(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレント光を出射する低コヒーレント光源と、
該低コヒーレント光源から出射された低コヒーレント光の一部を分岐する低コヒーレント光分岐部と、
該低コヒーレント光分岐部により分岐された一方の低コヒーレント光の光路長を調節する光路長調節部と、
前記低コヒーレント光分岐部により分岐された他方の低コヒーレント光を、先端部から、長手方向に交差する方向に配置された計測対象に照射する直棒状のプローブと、
該計測対象において反射されて戻る低コヒーレント光と、光路長調節部により光路長調節された前記一方の低コヒーレント光とを合波する低コヒーレント光合波部と、
合波された低コヒーレント光を検出する光検出器と、
前記プローブと前記計測対象とを前記プローブの長手方向に沿う軸線回りに相対回転させる回転機構と、
照明光を出射する照明光源と、
前記プローブの先端部と前記合波部との間に配置され、低コヒーレント光の光軸に沿って前記照明光源からの照明光を入射させる照明光合波部と、
前記計測対象における照明光の反射光を低コヒーレント光から分岐する光分岐部と、
分岐された反射光を撮像する撮像素子と、
該撮像素子により取得された画像を表示する表示装置とを備え、
前記照明光源が、撮像素子に感度のない励起光を出射し、
前記プローブの先端に、前記励起光により励起され可視光を発生する蛍光物質と、前記計測対象における可視光の反射光を前記励起光の光路に合流させる反射光合波部とが備えられ、
前記蛍光物質よりも照明光源側に、前記励起光を透過し、可視光を反射する可視光反射膜が配置されている内面計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、計測対象物の表面粗さや輪郭形状等の表面の情報を計測する装置として、接触式のプローブを有する表面性状測定機が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
この表面性状測定機は、接触式のプローブを計測対象物の表面に接触させて、相対的に移動させることにより、計測対象物の表面形状に倣って接触式のプローブが移動する移動量を検出することにより、計測対象物の輪郭形状等を計測するものである。
【非特許文献１】株式会社ミツトヨ、商品情報、［online］、［平成１７年５月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mitutoyo.co.jp/products/keijyou_hyomen/hyomen_01.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、接触式のプローブによる表面形状の測定には限界がある。例えば、孔の内面形状を測定する場合、孔の断面積が比較的大きく、かつ、孔の内径寸法が孔の奥行き方向にほとんど変化しない場合には、小型のプローブを接触させることにより測定可能である。しかし、孔の断面積が比較的小さく、かつ、孔の内径寸法が孔の入口では小さく、孔の奥行き方向に進行するに従って広がる場合、入口を通過可能な小型のプローブでは、孔の奥側の内壁面に接触させることができず、測定が困難であるという不都合がある。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、孔の内面形状、特に、入口が狭く、奥に進むに従って広くなる孔の内面形状を精度よく測定することが可能な内面計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、低コヒーレント光を出射する低コヒーレント光源と、該低コヒーレント光源から出射された低コヒーレント光の一部を分岐する低コヒーレント光分岐部と、該低コヒーレント光分岐部により分岐された一方の低コヒーレント光の光路長を調節する光路長調節部と、前記低コヒーレント光分岐部により分岐された他方の低コヒーレント光を、先端部から、長手方向に交差する方向に配置された計測対象に照射する直棒状のプローブと、該計測対象において反射されて戻る低コヒーレント光と、光路長調節部により光路長調節された前記一方の低コヒーレント光とを合波する低コヒーレント光合波部と、合波された低コヒーレント光を検出する光検出器と、前記プローブと前記計測対象とを前記プローブの長手方向に沿う軸線回りに相対回転させる回転機構と、照明光を出射する照明光源と、前記プローブの先端部と前記合波部との間に配置され、低コヒーレント光の光軸に沿って前記照明光源からの照明光を入射させる照明光合波部と、前記計測対象における照明光の反射光を低コヒーレント光から分岐する光分岐部と、分岐された反射光を撮像する撮像素子と、該撮像素子により取得された画像を表示する表示装置とを備え、前記照明光源が、撮像素子に感度のない励起光を出射し、前記プローブの先端に、前記励起光により励起され可視光を発生する蛍光物質と、前記計測対象における可視光の反射光を前記励起光の光路に合流させる反射光合波部とが備えられ、前記蛍光物質よりも照明光源側に、前記励起光を透過し、可視光を反射する可視光反射膜が配置されている内面計測装置を提供する。
