JPS5948323B2 - 透明板の厚み測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は透明板の板厚の増減を極めて高い精度で連続的
に測定し得る方法に関する。

かかる方法の１つとしてレーザー光の可干渉性を利用し
た次のような測定方法が特公昭５１一２９４２２号によ
り提案されている。

すなわち透明板の面にレーザービーム投射すると板の表
面と裏面とで反射した光が互いに干渉し合って同心円環
状の明暗縞（干渉縞）を生じ、板を投射ビームに対して
相対的に移動させると干渉縞は板厚が増加するに従い中
心から外方に向けて移動し、逆に板厚が減少するに従い
干渉縞は中心方゛゛゛゛゛向に移動する。

したがつて光源に対し一定位置関係で固定した光検出器
を通過する干渉縞の移動方向および縞数を検出すること
により光の波長オーダーの単位で板厚増減量を測定する
ことができる。ただし上記方法の欠点として測定板の厚
さが急激に変化する点において、干渉縞の中心点が検出
器に対し相対的にずれることがあり、該中心点のずれは
検出器による干渉縞の検出に支障を来し、正確な板厚の
測定が不可能となる。本発明の目的は上述問題点を回避
する簡単な方法を提供することである。

以下本発明をさらに詳しく説明する。

まず干渉縞を利用した板厚測定原理を第１図に基づき説
明すると、屈折率ｎで且つ上下面１ａ、Ｉｂの交角がε
である透明板／に、板上方Ｓの点゜ にある波長λ。

の単色点光源から入射し反射した後観測点Ｐに至る光線
には表面反射光線Ｒａおよび裏面反射光線Ｒｂの二つが
ある。そして裏面反射光線Ｒｂの反射角をＸとし該反射
点における板厚をｄとすると、両光線Ｒａ、Ｒｂの位相
差Ｃは板、／が誘電体の場合近似的に、２π ζ手− ・ ２ｎｄｃｏｓＸ−π ・・・・・・・・・
（１）λ０となる。

そして上記位相差ζが２πの整数ｍ倍となるよフ うな
一定間隔をおいたＰ点位置で各々明るい縞が観察される
。

すなわち明るい縞を生じる位置では田式から、λ０２ｎ
ｄｃｏｓＸニー（ ２ｍ＋１）・・・・・・・・・ （
２）５ となる。

したがつて観測点Ｐを固定し特定の明縞に着目すると板
厚ｄが大になるに従い、この特定明縞のＸの値は大きく
なるからこの縞は干渉縞円環中心から外方へ向けて観測
点Ｐを横切ることになる。

板厚が減少するときは上記と逆方向へ移動する。そして
観測点Ｐに対する前記Ｘの値をＸｏとするとｌ本の干渉
縞通過に対応する板厚増減量△ｄは、となる。以上は無
限小の点光源を用いた場合の原理であるが、投射光とし
てレーザービームを使用し、観測点Ｐに光検出器を設置
すれば２上記原理をそのまま実際の板厚測定に適用でき
る。

この場合第１図における点光源Ｓに相当する位置は観測
点Ｐに到達するレーザー光波面の曲率中心ということに
なる。また干渉縞の空間における配置は、レーザー光波
長および被測定板屈折率を一定とするとＳ点と板面／ａ
間の距離ＳＮと板厚ｄの分布の２者により決定され、レ
ーザービームの板／に対する入射角や板面上でのビーム
スポツト形状はこの決定された干渉縞のどの部分を照ら
すか定める因子となる。

そして板／の上下面１ａ，１ｂが完全平行すなわちε＝
０であれば最大ζ位置は（１）式から明らかなようにＸ
＝０の位置であり、Ｓから板面に下した垂線ＳＮを中心
軸とする同心円環の干渉縞となる。

