JPH04297814A - 三次元粗さ計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非点収差を利用して、
計測面の表面粗さ等のように微小部分の３次元形状を計
測する三次元粗さ計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物の三次元形状を非接触で計測
するために、非点収差法が提案されている。図６は、従
来の非点収差法を用いた三次元粗さ計を説明するための
図である。

【０００３】レーザ光源３１は、コヒーレントな光束を
発振するためのものであり、その光束は、非点収差光学
系３２に導かれている。非点収差光学系３２は、凸レン
ズ３２ａとシリンドリカルレンズ３２ｂとからなり、こ
の非点収差光学系３２により結像される光束を非点収差
のある光束に変換する。ここで、非点収差とは、レンズ
の焦点距離が光軸を含む縦断面と横断面で異なる値をも
つことにより生ずる収差をいう。

【０００４】つまり、非点収差光学系３２によって光ス
ポットを結像すると、計測面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のように
、位置によって光スポットの像が縦長の楕円、真円、横
長の楕円に変化する。この光スポットの形状を計測する
ことにより、形状センサから計測面までの距離を検出す
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の計測方
法を用いて、計測面の三次元粗さを検出しようとする場
合には、計測面に対して光束を走査しなければならず、
そのために精度の高い機構が必要なうえ、計測に時間が
かかるという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、機械的な移動を必要とせ
ず、計測面の表面粗さなどのような微小部分の３次元形
状がリアルタイムで計測できる三次元粗さ計を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による三次元粗さ計は、光束を発する光源と
、光束を非点収差のある光束に変換する非点収差光学系
と、光束を複数に分割する光束分割手段と、光束を計測
面に集光する集光光学系と、前記計測面で反射した光ス
ポットを撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像され
た前記各光スポットから算出される各光スポットまでの
距離に基づいて前記計測面の表面の粗さを演算する画像
処理装置とから構成されている。

【０００８】

【作用】前記構成によれば、光束を分割して多数の光ス
ポットを計測面の微小な部分に集光するので、その計測
面の各光スポットまでの距離を同時に計測でき、その計
測面の表面粗さ等の微小部分の表面形状を走査等をする
ことなしに計測することができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面等を参照して、実施例について、
本発明を詳細に説明する。図１〜図３は、本発明による
三次元粗さ計の第１の実施例を示した図であって、図１
は光学系全体を示した図、図２は非点収差光学系を示し
た斜視図、図３は信号処理回路を示したブロック図であ
る。

【００１０】この実施例の三次元粗さ計の投光光学系は
、レーザ光源１１，非点収差光学系１２，回折格子１３
を含むものである。レーザ光源１１は、コヒーレントな
光束を発振させるものであり、ここでは、半導体レーザ
が用いられている。非点収差光学系１２は、レーザ光源
１１から発振された光束を非点収差のある光束に変換す
る光学系であり、凸レンズ１２ａ，シリンドリカルレン
ズ１２ｂとから構成されている。

【００１１】回折格子１３は、非点収差光学系１２から
出射した光束を、二次元的に回折させて、マトリクス状
に規則正しく配列した多数の光スポットを対象面Ａ上に
投射するためのものであり、ここでは、ファイバグレー
ティングを使用している。ファイバグレーティングとは
、直径数十μｍの光ファイバをシート状に数百本並べた
回折格子であり、ここでは、２次元の回折光を生成する
ために、２枚のファイバグレーティングを光ファイバの
軸が直交するように重ねて、両側からカバーグラス板で
挟んで支持した構造のものを使用している。

【００１２】回折格子１３で分割された光束は、ビーム
スプリッタ１４のハーフミラー面１４ａを透過し、対物
レンズ１５で集光されて、対象面Ａ上に投射される。対
象面Ａに投射された光束は、図２に示すように、対象面
Ａ１〜Ａ３の位置によって、光スポットの形状が縦長の
楕円，真円，横長の楕円と変化する。

【００１３】対象面Ａで反射した光束は、その一部がビ
ームスプリッタ１４のハーフミラー面１４ａで反射して
、さらに、ミラー１６で反射した後に、ＣＣＤカメラ１
７に入射される。ＣＣＤカメラ１７は、レーザ光源１１
から出射して対象面Ａで反射した光スポットである光学
像を、電気的な画像信号に変換するためのものであり、
光電変換と電荷蓄積の機能をもった光検出素子を二次元
に配列し、これを順次読み出せるようにしたものである
。

