この光路差Δが照射
する光の波長の数分の１以下の場合は正反射成分
が増加し、鏡面とみなすことができる。光路差Δ
を小さくするには上記式から入射角θを大きくす
ればよい。
一方向に正反射する光１と２の光路差Δは、Δ＝
OB−AB−2δcosθであり、この光路差Δが照射
する光の波長の数分の１以下の場合は正反射成分
が増加し、鏡面とみなすことができる。光路差Δ
を小さくするには上記式から入射角θを大きくす
ればよい。
したがつて、一般式には第２図に示すように、
金属加工面３は、金属鏡のように特別な表面仕上
げをなければ、光学的には散乱面として働くが、
しかし、第３図に示すように、入射角θを大きく
してゆくと、上記理由により、反射に伴う光１と
２の光路差が小さくなり、その結果、正反射光成
分４が強くなり、光学的鏡面とみなせるようにな
る。この現象はシーン（Sheen）と呼ばれてい
る。
金属加工面３は、金属鏡のように特別な表面仕上
げをなければ、光学的には散乱面として働くが、
しかし、第３図に示すように、入射角θを大きく
してゆくと、上記理由により、反射に伴う光１と
２の光路差が小さくなり、その結果、正反射光成
分４が強くなり、光学的鏡面とみなせるようにな
る。この現象はシーン（Sheen）と呼ばれてい
る。
第４図および第５図は、上記シーン現象を利用
して鏡面反射を実現するように、多きな入射角の
方向から、設計どおりの理想形状の金属加工表面
（これを基準表面と呼ぶ）１１をレーザー光１２
で照射し、そしてその基準表面１１からの正反射
光１３を特殊光学素子１４あるいは１５に導く状
態に示す。
して鏡面反射を実現するように、多きな入射角の
方向から、設計どおりの理想形状の金属加工表面
（これを基準表面と呼ぶ）１１をレーザー光１２
で照射し、そしてその基準表面１１からの正反射
光１３を特殊光学素子１４あるいは１５に導く状
態に示す。
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図に示す平面波１６あるいは第５図に示す球面
波１７に光波面変換することである。上記平面波
１６はレンズ１８等により、微小な一点に向かつ
て収束させることができる。また球面波１７はそ
のままで微小な一点に収束する。１９はその収束
点である。
この素子１４あるいは１５への正反射光１３を第
４図に示す平面波１６あるいは第５図に示す球面
波１７に光波面変換することである。上記平面波
１６はレンズ１８等により、微小な一点に向かつ
て収束させることができる。また球面波１７はそ
のままで微小な一点に収束する。１９はその収束
点である。
そこで第７図に示すように、上記平面波またか
球面波の収束点２４の収束点１９に小開口のピン
ホール２０を置き、その収束点２４をすべて通過
させるようにする。そしてそのピンホール２０を
通過する光の強度を光電検出素子２１によつて検
出する。
球面波の収束点２４の収束点１９に小開口のピン
ホール２０を置き、その収束点２４をすべて通過
させるようにする。そしてそのピンホール２０を
通過する光の強度を光電検出素子２１によつて検
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が基準表面１１か
らず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、それに伴つて特殊光学素子１５からの出力光
２４ａも平面波あるいは球面波の収束光２４とは
異なり、いわゆる収差をもつた光波面となる。こ
の出力光２４ａはレンズ等によつても上記収束点
１９には収束（集光）しない。
面（以下被検表面と呼ぶ）２２が基準表面１１か
らず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、それに伴つて特殊光学素子１５からの出力光
２４ａも平面波あるいは球面波の収束光２４とは
異なり、いわゆる収差をもつた光波面となる。こ
の出力光２４ａはレンズ等によつても上記収束点
１９には収束（集光）しない。
このように、被検表面２２の形状が基準表面１
１の形状と全く同じ場合には、第７図に示すよう
に、特殊光学素子１４あるいは１５からの出力光
は一点に集中してピンホール２０を通過するの
で、上記光電検出素子２１からの出力信号は大き
いが、第６図に示すように被検表面２２が基準表
面１１からずれている（形状誤差）場合には、第
８図に示すように、特殊光学素子１４あるいは１
５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。
１の形状と全く同じ場合には、第７図に示すよう
に、特殊光学素子１４あるいは１５からの出力光
は一点に集中してピンホール２０を通過するの
で、上記光電検出素子２１からの出力信号は大き
いが、第６図に示すように被検表面２２が基準表
面１１からずれている（形状誤差）場合には、第
８図に示すように、特殊光学素子１４あるいは１
５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するための上記特殊光学
