JPH044166Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ａ 考案の目的 （産業上の利用分野） 本考案に係る微細形状測定器は、鏡面仕上を施
した金属表面の表面粗さ測定等、各種高精度の測
定に使用される。

（従来の技術） 金属表面の表面粗さ等、各種精密形状測定を行
なうために、光梃子式、電気式の微細形状測定
器、或は比較的精度の粗いものとしてはミクロケ
ータ、ダイヤルゲージ等が使用されている。

このうち、電気式の微細形状測定器について説
明する。電気式の微細形状測定器は、第１図に示
すように、被測定面１の凹凸に追従して昇降する
触針２の途中に固定した鉄芯３と、この鉄芯３を
囲んで設けたコイル４とにより差動トランスを構
成したもので、上下対となつた互いに平行なばね
５，５により支承された触針２が被測定面１の凹
凸に従つて昇降すると、コイル４の出力電圧が触
針２の変位量に比例して変化する。このため、こ
の電圧変化分から被測定面１の凹凸形状を知るこ
とができる。６は測定圧調整用のばねである。

このような従来の微細形状測定器は測定時に触
針を被測定物表面に接触させたまま移動させるた
め、被測定物の表面を傷付けてしまう。このた
め、触針等の測定子を被測定面に接触させること
なく被測定面の形状を測定することができる、レ
ーザ光を用いた光学式の微細形状測定器が各種知
られている。次に、この光学式の微細形状測定器
の原理について簡単に説明する。

第２〜４図は、光学式の微細形状測定器の原理
の第１例を示している。この原理は、昭和58年度
精機学会秋季大会学術講演会論文集の第391〜392
頁及び工業技術院機械技術研究所発行の機械研ニ
ユース1983年No.９の第１〜２頁に記載されたもの
である。レーザダイオード７から送り出されたレ
ーザ光は、第２図に示したコリメータレンズ８、
偏光ビームスプリツタ９、４分の１波長板１０、
対物レンズ１１を通つて被測定面１に投射され、
更にこのレーザ光はこの被測定面１で反射して再
び対物レンズ１１、４分の１波長板１０を通り、
偏光ビームスプリツタ９で反射してハーフミラー
１２に送られる。このハーフミラー１２で反射し
たレーザ光は第一の臨界角プリズム１３を通つて
第一、第二のフオトダイオード１４，１６に送ら
れ、ハーフミラー１２を透過したレーザ光は第二
の臨界角プリズム１５を通つて同じく第一、第二
のフオトダイオード１４，１６に送られる。測定
ヘツドに固定の対物レンズ１１と被測定面１との
距離が変化すると、この被測定面で反射してから
第一、第二の臨界角プリズム１３，１５内に進入
するレーザ光の入射角度が変化し、その結果第
一、第二のフオトダイオード１４，１６に達する
光の強さが変化するため、第一、第二のフオトダ
イオート１４，１６の出力差の変化を検出すれば
被測定面の凹凸を知ることができる。臨界角プリ
ズムの原理を示す第３図により更に説明すると、
被測定面がＢ位置にあつた場合、被測定面で反射
したレーザ光は同図に実線で示すような経路で第
一、第二のフオトダイオード１４，１６に入り、
両フオトダイオードから同じ大きさの出力が出る
（電位差０）。被測定面がＡ位置にまで近付くと、
反射レーザ光は同図に鎖線で示すような経路で臨
界角プリズム１３，１５に入る。この状態に於い
てはレーザ光の一部がプリズム内で反射せずにそ
のまま透過してしまうため、第一、第二のフオト
ダイオード１４，１６に入るレーザ光が弱くなる
が、この弱くなる度合は第二のフオトダイオード
１６に比べて第一のフオトダイオード１４の方が
大きくなるため、両ダイオード１４，１６の出力
に差が出る。反対に被測定面がＣ位置にまで遠ざ
かると、反射レーザ光は同図に破線で示すような
経路で臨界角プリズム１３，１５に入り、上述し
たＡ位置の場合と逆の電位差が第一、第二のフオ
トダイオード１４，１６の間に生じる。被測定面
の変位量と出力電位差Ｖとの間には第４図に示す
ような関係があるため、この電位差Ｖから被測定
面の微細な形状を求めることができる。なお、第
２図に於いて臨界角プリズムを第一、第二の２個
用意し、第一、第二のフオトダイオード１４，１
６を２組設けたのは、被測定面１の傾斜に基く誤
差をキヤンセルするためである。