【０００６】
本発明によれば、計測対象となる孔内にプローブの先端を挿入し、低コヒーレント光源から低コヒーレント光を出射すると、発せられた低コヒーレント光が、低コヒーレント光分岐部により２つに分岐され、一方の低コヒーレント光は光路長調節部によりその光路長を調節される。他方の低コヒーレント光はプローブに入射され、棒状のプローブの先端部から長手方向に交差する方向に出射され、その方向に配置されている計測対象に照射される。前記他方の低コヒーレント光は計測対象において反射することにより、プローブを介して戻り、低コヒーレント光合波部によって、光路長調節された前記一方の低コヒーレント光と合波される。２つの低コヒーレント光の光路長が精度よく一致したとき、両低コヒーレント光が干渉することになるので、光検出器により検出される合波された低コヒーレント光の光量が変動する。したがって、回転機構の作動によりプローブと計測対象とを相対回転させながら、光検出器により検出される光量の変動を監視することにより、プローブと計測対象である孔の内面との距離を全周にわたって正確に計測することができる。
【０００８】
このようにすることで、照明光源から発せられた照明光が照明光合波部の作動により、低コヒーレント光の光軸に入射され、低コヒーレント光とともに計測対象に向けて照射される。計測対象における照明光の反射光は低コヒーレント光とともにプローブ内に戻るが、光分岐部において低コヒーレント光から分岐され、撮像素子により撮像され、取得された画像が表示装置によって表示される。
【０００９】
これにより、計測対象の表面状態を画像により監視しながら、表面形状の計測を行うことが可能となる。したがって、表面形状の計測により計測値に急激な変化が生じた場合などに、その表面状態を画像で確認することができる。
【００１１】
このようにすることで、照明光源から発せられた撮像素子に感度のない励起光がプローブの先端において蛍光物質を励起して可視光を発生し、発生された可視光が計測対象を照明する。計測対象において反射された可視光の反射光は、反射光合波部によって励起光の光路に合流されて戻り、光分岐部により分岐されて撮像素子により撮像され、取得された画像が表示装置により表示される。
【００１２】
この場合において、照明光源から励起光を照射し、プローブの先端において可視光を発生するので、照明光源から可視光を照射した場合と比較して、各光学系を通過する際に生ずるフレアを抑制することができる。その結果、表示装置によりフレアの少ない鮮明な画像を表示することができる。
【００１３】
このようにすることで、蛍光物質により発生された可視光は、可視光反射膜によって反射されることにより、照明光源側に戻ることが防止され、フレアの発生を抑制できるとともに、計測対象に照射する照明光量を増加させることができ、明るく鮮明な画像を取得することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、孔の内面形状、特に、入口が狭く、奥に進むに従って広くなる孔の内面形状を精度よく測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の第１の実施形態に係る内面計測装置１について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る内面計測装置１は、図１に示されるように、孔２を有するワーク３を把持して、該ワーク３を孔２のほぼ中心軸線回りに回転させる回転機構４と、孔２の中心軸線に沿って孔２内に挿入されるプローブ５と、プローブ５を介して光を照射し、ワーク３の孔２内面からの反射光を検出して、孔２の内面形状を計測する計測装置本体６と、プローブ５と計測装置本体６とを接続する光ファイバ７とを備えている。
【００１６】
前記回転機構４は、ベース８に固定されたモータ９と、モータ９の回転軸に設けられたチャック１０とを備えている。チャック１０にワーク３を把持させてモータ９を作動させることにより、ワーク３を孔２のほぼ中心軸線回りに回転させることができ、また、所定の角度位置で停止させることができるようになっている。
【００１７】