素子１４，１５の一つとしてホログラム光学素子
がある。
波あるいは球面波に変換するための上記特殊光学
素子１４，１５の一つとしてホログラム光学素子
がある。
すなわち、第９図に示すように、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とでオフ・アクシスタイプのホログ
ラム２６を記録、作成する。このホログラムは計
算ホログラムに置きかえることも可能である。次
にこの作成したホログラム２６を現像処理後、第
１０図に示すように、記録時と全く同じ位置に正
確にセツトし、このホログラム２６を基準表面１
１からの正反射光１３の光波面２７のみで照明す
れば、ホログラム２６からの出力光であるプラス
１次回折光２８はホログラム記録時のもう一つの
光波面すなわち参照光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に置きかえ、この被検表面２２
を同一のレーザー光波面で照射した場合、被検表
面２２の形状が基準表面１１とわずかに異なつて
いると、その被検表面２２からの正反射光２３の
光波面２７ａは基準表面１１からのそれとわずか
に異なつた光波面となり、この反射光波面２７ａ
でホログラム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次回折孔
２８ａは上記平面波あるいは球面波とは少し異な
つた光波面となる。この光波面はレンズ１８等に
より微小な一点（収束点）に収束させることはで
きない。
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とでオフ・アクシスタイプのホログ
ラム２６を記録、作成する。このホログラムは計
算ホログラムに置きかえることも可能である。次
にこの作成したホログラム２６を現像処理後、第
１０図に示すように、記録時と全く同じ位置に正
確にセツトし、このホログラム２６を基準表面１
１からの正反射光１３の光波面２７のみで照明す
れば、ホログラム２６からの出力光であるプラス
１次回折光２８はホログラム記録時のもう一つの
光波面すなわち参照光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に置きかえ、この被検表面２２
を同一のレーザー光波面で照射した場合、被検表
面２２の形状が基準表面１１とわずかに異なつて
いると、その被検表面２２からの正反射光２３の
光波面２７ａは基準表面１１からのそれとわずか
に異なつた光波面となり、この反射光波面２７ａ
でホログラム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次回折孔
２８ａは上記平面波あるいは球面波とは少し異な
つた光波面となる。この光波面はレンズ１８等に
より微小な一点（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。
まず理想形状をもつ加工表面（基準表面）１１
に大きな入射角でレーザー光１２を照射し、その
正反射光１３と平面波参照光２５とでホログラム
２６を記録し、現象処理後、このホログラム２６
を記録時と全く同じ位置にセツトする。そして記
録時の基準表面１１を被検表面２２に置きかえ、
この被検表面２２を同一のレーザー光波面で照射
する。そしてその正反射光波面でホログラム２６
を照明し、ホログラム２６からのプラス１次回折
波を凸レンズ１８で受け、後側焦点面での光強度
分布を観察する。もし被検表面２２が基準表面１
１と全く同じであるとすると、その光強度分布は
微小な収束点１９に集中するが、形状誤差がある
と、その分布、量に応じて光強度分布が広がつた
りあるいは集光位置がずれたりする。したがつて
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を通過する光の強度を光電検出素
子２１により検出すれば、この素子２１の出力
と、被検表面２２の基準表面１１に対する形状誤
差に対応する量との相関が得られる。
に大きな入射角でレーザー光１２を照射し、その
正反射光１３と平面波参照光２５とでホログラム
２６を記録し、現象処理後、このホログラム２６
を記録時と全く同じ位置にセツトする。そして記
録時の基準表面１１を被検表面２２に置きかえ、
この被検表面２２を同一のレーザー光波面で照射
する。そしてその正反射光波面でホログラム２６
を照明し、ホログラム２６からのプラス１次回折
波を凸レンズ１８で受け、後側焦点面での光強度
分布を観察する。もし被検表面２２が基準表面１
１と全く同じであるとすると、その光強度分布は
微小な収束点１９に集中するが、形状誤差がある
と、その分布、量に応じて光強度分布が広がつた
りあるいは集光位置がずれたりする。したがつて
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を通過する光の強度を光電検出素
子２１により検出すれば、この素子２１の出力