又、第５図は光学式の微細形状測定器の別の原
理を示している。この原理は非点収差法と呼ばれ
昭和59年度精機学会春季大会学術講演会論文集第
393〜394頁に記載されたもので、光束を蒲鉾型の
シリンドリカルレンズ１９により集束させると、
このレンズからの距離に応じて光束の断面が直線
状、縦長の楕円形、円形、横長の楕円形に連続的
に変化するのを利用して４分割のフオトダイオー
ドにより光束の断面変化を求め、この断面変化に
基づいて被測定面の微細な形状を測定する。

レーザ光利用の測定器の原理としてはこの他に
も、昭和58年度精機学会春季大会学術講演会論文
集第523〜526頁に記載のもの、同年同学会秋季大
会学術講演会論文集第413〜414頁に記載のもの等
がある。いずれの原理に基づいて製作された微細
形状測定器に於いても、接触子等を被測定面に接
触させることなくこの被測定面の微細な形状を測
定することができる。

（考案が解決しようとする問題点） ところが、上述のような従来の光学式の微細形
状測定器に於いては、次に述べるような不都合を
生じる。

即ち、被測定面を照射するためレーザダイオー
ド７から投射されるレーザ光の光束の断面形は円
形ではなく、第６図に示すような楕円形となる。
このような断面が楕円形の光束に於ける光の強さ
は中央部が強く周辺部に向けて次第に弱くなるよ
うなガウス分布状となる。即ち、第６図のＡ−Ａ
線で示す短径方向は第７図に示すような尖つた強
度分布になり、同じくＢ−Ｂ線で示す長径方向は
第８図に示すような比較的緩やかな分布となる。

ところで、被測定面にレーザ光を投射する場
合、レーザ光の断面は楕円形でなく円形であるの
が好ましい。このため、従来は末広がり状のレー
ザ光を平行光線に変えるためレーザダイオード７
の直後に設けるコリメータレンズ８の大きさを工
夫し、楕円形断面のレーザ光のうち、第６図に斜
格子で示すように中央の円形部分のみを通過さ
せ、コリメータレンズ８の後方に送られる光束の
断面が円形となるようにしている。このようにコ
リメータレンズ８により断面が楕円形の光束の一
部を採り出すようにすると、第６図のＢ−Ｂ線方
向の光の強度分布は、第８図に斜格子で示すよう
に、両端で光の強度が急激に低下する非ガウス分
布状となる。但し、この場合に於いても第６図の
Ａ−Ａ線方向の光の強度分布は第７図に示すよう
なガウス分布状となる。

このような強度分布を有する光束は対物レンズ
１１で絞り込むことで直径を小さくして被測定面
１を照射するが、強度分布が第８図に斜格子で示
したような非ガウス分布状の場合、対物レンズ１
１を通過する際に生じる光の回折に基づき、光束
の断面が第９図に示すように変化してしまう。即
ち、光束の断面に本来の円形部分１７の他、三日
月状の干渉部分１８，１８が生じてしまう。この
干渉部分１８，１８の光の強度は、第１０図に示
すように円形部分１７の光の強度に比べて弱い
が、被測定面の微細な凹凸を測定する場合、この
干渉部分１８，１８の存在が測定結果に悪影響を
与えるおそれがある。更に、コリメータレンズ８
を通過するレーザ光は、レーザダイオード７から
投射されるレーザ光のうちの一部にしか過ぎない
ため、被測定面１に投射されるレーザ光の強度が
弱くなり、被測定面１の反射率が低い場合は正確
な測定を行ない難くなる。

本考案はこのような干渉部分の存在により測定
に悪影響を与えることがなく、しかもレーザダイ
オードから投射されるレーザ光を有効に利用でき
る微細形状測定器を提供することを目的としてい
る。

