(57)【要約】【課題】物体の表面の変位または凹凸を、高精度で測定する測定装置を提供する。【解決手段】物体の測定面Ｘからの反射光をハーフミラーＢＳ２によって二光束に分けて、ピンホールＡ１を介したフォトダイオードＰＤ１・ピンホールＡ２を介したフォトダイオードＰＤ２にて光量を測定する。ハーフミラーＢＳ２の手前に配置した接眼レンズＬ１の焦点距離ｆ１よりも遠い位置にピンホールＡ１を配置し、焦点距離ｆ１よりも近い位置にピンホールＡ２を配置しているので、フォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２の受光量Ｓ１・Ｓ２は、測定面Ｘの変位に応じてそれぞれ増減または減増する。変位に応じた受光量Ｓ１−Ｓ２の変化を予め計測しておくことによって、受光量Ｓ１・Ｓ２に応じて、測定面Ｘの変位を高精度に得ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の被測定面からの反射光を検出することによって上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定装置において、
上記反射光を、第１光路とその第１光路とは異なる第２光路とに分配する分配器と、
上記分配器から第１光路を介した上記反射光を検出する第１光学素子と、
上記分配器から第２光路を介した上記反射光を検出する第２光学素子と、
上記物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第１光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第１光学素子とは異なるように上記第２光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えていることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
上記光量変化手段が、
第１光学素子への第１光路上に設けた第１遮光部材と、
第２光学素子への第２光路上に設けた第２遮光部材と、
第１遮光部材および第２遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
第１遮光部材および第２遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第１遮光部材および上記第２遮光部材へと導く第３遮光部材を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の測定装置と、
第１光学素子および第２光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第１光学素子および第２光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいることを特徴とする測定システム。
【請求項６】
上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、
上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力することを特徴とする請求項５に記載の測定システム。
【請求項７】
上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、
上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力することを特徴とする請求項６に記載の測定システム。
【請求項８】
物体の被測定面からの反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定方法において、
上記物体の上記被測定面からの反射光を複数の光束に分け、
分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定することを特徴とする測定方法。
【請求項９】
上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分けることを特徴とする請求項８に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の表面の変位、または物体の表面の凹凸を測定するための測定装置、測定システムおよび測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面の変位を測定するための変位センサ・変位計の例として、レーザフォーカス変位計、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)レーザ変位センサが知られている。
【０００３】
レーザフォーカス変位計は、以下のような原理によって変位を測定する。まず、光源からレーザ光を照射して、対物レンズを透過させて被測定面（以下、簡単のために測定面とする。）上で焦点を結ぶようにする。測定面での反射光を、半透鏡によって入射光とは異なる光路に導き、ピンホールを透過させて受光面で受光する。ここで、対物レンズを介した光がちょうど測定面上で焦点を結ぶ場合にのみ、反射光がピンホールを透過するように設定する。この場合、反射光がピンホールを透過すれば、受光面での受光量が増大する。対物レンズを音叉によって高速で上下動させて、対物レンズの位置変化に応じた受光量の変化を測定する。受光量が最大となる場合の対物レンズの位置によって、対物レンズの焦点距離を用いて、測定面までの距離を得ることができる。
【０００４】
ＣＣＤレーザ変位センサは、三角測量を応用した方式である。光源（半導体レーザ）からの光を、投光レンズを通して集光して測定面上に照射する。この測定面上からの拡散反射光の一部を、受光レンズを通してＣＣＤ上に結像する。測定面の移動に応じたそのスポットの移動から、測定面までの距離を正確に測定する。
【０００５】
このような変位センサ・変位計は、例えばキーエンス社によって製作され、実用化されている（非特許文献１参照）。
【０００６】
また、人間の眼底検査を目的として、レーザを用いて立体形状を測定する立体形状測定装置が、特許文献１、２に開示されている。
【特許文献１】特開平１−１１３６０５号公報（公開日：１９８９年５月２日）
【特許文献２】特開平５−７１９３１号公報（公開日：１９９３年３月２３日）
【非特許文献１】キーエンス(Keyence)社、「２００４年度版総合カタログ」、第６９４頁ないし第６９５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の構成では、十分な測定範囲を得ることができず、また十分な精度が得られない虞れがあるという問題を生ずる。
【０００８】
すなわち、レーザフォーカス変位計は、変位を測定するために、対物レンズを移動させて焦点の位置を調整する。このため、例えば±０．３ｍｍ程度の対物レンズの可動範囲に応じて測定範囲が制限されてしまうという問題がある。
【０００９】
また、光学系中の対物レンズを可動させるため、対物レンズの位置合わせに時間がかかることになる。このため、リアルタイムでの測定が困難になるという問題がある。
【００１０】
また、ＣＣＤレーザ変位センサは、ＣＣＤ上へのスポット位置の変化を読み取るため、光学系が比較的複雑になり、十分な精度が得られない虞があるという欠点がある。
【００１１】