前記プローブ５は、図２に示されるように、前記ワーク３の孔２内に挿入可能な径寸法の棒状に形成され、内部に、後端側に入射された低コヒーレント光Ｌ０を長手方向に沿って先端側までリレーする不均質媒質レンズ１１と、先端までリレーされた低コヒーレント光Ｌ０を９０°偏向させて半径方向に出射させるプリズム１２とを備えている。プローブ５は、前記回転機構４に固定されたワーク３のほぼ中心軸線位置に配置されるとともに、直線移動機構１３によって中心軸線に沿ってその先端位置を変位させることができるようになっている。
【００１８】
前記計測装置本体６は、低コヒーレント光Ｌ０を出射する低コヒーレント光源１４と、該低コヒーレント光源１４から出射された低コヒーレント光Ｌ０を略平行光にするコリメートレンズ１５と、平行光にされた低コヒーレント光Ｌ０を参照光Ｌ１と測定光Ｌ２とに分岐する一方、戻ってきた測定光Ｌ２と参照光Ｌ１とを合波するハーフミラー１６と、参照光Ｌ１および測定光Ｌ２をそれぞれ集光して光ファイバ７，１７の一端に入射させるカップリングレンズ１８，１９と、光ファイバ１７の他端側に配置され、光ファイバ１７内を伝播されてきた参照光Ｌ１を反射するミラー２０と、該ミラー２０を光軸方向に移動させるミラー移動機構２１と、合波された低コヒーレント光Ｌ３を検出する光検出器２２と、該光検出器２２により検出された低コヒーレント光Ｌ３の光量と、回転機構４によるワーク３の回転角度位置情報および直線移動機構１３による軸方向の位置情報とに基づいて、ワーク３の孔２の内面形状を抽出する形状抽出部２３とを備えている。図中符号２４はコリメートレンズ、符号２５は集光レンズ、符号２６はモニタである。
【００１９】
本実施形態においては、ハーフミラー１６により分岐された測定光Ｌ２と参照光Ｌ１との光路長は、ほぼ同等となるように光ファイバ７，１７の長さが設定されている。
【００２０】
このように構成された本実施形態に係る内面計測装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る内面計測装置１によりワーク３の孔２内の内面形状を計測するには、まず、ワーク３を回転機構４のチャック１０に把持させ、モータ９の作動により、孔２のほぼ中心軸線回りに回転可能な状態とする。次いで、直線移動機構１３の作動により、ワーク３の孔２内にプローブ５を差し込み、プローブ５の先端の軸方向位置を調節する。
【００２１】
この状態で、低コヒーレント光源１４から低コヒーレント光Ｌ０を出射させる。低コヒーレント光Ｌ０は、コリメートレンズ１５によって略平行光にされた後、ハーフミラー１６によって一部が透過され、一部が反射される。透過した一部の低コヒーレント光は測定光Ｌ２として用いられる。反射された一部の低コヒーレント光は参照光Ｌ１として用いられる。
【００２２】
測定光Ｌ２は、カップリングレンズ１８によって光ファイバ７の一端に入射され、光ファイバ７内を伝播させられた後にプローブ５の後端に入射される。測定光Ｌ２は、プローブ５内においては、不均質媒質レンズ１１によって先端までリレーされた後に、先端に配されているプリズム１２によって９０°偏向させられて、半径方向外方に向けて出射される。
【００２３】
プローブ５の半径方向外方にはワーク３の孔２の内壁面が配置されているので、孔２の内壁面により反射された測定光Ｌ２がプローブ５内に戻り、プリズム１２、不均質媒質レンズ１１および光ファイバ７を介して計測装置本体６内に戻る。
計測装置本体６内に戻った測定光Ｌ２は、カップリングレンズ１８によって略平行光にされた後に、ハーフミラー１６によって反射され、集光レンズ２５によって集光されて光検出器２２により検出される。
【００２４】
一方、ハーフミラー１６によって反射された参照光Ｌ１は、カップリングレンズ１９によって光ファイバ１７の一端に入射され、光ファイバ１７内を伝播させられた後に、光ファイバ１７の他端から出射され、コリメートレンズ２４によって略平行光にされた後にミラー２０によって反射される。参照光Ｌ１は、ミラー２０によって反射されることにより、コリメートレンズ２４、光ファイバ１７およびカップリングレンズ１９を介して戻り、ハーフミラー１６を透過して、集光レンズ２５によって集光されて光検出器２２により検出される。
【００２５】
測定光Ｌ２の光路長と参照光Ｌ１の光路長とはほぼ同一となるように設定されているが、両者が異なっている場合には、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２との干渉は発生せず、合計の光量が光検出器２２により検出される。一方、ミラー移動機構２１の作動によりミラー２０を移動させることによって、測定光Ｌ２の光路長と参照光Ｌ１の光路長とが精度よく一致する位置においては、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２とが干渉する。
【００２６】