【００１４】次に、この三次元粗さ計の信号処理回路に
ついて説明する。この信号処理回路は、レーザ光源１１
を制御する信号を送出するとともに、ＣＣＤカメラ１４
からの画像信号を演算処理するための回路であり、中央
処理装置２１と、カメラコントローラ２２と、画像メモ
リ２３と、表示・記録装置２４と、レーザコントローラ
２５とから構成されている。

【００１５】カメラコントローラ２２は、ＣＣＤカメラ
１４の出力を画像メモリ２３の入力信号として変換する
ためのものである。ＣＣＤカメラ１４からの画像信号は
、カメラコントローラ２２を介して、画像メモリ２３に
一時記憶される。中央処理装置２１は、画像メモリ２３
上でデータを処理する。つまり、中央処理装置２１では
、各光スポットの形状を認識し、その形状からそれぞれ
の光スポットまでの距離を算出して、最終的に、撮像さ
れた全光スポットの距離と、それらの光スポットの相対
的な位置関係から、対象面Ａの三次元的な表面粗さを算
出して出力する。中央処理装置２１の出力は、ＣＲＴ，
プリンタや磁気記録装置等からなる表示・記録装置２４
に出力される。

【００１６】第１の実施例の三次元粗さ計は、回折格子
１３によって、非点収差をもつ光束を、二次元の規則正
しいマトリクス状に分割したので、装置内に機械的な移
動や、光学的な走査をすることなく、１回で対象面３の
三次元的な表面粗さを計測することができる。

【００１７】図４は、本発明による三次元粗さ計の第２
の実施例を示した図である。なお、図１に示した第１の
実施例と同様な機能を果たす部分には、同一の符合を付
して、重複した説明を省略する。

【００１８】第２の実施例では、回折格子１３とビーム
スプリッタ１４の間に、２枚のレンズ１８，１９を設け
たものである。これらのレンズ１８，１９によって、光
の利用効率が向上するとともに、観察される光スポット
の数を増加させることができる。

【００１９】図５は、本発明による三次元粗さ計の第３
の実施例を示した外観図である。第３の実施例では、ビ
ームスプリッタ１４で分岐した光束を、ミラー１６で反
射させることなく、ＣＣＤカメラ１７で直接撮像するよ
うにしたものである。なお、この実施例では、シリンド
リカルレンズ１２ｂを投光光学系側から除き、ＣＣＤカ
メラ１７側にシリンドリカルレンズを入れて同様の効果
を持たせている。

【００２０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、光束分割手段によって、非点収差をもつ光束を多
数の光スポットとして投射するので、装置内に機械的な
移動や、光学的な走査をすることなく、１回の計測で対
象面の表面粗さなどの微小部分の表面形状を計測するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による三次元粗さ計の第１の実
施例の光学系全体を示した図である。

【図２】図２は、本発明による三次元粗さ計の第１の実
施例の非点収差光学系を示した斜視図である。

【図３】図３は、本発明による三次元粗さ計の第１の実
施例の信号処理回路を示したブロック図である。

【図４】図４は、本発明による三次元粗さ計の第２の実
施例の光学系全体を示した図である。

【図５】図５は、本発明による三次元粗さ計の第３の実
施例を示した外観図である。

【図６】図６は、従来の非点収差法を用いた三次元粗さ
計を説明するための図である。

【符号の説明】

１１　　レザー光源 １２　　非点収差光学系 １２ａ　　凸レンズ １２ｂ　　シリンドリカルレンズ １３　　回折格子 １４　　ビームスプリッタ １５　　対物レンズ １６　　ミラー １７　　ＣＣＤカメラ １８，１９　　レンズ ２１　　中央処理装置 ２２　　カメラコントローラ ２３　　画像メモリ ２４　　表示・記録装置 ２５　　レーザコントローラ Ａ　　対象面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光束を発する光源と、光束を非点収差
   のある光束に変換する非点収差光学系と、光束を複数に
   分割する光束分割手段と、光束を計測面に集光する集光
   光学系と、前記計測面で反射した光スポットを撮像する
   撮像装置と、前記撮像装置で撮像された前記各光スポッ
   トから算出される各光スポットまでの距離に基づいて前
   記計測面の表面の粗さを演算する画像処理装置とから構
   成した三次元粗さ計。