ｂ 考案の構成 本考案の微細形状測定器は、レーザ光を投射す
るレーザダイオードと、このレーザ光を被測定面
に投射するために絞り込む対物レンズとの間に、
レーザ光の断面を円形に変換する光路を設けるこ
とにより、対物レンズにより絞り込まれたレーザ
光の光束に第９図に示したような干渉部分１８，
１８が存在しないようにしている。

このように光束の断面を楕円形から円形に変換
する光路は、シリンドリカルレンズ或はプリズム
により、又は両者を組合せることにより構成され
るもので、レーザ光の光束を楕円形断面の長軸方
向に圧縮することにより、或は短軸方向に引き伸
ばすことにより、このレーザ光の光束の断面形状
を円形に変換する。

まず、断面形変換用の光路をシリンドリカルレ
ンズにより構成した場合について第１１図により
説明する。このシリンドリカルレンズによる光路
は、凹レンズ状のシリンドリカルレンズ２０と凸
レンズ状のシリンドリカルレンズ２１とを直列に
配置したものである。この光路により光束の断面
形を楕円から円に変換する場合、短径方向を引き
伸ばすことも、長径方向を圧縮することもできる
が、まず短径方向を引き伸ばす場合について説明
する。断面楕円形の光束をその短径方向に引き伸
ばす場合は、断面楕円形の光束を凹レンズ状のシ
リンドリカルレンズ２０の側から投射する。この
際、楕円の長軸方向とシリンドリカルレンズの配
設方向とを一致させておく。このように凹レンズ
状のシリンドリカルレンズ２０の側から投射され
た光束はこのレンズ２０を通過することにより、
短径方向に末広がり状に拡散される。楕円の長径
方向は拡散されずレーザダイオードから投射され
た拡散或は平行状態のままシリンドリカルレンズ
２０を通過するため、このシリンドリカルレンズ
２０を通過後の光束は一定距離だけ後方に於いて
断面が円形となる。光束の断面形は、この一定距
離よりも後方に於いては、長軸が上記一定距離よ
りも前側に於ける場合と直角方向に向う楕円形と
なつてしまう。そこで、光束の断面形が丁度円形
となる上記一定距離位置に凸レンズ状のシリンド
リカルレンズ２１を、上記凹レンズ状のシリンド
リカルレンズ２０と平行に配設し、凹レンズ状シ
リンドリカルレンズ２０を通過後拡散する角度を
一方向のみ大きくした光束の拡散角を全方向に亘
り一致させるように構成している。このため、凸
レンズ状シリンドリカルレンズ２１を通過後の光
束の断面はいずれの部分でも円形となる。この断
面円形の光束は、第２図に示した微細形状測定器
に於いてはコリメータレンズ８を通し平行光束に
変換してから偏光ビームスプリツタ９に投射し、
更に対物レンズ１１で絞つてから被測定面１に投
射する。１対のシリンドリカルレンズ２０，２１
を通過することにより断面を円形に変換されたレ
ーザ光の光束は、従来のように光束のうちの一部
を採り出したものではないので、光強度分布はい
ずれの方向に於いても第７図に示したようなガウ
ス分布状となる。このため、この光束を対物レン
ズ１１により絞つた場合に、回折に伴つて第９図
に示すような干渉部分１８，１８が生じることは
ない。

上述の説明は、光束の断面形を短径方向に引き
伸ばすことにより円形に変換する例について説明
したが、同様の構成により断面を長径方向に圧縮
して円形に変換するようにもできる。即ち、断面
を長径方向に圧縮する場合、断面楕円形の光束を
凸レンズ状のシリンドリカルレンズ２１の側から
投射して光束を長径方向に亘つて収束させ、この
光束の断面形が円となる部分に凹レンズ状のシリ
ンドリカルレンズ２１を配置して断面が円形の光
束を得る。