一方板／の厚みが一様でなくクサビ形となつている場合
つまり第１図においてε〉０である場合は干渉縞の中心
は図の右方へずれることになる。

したがつて板／を光源および検出器に対し相対的に移動
させて板厚を連続的に測定する場合、板の厚み変動が急
激であると第２図に示すように検出器の干渉縞２の円環
中心２ａに対する相対位置が所定位置３から移動し、特
に３に示す位置にきた場合は干渉縞２の移動方向が逆方
向に検出されることになり測定結果に大きな誤差をもた
らすことになる。本発明ぱ、上述した急激な板厚変動に
伴なつて生じる検出器と干渉縞中心との相対位置ずれを
最小限に抑え得る簡単な方法を提供するものである。

すなわち本発明に係る方法では検出器に到達するレーザ
ー光波面の曲率中心を、透明板内を含む該透明板面近傍
に位置させることを要旨とする。以下第３図により本発
明をさらに詳しく説明する。図において４は厚みを測定
しようとする屈折率ｎの透明板であり、厚みが図の左方
へ漸減する頂角εのクサビ形を成しているとする。Ｓは
点光源、Ｐは観測点であり、ａは表面反射光線、ｂは裏
面反射光線であり、光線ａの反射点をＡ、光線ｂの板４
への入射点をＢ、裏面反射点をＣ、板からの出射点をＷ
．Ｃ点への入射角をＸとし、Ｃ点における板厚をｄとす
る。

またＳ点から出て板４の裏面で反射した後Ｓ点に戻る光
線をｆで示し、光線ｆの板４への入射点（出射点）を、
Ａｏとし、Ａｏ点における板厚をｄｏとする。またＳ点
から板４の表面に下した垂線の足をＮ′とする。上記第
３図においてもし頂角ε＝Ｏつまり板４の上下面が完全
平行面であるならば干渉縞の円環中心に対応するＰ点は
Ｘ−０、すなわちＳ点から板面に下した垂線ＳＮ上にく
ることは既に述べた通りであるが頂角εが０より大であ
る場合における干渉縞の円環中心に対応する点Ｐの前記
角度ＸをＸ１としてこのＸ１は次のようにして求められ
る。

すなわち両反射光線ａ，ｂの位相差ζが最大となる位置
が干渉縞円環中心であるから前述の（１）式πにおける
ｄｃｏｓＸが最大となる点をＣ≦Ｘくーで探せばよい。

第３図においてＸがＯ付近で増加するとｄが明らかに増
大し始めるのに対しｃｏｓｘの値はほとんど減少しない
。

したがつてζが最大値を示すＸはＯπではない。

０〈Ｘ〈一にζの極値があればその値り が位相差ζの最大値となる。

このときのＸつまりＸ１は下記方程式の根として求めら
れる。Ｖ−−１ＶＶ４翫 一方第３図に示す幾何学的関係から、 である。

さらに肉マ＝Ｌｓとおくと、 ｄ＋ｄｏ＋ＡｏＢ・ε＋ｄ−ｘ・εであるからと表わす
ことができる。

（６）式を（４）式に代入すると、 ｘ εに関して２次以上の項を無視すると、 となりこの式の根を求めると、 となる。

（７）式によれば、Ｏより大な任意のεの値に対しＳ点
から被測定板までの距離Ｌｓが小になるほどＸ１の値が
小さくなる、つまり干渉縞の円環中心位置がε＝Ｏのと
きの位置に近づくことがわかる。

言い換えれば、Ｓ点すなわち観測点Ｐに到達するレーザ
ー光波面の曲率中心を被測定板表面近くに位置させるほ
ど板厚変動に伴なう干渉縞円環中心の位置変動は小とな
り、それだけ板厚増減量測定に生じる誤差は小さく抑え
られる。特に上記Ｓ点を透明板内部に位置させれば板厚
変動に伴なう干渉縞の円環中心変動量は最小となり（ｎ
−１）εにまで抑えられる。

次に第４図に示した実施例につき説明すると、５がＥｅ
−Ｎｅレーザー光源であり、光源５から出たレーザービ
ーム６はレンズ７で絞られ被測定板８例えばガラス板面
上に投射される。

