JPH044167Y2 - - 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に臨界角
で投射されて第一、第二のフオトダイオード１
４，１６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に臨界角で
投射されて同じく第一、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ド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１４，１
６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１４，１６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。

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のない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７と対物レンズ１１との間
に、レーザ光の断面形を楕円形から円形に変換
し、しかも断面円形のレーザ光の強度分布が断面
のいずれの方向に於いてもガウス分布状となるよ
うなフイルタを設けることにより、被測定面１を
照射するレーザ光に第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、レーザ光の光束の断面形を楕円か
ら円に変換すると同時に、断面方向に亘る光の強
度分布をガウス分布状にするフイルタは、第１１
図に示すようなものを使用する。第１１図に於い
て、斜格子で示す部分は全く光を透過しない不透
過部分であり、この不透過部分２０の中央部に光
を透過させる円形部分２１が設けられている。更
に、この円形部分２１の内側には、斜線で示す光
を一部だけ透過させる半透過部分と、白抜で示し
光を100％或はそれに近く透過させる透過部分２
３とが設けられている。透過部分２３は、円形部
分の直径方向に亘つて設けられており、斜線で示
した半透過部分２２はこの透過部分２３の両側に
設けられている。半透過部分２２がレーザ光を透
過させる割合（透過率）は、斜線で示した部分全
体で一様ではなく、斜格子で示した不透過部分２
０に近い部分程透過率が低く、反対に白抜で示し
た透過部分２３に近い部分程透過率が高くなるよ
うに連続的に変化させている。更に、透過部分２
３も全体に亘つて100％の透過率ではなく、半透
過部分２２に近い部分の透過率は多少低くして、
円形部分２１の全方向に亘つてレーザ光がガウス
分布状になつて透過するようにされている。

このようなフイルタに向けて断面が楕円形のレ
ーザ光を投射する場合、第１１図に鎖線ａで示す
ように、レーザ光の光束の短径とフイルタの透過
部分２３の方向とが一致するようにして投射す
る。上述のように構成されたフイルタに向けてレ
ーザ光をこのように投射すると、このレーザ光の
断面形はフイルタ中央の円形部分２１に合せた円
となる。更に、円形部分２１の内側に設けた半透
過部分２２の存在により、この円形部分２１を透
過して断面円形となり、フイルタの後方に送られ
るレーザ光の光強度分布は、断面のいずれの方向
に於いても光束の中央部が高く、周辺部に向けて
低くなる第７図に示したようなガウス分布状とな
る。

このため、フイルタ通過後のレーザ光の光束を
対物レンズ１１により絞つて被測定面１に投射し
た場合でも、レーザ光の光束の一部に第９図に示
したような干渉部分１８，１８が生じることはな
く、干渉部分１８，１８の存在により測定値に誤
差を発生させることがない。

なお、フイルタを設ける位置は、レーザダイオ
ード７とコリメータレンズ８との間でも、或はコ
リメータレンズ８と対物レンズ１１との間でも良
い。又、図示の例ではフイルタ中央の光を透過さ
せる円形部分２１の直径をレーザ光の断面の楕円
の短径と等しくしているため、この短径方向に亘
る白抜の透過部分２３は直径方向の全長に亘り光
を100％させるようにするが、上記円形部分２１
の直径が楕円の短径よりも小さい場合、この透過
部分の両端部も透過率が徐々に低くなるようにす
る。

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を照射するレーザ光に干渉
部分が発生することがなく、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図は本考案の微細形状
測定器に組込むフイルタの平面図である。 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……シリンドリカル
レンズ、２０……不透過部分、２１……円形部
分、２２……半透過部分、２３……透過部分。

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ビームスプリツタ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、レーザダイオード７から出る楕円形
   レーザ光束の短径方向のガウス分布状の光を入れ
   る円形部分２１と、この円形部分２１を外れた光
   不透過部分２０とから成り、円形部分２１は、中
   心を通る楕円形レーザ光束の短径方向部分を透過
   率の高い透過部分２３とし、長径方向周縁部を透
   過率を低くした半透過部分２２とし且つ上記周縁
   部から中心に向うに従つて透過率を次第に高くし
   て、透過光を円形部分２１の全方向においてガウ
   ス分布状とするフイルタを、レーザダイオード７
   と対物レンズ１１との間に設けたことを特徴とす
   る微細形状測定器。