と、被検表面２２の基準表面１１に対する形状誤
差に対応する量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信号
の最も簡単な検出法として、光波の収束面にピン
ホール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１図に示すように、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
検出素子３１ａの出力をマイクロコンピユータで
処理することにより、被検表面２２の基準表面１
１からのずれの方向および程度を検出することが
可能である。
の最も簡単な検出法として、光波の収束面にピン
ホール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１図に示すように、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
検出素子３１ａの出力をマイクロコンピユータで
処理することにより、被検表面２２の基準表面１
１からのずれの方向および程度を検出することが
可能である。
次に、本発明検出法を歯車の歯形の３次形状検
査に用いた実験例を第１２図ないし第１４図に示
す。すなわち、歯車３２の各歯面の中でインボリ
ユート理想形状に近い歯面（歯ナンバー19番）を
基準表面として、He−Neレーザー（波長633μ
ｍ）の平行光１２により、ピツチ円上での入射角
θが約71度となる方向から照射し、その正反射光
波面２７と、参照光２５の平面波とによつてガラ
ス基板のホログラム２６を作成する。第１２図に
おいて３３はハーフミラー、３４はミラーであ
る。次にそのホログラム２６を記録時と同じ位置
にセツトし、上記基準表面の歯面（歯ナンバー19
番）からの正反射光のみでこのホログラム２６を
照射する。そしてこのホログラム２６からのプラ
ス１次回折光２８を焦点距離ｆのレンズ１８によ
り集光し、基準表面に対応する光電検出素子２１
からの出力が最大となるように微小ピンホール２
０の位置を調節する。この配置で、歯車３２の回
転軸３５を正確に１ピツチづつ回転させることに
より、他の各歯面に対応する光電検出素子２１か
らの出力を読みとる。そして基準表面の場合の出
力に対する他の歯面の出力の比を求めれば、一定
の限界値以下の場合を不良表面として検出するこ
とができる。
査に用いた実験例を第１２図ないし第１４図に示
す。すなわち、歯車３２の各歯面の中でインボリ
ユート理想形状に近い歯面（歯ナンバー19番）を
基準表面として、He−Neレーザー（波長633μ
ｍ）の平行光１２により、ピツチ円上での入射角
θが約71度となる方向から照射し、その正反射光
波面２７と、参照光２５の平面波とによつてガラ
ス基板のホログラム２６を作成する。第１２図に
おいて３３はハーフミラー、３４はミラーであ
る。次にそのホログラム２６を記録時と同じ位置
にセツトし、上記基準表面の歯面（歯ナンバー19
番）からの正反射光のみでこのホログラム２６を
照射する。そしてこのホログラム２６からのプラ
ス１次回折光２８を焦点距離ｆのレンズ１８によ
り集光し、基準表面に対応する光電検出素子２１
からの出力が最大となるように微小ピンホール２
０の位置を調節する。この配置で、歯車３２の回
転軸３５を正確に１ピツチづつ回転させることに
より、他の各歯面に対応する光電検出素子２１か
らの出力を読みとる。そして基準表面の場合の出
力に対する他の歯面の出力の比を求めれば、一定
の限界値以下の場合を不良表面として検出するこ
とができる。
なお、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つた光波面（平面波、
球面波）に変換する作用をもつた光学素子であれ
ばホログラムには限られない。例えば、そのよう
な働きをするガラスあるいはプラスチツク光学素
子、キノフオーム等を特殊光学素子として用いて
もよい。
には、ゆがんだ光波面を整つた光波面（平面波、
球面波）に変換する作用をもつた光学素子であれ
ばホログラムには限られない。例えば、そのよう
な働きをするガラスあるいはプラスチツク光学素
子、キノフオーム等を特殊光学素子として用いて
もよい。
本発明では、(A)被検物体表面に対し大きい入射
角でレーザー光を照射し、その反射光のうちの大
きい反射角の正反射光成分の光を用いること、(B)
この正反射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せやすい光波面に波面変
換すること、(C)この光波面を収束させ、その収束
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
の強度分布等を検出すること、(D)この検出された
光強度分布等のデータを演算処理することによ
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段階の組合せによつて