又、光束の断面形を楕円から円に変換すること
は、上述のようなシリンドリカルレンズによる
他、プリズムによつても行なうことができる。即
ち、第１２〜１３図に示すように、三角柱状のプ
リズム２２を通過させることにより、楕円形断面
を有する光束を短径方向に引き伸ばし、或は長径
方向に圧縮して光束の断面を円形とすることがで
きる。１個のプリズムを通過させることにより、
光軸の向きが変わるが、微細形状測定器に組込む
場合に特に不都合を生じるものではなく、光軸の
向きをそのままの向きとすることも２個のプリズ
ムを組合わせることにより容易に行なえる。

更に、プリズムとシリンドリカルレンズとを組
合せることにより、断面が楕円形の光束を断面円
形の光束とする光路を構成することもできる。

光路をいずれの手段で構成した場合も、レーザ
ダイオードから投射される断面が楕円形の光束は
全部被測定面１を照射するのに利用され、しかも
対物レンズを通過する前に断面が円形で光強度分
布がいずれの方向に於いてもガウス分布状となる
光束となるため、対物レンズ通過後のレーザ光の
強度は十分に強く、しかも第９図に示すような干
渉部分が生じることもない。

ｃ 考案の効果 本考案の微細形状測定器は以上に述べた通り構
成されるため、被測定面の微細な凹凸を干渉によ
る影響を受けることなく正確に測定できしかも被
測定面に投射されるレーザ光の強度が大きいた
め、従来よりも反射率の小さい被測定面の測定も
行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は接触式の微細形状測定器の１例を示す
略縦断側面図、第２図は光学式の微細形状測定器
の原理の第１例を示す略側面図、第３図は臨界角
プリズムの原理を示す略側面図、第４図は臨界角
プリズムにより生じる電位差と変位量との関係を
示す線図、第５図は光学式微細形状測定器の原理
の第２例を示す略側面図、第６図はレーザダイオ
ードから投射される光束の断面を示す図、第７図
はこの光束の短径方向の光強度分布を示す線図、
第８図は同じく長径方向の光強度分布を示す線
図、第９図は長径方向に亘り生じる干渉による光
束を示す断面図、第１０図はこの長径方向の光強
度分布を示す線図、第１１図はシリンドリカルレ
ンズを用いた断面形変換用の光路を示す斜視図、
第１２図はプリズムを用いた光路の斜視図、第１
３図は同じく平面図である。 １……被測定面、２……触針、３……鉄芯、４
……コイル、５，６……ばね、７……レーザダイ
オード、８……コリメータレンズ、９……偏光ビ
ームスプリツタ、１０……４分の１波長板、１１
……対物レンズ、１２……ハーフミラー、１３…
…第一の臨界角プリズム、１４……第一のフオト
ダイオード、１５……第二の臨界角プリズム、１
６……第二のフオトダイオード、１７……円形部
分、１８……干渉部分、１９，２０，２１……シ
リンドリカルレンズ、２２……プリズム。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 投光手段と受光手段とより成り、投光手段は、
   レーザダイオード７の出すレーザ光をコリメータ
   レンズ８、偏光ビームスプリツタ９、４分の１波
   長板１０、対物レンズ１１に順次通し、試料台に
   載せた被測定物の被測定面１に対物レンズ１１の
   焦点を結ばせるものであり、受光手段は、被測定
   面から反射し対物レンズ１１、４分の１波長板１
   ０を通つたレーザ光を偏光ブームスプリツタ９で
   反射させて臨界角プリズム１３，１５に臨界角で
   入射させ、この臨界角プリズムから出るレーザ光
   の光軸に直交し且つ入射光が平行から拡散／収束
   するようにずれるのに応じて各々への入射光量の
   比率が変化する方向に２箇のフオトダイオード１
   ４，１６を隣接配置したものである微細形状測定
   器において、シリンドリカルレンズ１９，２０，
   ２１とプリズム２２との少なくとも一方を有し
   て、レーザダイオード７の出す断面楕円形のレー
   ザ光の断面を、光の強度分布が何れの方向にもガ
   ウス分布状と成る円形にする手段を、偏光ビーム
   スプリツタ９の前に設けたことを特徴とする微細
   形状測定器。