板８面上で反射したビーム６は光電変換素子アレィ（以
下ｃｃＤと称する）９に受光される。ｃｃＤ９は干渉縞
の配列方向に多数の微小光電変換素子を配列して構成さ
れている。

図の装置においてレンズ７の焦点距離および光源５、レ
ンズ７，ｃｃＤ９の相対位置はｃｃＤ９に到達するレー
ザー光波面の曲率中心（以下Ｓ点という）が被測定板８
内に位置する如く選定する。

なおＳ点からｃｃＤ受光面までの距離Ｌｓは、の関係式
によつて求めることができる。

式（８）においてＷｏはレーザービーム６の最も細く絞
られた点（ビームウエスト）ＢＷにおけるビーム半径で
あり、Ｚは該ビームウエストＢＷからｃｃＤ受光面まで
のビーム光路に沿つた距離であり、λｏは使用レーザー
光の波長である。

具体的数値例で示すならば、ビーム６の投射角（反射角
）φを５度とし、ビームウエストのビーム半径ＷｏをＯ
．１ｍｍとし、被測定面からビームウエストまでの高さ
ＨＢを２４ｍｍとし、ｃｃＤ受光面までの高さＨｃを１
２４７！ｔｍとすれば被測定板のほぼ表面にＳ点を位置
させることができる。

ｃｃＤ９で受光される干渉縞は第４図にブロツクで示す
電気回路により第５図に示すステップで侶号処理され、
その移動方向および移動縞数が検出される。まず干渉縞
の各明縞１０・・・位置に対応してｃｃＤ９に発生する
出力１１は増幅器１２で増幅された後矩形波１３に波形
整形され、矩形波１３の立上り位置を示すパルス１４の
形で出力回路１５を出てカウンメ−１６に入る。

カウンメ−１６においては上記出力パルス１４の間隔Ｗ
１よりも小な間隔Ｗ２でゲートＧ１およびＧ２が設定さ
れており２両ゲートＧ１・Ｇ２間をｌつの出力パルス１
４が通過する毎に計数され、パルス１４がゲートＧ１お
よびＧ２のいずれを先に通過したかによつて干渉縞の明
縞１０の移動方向が決定される。この縞数および移動方
向の検出結果はデーメ処理回路１７で板厚増減量に変換
されて表示部１８で表示される。

第６図ないし第８図に本発明方法を実施するための他の
装置例を示す。本例は、連続帯状に製造され移送される
ガラス板等の透明板の板厚変動をその移送方向および幅
方向に連続的に測定する場合に適したものであり、第６
図は厚み検出部の平面視、第７図は同検出部の光学系、
第８図は同検出部による検出結果を処理するデー夕処理
回路をそれぞれ示す。

図において２０は連続帯状に成型され移送経路２１に沿
つて移送される透明板であり、２２は移送経路２１を横
断して固定設置したレールである。

レール２２上には走向自在な台車２３が載置してあり、
台車２３は、レール２２の一端側に設置したモーメ−２
４のプーり−２５Ａとレール２２の他端側に設けたプー
り−２５Ｂ間に巻回したワイヤ−２６に接続されていて
、モーノ−２４の正逆回転により板２０の幅方向に往復
動する。台車２３上にはレーザー光源２７、干渉縞を検
出する光電変換素子アレイを設けたｃｃＤカメラ２８、
ミラーおよびレンズからなる光学系２９、板２０の幅方
向両端部検出用のフオトマル３０Ａ，３０Ｂが設置して
あり、これらは第７図に示す如き光学的位置関係で配置
されている。

第７図において２９Ａはレンズ、２９Ｂは通常のミラー
、２９Ｃはハーフミラーであり矢印を付した線はレーザ
ービームの経路を表わす。

図の装置において、モーメ−２４駆動により台車２３が
移行し一方のフオトマル３０Ａで受光されるべきビーム
が板面上から外れたことが検出されるとその信号は走向
コントローラーに伝えられ、コントローラーの働きでモ
ーメ−２４は逆転し台車２３は反対方向に走向する。