高感度、高速の３次元的形状誤差計測を実現する
ことができ、微小形状誤差の分類（凹凸、傾きの
方向等）および誤差量を容易に検出することがで
きる。
角でレーザー光を照射し、その反射光のうちの大
きい反射角の正反射光成分の光を用いること、(B)
この正反射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せやすい光波面に波面変
換すること、(C)この光波面を収束させ、その収束
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
の強度分布等を検出すること、(D)この検出された
光強度分布等のデータを演算処理することによ
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段階の組合せによつて
高感度、高速の３次元的形状誤差計測を実現する
ことができ、微小形状誤差の分類（凹凸、傾きの
方向等）および誤差量を容易に検出することがで
きる。
図は本発明の光学的形状誤差検出法に係るもの
で、第１図、第２図および第３図はシーン現象を
示す説明図、第４図、第５図および第６図は特殊
光学素子の働きを示す説明図、第７図および第８
図は特殊光学素子よりの出力光をピンホールを経
て光電検出素子により検出する作用を示す説明
図、第９図はホログラム作成時の説明図、第１０
図はホログラム再生時の説明図、第１１図は上記
ピンホールの代替手段である光電検出素子アレイ
およびその出力の処理系統を示す説明図、第１２
図は本発明を歯車の歯形の形状誤差検出に利用す
る場合の説明図、第１３図および第１４図はその
歯形の斜視図である。 １２……レーザー光、２１，３１ａ……光電検
出素子、２２……被検物体表面（被検表面）、２
６……特殊光学素子としてのホログラム。
で、第１図、第２図および第３図はシーン現象を
示す説明図、第４図、第５図および第６図は特殊
光学素子の働きを示す説明図、第７図および第８
図は特殊光学素子よりの出力光をピンホールを経
て光電検出素子により検出する作用を示す説明
図、第９図はホログラム作成時の説明図、第１０
図はホログラム再生時の説明図、第１１図は上記
ピンホールの代替手段である光電検出素子アレイ
およびその出力の処理系統を示す説明図、第１２
図は本発明を歯車の歯形の形状誤差検出に利用す
る場合の説明図、第１３図および第１４図はその
歯形の斜視図である。 １２……レーザー光、２１，３１ａ……光電検
出素子、２２……被検物体表面（被検表面）、２
６……特殊光学素子としてのホログラム。
Claims (1)
- １ 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、その正反射光波面を収束させやすい
光波面に変換す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するこ
とにより、被検物体表面の形状誤差を検査、測定
することを特徴とする光学的形状誤差検出法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59055750A JPS60200112A (ja) | 1984-03-23 | 1984-03-23 | 光学的形状誤差検出法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60200112A JPS60200112A (ja) | 1985-10-09 |
| JPH0217044B2 true JPH0217044B2 (ja) | 1990-04-19 |
Family
ID=13007527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59055750A Granted JPS60200112A (ja) | 1984-03-23 | 1984-03-23 | 光学的形状誤差検出法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4657396A (ja) |
| JP (1) | JPS60200112A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0533776Y2 (ja) * | 1986-10-31 | 1993-08-27 | ||
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- 1985-03-19 US US06/713,531 patent/US4657396A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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|---|---|
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