参照光Ｌ１と測定光Ｌ２とが干渉すると、干渉縞が発生するために、光検出器２２により検出される光量が急激に増減することになる。したがって、回転機構４および直線移動機構１３を所定の位置で停止しておき、ワーク３とプローブ５との相対位置を固定した状態で、ミラー移動機構２１の作動によりミラー２０を移動させて参照光Ｌ１の光路長を変化させることにより、光検出器２２により検出される光量が急激に増減する位置を探索することで、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２の光路長が一致する位置を見つけることができる。
【００２７】
低コヒーレント光源１４からプローブ５の先端までの測定光Ｌ２の幾何学的な光路長は固定されている。したがって、形状抽出部２３においては、参照光Ｌ１の光路長と測定光Ｌ２の光路長とが一致した位置における参照光Ｌ１の光路長からプローブ５先端までの測定光Ｌ２の光路長を差し引くことにより、プローブ５の先端から孔２の内壁面までの距離が正確に算出される。また、形状抽出部２３においては、算出されたプローブ５の先端から孔２の内壁面までの距離を、回転機構４の角度位置情報および直線移動機構１３の軸方向位置情報と対応づけて記憶する。
【００２８】
そして、この状態で回転機構４を作動させ、プローブ５に対してワーク３を微小角度だけ回転させた状態で停止し、上記測定作業を繰り返すことにより、所定の軸方向位置におけるプローブ５先端と孔２の内壁面との距離が全周にわたって取得される。
次いで、直線移動機構１３を作動させ、ワーク３に対してプローブ５を軸方向に微小距離だけ移動させた状態で停止し、全周にわたる上記測定作業を繰り返すことにより、孔２の内面形状を所定範囲にわたって計測することができる。
【００２９】
本実施形態によれば、接触式のプローブを使用することなく、低コヒーレント光Ｌ１，Ｌ２の干渉を利用して測定するので、プローブ５を細く構成して、口径の小さい孔２の内面形状を精度よく測定することができるとともに、入口が狭く奥に進むに従って口径の大きくなる孔２の内面形状をも精度よく測定することができるという利点がある。
【００３０】
なお、本実施形態に係る内面計測装置１においては、ワーク３に対してプローブ５を固定した状態でミラー２０を移動させてプローブ５と孔２の内壁面との距離を測定することを繰り返したが、これに代えて、回転機構４の作動によりプローブ５に対してワーク３を回転させ続け、ミラー移動機構２１の作動によってミラー２０を微動させつつ測定することにしてもよい。このようにすることで、プローブ５と孔２の内壁面との距離が同一となる周方向位置を短時間に複数検出することができ、計測時間を短縮することができるという利点がある。
【００３１】
また、本実施形態においては、プローブ５を固定しワーク３を回転させることとしたが、これに代えて、ワーク３を固定しプローブ５を回転させることとしてもよい。また、ワーク３に対してプローブ５を軸方向に移動させることとしたが、これに代えて、プローブ５を固定しワーク３を軸方向に移動させることとしてもよい。
【００３２】
また、低コヒーレント光Ｌ０を参照光Ｌ１と測定光Ｌ２とに分岐し、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２とを合波する部材として単一のハーフミラーを採用したが、これに代えて、低コヒーレント光分岐部と、低コヒーレント光合波部とを別個に設けることにしてもよい。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る内面計測装置３０について、図３を参照して説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る内面計測装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態に係る内面計測装置３０は、図３に示されるように、プローブ５の後端に、照明用の可視光Ｌ４を出射する照明光源３１と、該照明光源３１からの可視光Ｌ４を測定光Ｌ２の光路に入射させる合波プリズム（照明光合波部）３２と、ワーク３の孔２の内面において反射して戻る可視光Ｌ４を測定光Ｌ２の光路から分岐する分岐プリズム（光分岐部）３３と、分岐された可視光Ｌ４を撮像する撮像素子３４とを備えている。図中符号３５，３６は集光レンズである。
【００３５】
このように構成された本実施形態に係る内面計測装置３０によれば、照明光源３１から発せられた可視光Ｌ４が、合波プリズム３２によってプローブ５内に入射され、プローブ５の先端から測定光Ｌ２とともに出射される。出射された可視光Ｌ４は、孔２の内壁面を照明し、その反射光Ｌ４がプローブ５内に戻る。プローブ５内に戻った反射光Ｌ４は、プローブ５内を逆行し、分岐プリズム３３によって測定光Ｌ２の光路から分岐させられて撮像素子３４により撮像される。これにより、測定光Ｌ２を照射している位置近傍の領域における孔２の内面の画像を取得することができる。