同様にして他のフオトマル３０Ｂで板２０の他側端位置
が検出され、このようにして厚味測定用ビームが常に板
２０の所定の幅内を走査するように台車２３の往復動が
制御される。

一方ｃｃＤカメラ２８からは前述例と同様に干渉縞分布
に対応する出力パルスがカウンメー部に送られここで前
述例と同様にして干渉縞の移動縞数および移動方向が測
定される。

次いで上記情報はコンピユーメーに送られここで被測定
板の厚み増減量に変換される。

同時にコンピユーメーには厚み測定位置に関する情報が
位置検出部から送られる。すなわち、台車２３の駆動モ
ー汐−２４に連接されたパルスジエネレーメ−３１から
の信号が位相弁別回路に送られ、ここでモーメ−２４の
回転方向すなわち台車２３の移行方向が検出されその信
号が位置カウン夕ーに送られてここで板２０の幅方向所
定位置を原点として現時点の厚昧測定位置座標が決定さ
れる。

厚み測定位置は位置表示器に表示されるとともに情報が
コンピユーメーに送られる。

コンピユーターに接続された厚み表示器には常時厚み測
定結果が表示され、この表示器と前記位置表示器とによ
り刻々の厚み測定位置とその箇所における板厚を知るこ
とができる。一方、コンピユー汐一内でのリアルメイム
クロツク割込みにより一定時間毎に板幅方向における厚
み測定位置座標と板厚とが記憶され、同記録は測定機が
板端に達した都度プリンメーによりプリントウントされ
る。

なお本発明を実施するに際し被測定板あるいは厚み測定
機を移動させる場合、移動に伴なつて大なり小なり振動
を生じる。

かかる振動の速度が厚み測定デーメー処理スピードより
も遅い場合はプラスおよびマイナス方向の振動が相殺さ
れ厚み測定結果に大きな影響を及ぼすことはない。

しかしながら振動速度がデーメ処理速度を上廻る場合に
は干渉縞のカウント誤差が蓄積されるおそれも出てくる
。

このような振動による悪影響を小さく抑える上で干渉縞
の検出装置をできる限り被測定板面に近づけ、且つ投射
ビームの入射角φを２φ〉（ｎ−１）εＭａｘ＋ＷＭａ
ｘ とすることが望ましい。

ここでφは被測定板面の法線と投射ビームとの成す角で
あり、ｎは被測定板の屈折率、εＭａｘは板厚が漸進的
に変化する場合における被測定板上下面の成す最大予想
角度、ＷＭａｘは被測定板の振動に伴なう該板面法線の
最大予想振れ角であり、以上屈折率を除いていずれも投
射ビームおよび反射ビームを含む面内での値である。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉縞を利用した板厚測定原理を示す図であり
、第２図は同方法により生成される干渉縞の円環中心と
検出器との相対位置ずれの問題を示す図であり、第３図
は本発明の原理を説明するための幾何学的関係図であり
、第４図は本発明の一実施例を示す概略図であり、第５
図は同実施例における干渉縞に関する電気信号の処理ス
テツプを示す図であり、第６図は本発明方法により帯状
透明板の板厚を連続的に測定する場合に適した装置の例
を示す平面図であり、第７図は同装置における光学系の
構成を模式的に示す正面図であり、第８図は同装置にお
ける電気回路を示すブロツク図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 透明板の一側方にレーザー光源および光検出器を一
   定の位置関係で配置し、前記透明板面にレーザービーム
   を投射して該板の表面と裏面とで反射された光によつて
   干渉縞をつくり、前記透明板を光源および光検出器に対
   して相対的に移動させて前記検出器を通過する干渉縞の
   移動方向及び縞数を検出することにより、透明板のビー
   ム投射点における板厚増減量を連続的に測定する方法に
   おいて、前記光検出器に到達するレーザー光波面の曲率
   中心を、被測定板内に位置させることを特徴とする透明
   板の厚み測定方法。