【００３６】
したがって、本実施形態に係る内面計測装置３０によれば、ワーク３の孔２の内面形状を計測する際に、計測している孔２の内面の状態の画像を取得することが可能となり、内面計測を行いながら内面の状態を観察することができる。したがって、例えば、計測中に特異的な内面形状が判明した場合に、その場所の状態を画像により確認することができる。
【００３７】
なお、計測に使用する測定光Ｌ２が可視光である場合には、そのスポット光を画像中に視認することができるため、計測位置とその位置における内面形状とを画像中において対応づけて確認することができる。一方、計測に使用する測定光Ｌ２が不可視光である場合には、スポット光を視認することはできないが、その場合には、例えば、表示される画像の中央位置に測定光Ｌ２が照射されるように調節しておくことにより、画像中央に焦準を表示しておけば、測定光Ｌ２の照射位置を画像中において確認することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態においては、孔２の内面を照明する可視光Ｌ４を出射する照明光源３１を採用したが、これに代えて、図４に示されるように、照明光源３１が不可視（撮像素子３４が感度を有しない波長帯域）の励起光Ｌ５を出射することとし、プローブ５の先端に、励起光Ｌ５により励起されることで蛍光Ｌ６を発生する蛍光物質３７を配置することとしてもよい。図４中、符号３９は、孔２において反射されて戻る蛍光Ｌ６をプローブ５の測定光Ｌ２の光路に合流させる蛍光合波プリズムである。
【００３９】
照明光源３１から発せられた励起光Ｌ５は、プローブ５内の不均質媒質レンズ１１を透過してプローブ５の先端のプリズム１２から孔２の内面に向けて照射される際に蛍光物質３７に入射されることにより蛍光Ｌ６を発生させる。発生した蛍光Ｌ６は孔２の内面を照明し、反射されて戻る反射光Ｌ６がプローブ５内に戻り、分岐プリズム３３によって測定光Ｌ２の光路から分岐されて撮像素子３４により撮像される。
【００４０】
このようにすることで、照明光源３１から可視光Ｌ４がプローブ５内を通過してプローブ５の先端から出射され、孔２の内面において反射されてプローブ５内を逆行する場合と比較すると、可視光である蛍光Ｌ６がプローブ５内を戻り方向１方向に通過するだけで済むので、プローブ５内の光学系においてフレアが発生することを防止できる。その結果、取得される画像におけるフレアを防止して鮮明な画像を取得することができるという利点がある。
【００４１】
この場合に、蛍光物質３７よりも光源側には、励起光Ｌ５を透過し、蛍光Ｌ６を反射する蛍光反射膜３８を配置しておくことが好ましい。蛍光物質３７において発生した蛍光Ｌ６は蛍光反射膜３８により反射されるので、発生した蛍光Ｌ６がプローブ５内にそのまま戻ることを防止して孔２の内面を照明する蛍光Ｌ６の光量を増大させることができる。したがって、明るい画像を取得することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る内面計測装置を模式的に示す全体構成図である。
【図２】図１の内面計測装置のプローブとワークとの関係を示す部分拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る内面計測装置のプローブ近傍を模式的に示す図である。
【図４】図３の内面計測装置の変形例を示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｌ１  参照光（低コヒーレント光）
Ｌ２  測定光（低コヒーレント光）
Ｌ３  合波された低コヒーレント光
Ｌ４  可視光（照明光）
Ｌ５  励起光
Ｌ６  蛍光（可視光）
１，３０  内面計測装置
２  孔（計測対象）
４  回転機構
５  プローブ
１４  低コヒーレント光源
１６  ビームスプリッタ（低コヒーレント光分岐部、低コヒーレント光合波部）
２０  ミラー（光路長調節部）  
２１  ミラー移動機構（光路長調節部）
２２  光検出器
２６  表示装置
３１  照明光源
３２  合波プリズム（照明光合波部）
３３  分岐プリズム（光分岐部）
３４  撮像素子
３７  蛍光物質
３８  蛍光反射膜（可視光反射膜）
３９  蛍光合波プリズム（反射光合波部）
【図１】
0004804057.tif 000002
【図２】
0004804057.tif 000003
【図３】
0004804057.tif 000004
【図４】
0004804057.tif 000005