また、上記の特許文献１、２に記載の構成は、人間の眼底検査を目的とするものであり、凹凸を有する粗面となっている摩耗面を測定対象とした場合に、データに比較的大きな誤差を生じて、十分な精度が得られないおそれがある。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、物体の変位、または物体の表面の凹凸を、十分な測定範囲で、高精度でかつリアルタイムに測定する測定装置、測定システムおよび測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、物体の被測定面からの反射光を検出することによって上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定装置において、上記反射光を、第１光路とその第１光路とは異なる第２光路とに分配する分配器と、上記分配器から第１光路を介した上記反射光を検出する第１光学素子と、上記分配器から第２光路を介した上記反射光を検出する第２光学素子と、上記物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第１光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第１光学素子とは異なるように上記第２光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記光量変化手段が、第１光学素子への第１光路上に設けた第１遮光部材と、第２光学素子への第２光路上に設けた第２遮光部材と、第１遮光部材および第２遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいることを特徴としている。
【００１５】
本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、第１遮光部材および第２遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置することを特徴としている。
【００１６】
本発明に係る測定装置は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第１遮光部材および上記第２遮光部材へと導く第３遮光部材を設けたことを特徴としている。
【００１７】
本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上述のいずれかの測定装置と、第１光学素子および第２光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第１光学素子および第２光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいることを特徴としている。
【００１８】
本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上記構成において、上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力することを特徴としている。
【００１９】
本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、上記構成において、上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力することを特徴としている。
【００２０】
本発明に係る測定方法は、上記課題を解決するために、物体の被測定面からの反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定する測定方法において、上記物体の上記被測定面からの反射光を複数の光束に分け、分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の上記被測定面の変位を測定することを特徴としている。
【００２１】
本発明に係る測定方法は、上記課題を解決するために、上記構成において、上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る測定装置は、以上のように、反射光を、第１光路とその第１光路とは異なる第２光路とに分配する分配器と、上記分配器から第１光路を介した上記反射光を検出する第１光学素子と、上記分配器から第２光路を介した上記反射光を検出する第２光学素子と、物体の上記被測定面の変位に伴う上記物体からの上記反射光の変化に応じて、上記第１光学素子に入射する光量を変化させるとともに、上記第１光学素子とは異なるように上記第２光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段とを備えている構成である。
【００２３】
上記測定装置は、物体の被測定面からの反射光を検出することによって、物体の被測定面の変位を測定する。より詳細には、測定装置は、例えばレーザからなる発光部が生成した光を、所定の焦点距離を有する対物レンズを介して物体の被測定面に照射する。物体の被測定面からの反射光は、対物レンズを介し、分配器によって第１光路と第２光路とに分配される。
【００２４】
第１光路においては、被測定面の変位に伴う、物体の被測定面からの反射光の変化に応じて、第１光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段を介した光が、第１光学素子に入射する。また、第２光路においても、被測定面の変位に伴う、物体の被測定面からの反射光の変化に応じて、第２光学素子に入射する光量を変化させる光量変化手段を介した光が、第２光学素子に入射する。ここで、第１光学素子、第２光学素子は、例えばフォトダイオードのような受光素子であり、受光量に応じた電気信号を出力する。なお、光学素子はフォトダイオードに限るものではない。
【００２５】
光量変化手段とは、受光素子へ入射する光量、すなわち受光素子における受光量を、反射光の変化に応じて変化させるためのものである。特に、それぞれ第１、第２受光素子における受光量を、反射光の変化に応じて変化させる。
【００２６】
光量変化手段は、例えばレンズとピンホールとを用いて構成することができる。所定の焦点距離を有するレンズを光路に配置し、さらにピンホールをレンズの焦点位置付近に配置する。この状態において、被測定面の変位に応じた反射光の変化が生ずると、この変化後の反射光の焦点位置は、変化前の焦点位置付近における前後する位置に移動する。これとともに、ピンホールの位置においては、反射光のビームの断面積が、反射光の変化に応じて増減する。そこで、ピンホールの穴のサイズを反射光のビーム断面形状に応じて適切に設定すれば、ピンホールを介して受光素子にて検出される受光量が、反射光の変化に応じて適切に変化するようにできる。なお、光量変化手段は、レンズとピンホールとに限るものではない。
【００２７】
ここで、一つの受光素子とそのための光量変化手段とについて考えると、光量変化手段の一例としてレンズとピンホールとを挙げていることから分かるように、被測定面の変位（大きさ、方向）によっては、物体からの反射光の変化にもかかわらず、光学素子における受光量が変化しない場合もある。また、光学素子における受光量が変化したとしても、この変化が被測定面の変位（大きさ、方向）に対して必ずしも一対一に対応しない場合もある。
【００２８】
そこで、上述のように、反射光を分配器にて二つの光束に分離し、第１光路と第２光路とに導いて、それぞれ第１光学素子と第２光学素子とによって検出する。物体の被測定面が変位すると、光量変化手段が、第１光学素子における受光量を変化させるとともに、第１光学素子における受光量の変化とは異なるように第２光学素子における受光量を変化させる。したがって、この構成であれば、例えば被測定面の変位に応じた受光量変化が第１光学素子において生じない場合であっても、第２光学素子においては光量変化が生ずるようにできる。また、逆の場合も同様である。このようにして、少なくともいずれか一方の光学素子においては光量変化を得ることができる。
【００２９】
したがって、上記構成によれば、光量変化手段を適切に設けることによって、物体の被測定面の変位（大きさ、方向）と、第１光学素子、第２光学素子のそれぞれにおける受光量の変化とが、一対一に対応するようにできる。このため、例えば予め物体の被測定面を試験的に変位させることによって受光量変化を計測し、被測定面の変位と受光量変化との関係を求めておけば、以後は受光量の変化から物体の被測定面の変位を得ることができる。また、例えば、上述の発光部が被測定面に対して照射する位置を変化させながら、上述のように第１受光素子、第２受光素子において反射光を検出すれば、被測定面上での位置変化に応じた表面の変位、すなわち物体の表面の凹凸を検出することもできる。
【００３０】
このように、本発明に係る測定装置によれば、被測定面の変位を測定する際に、対物レンズの移動や対物レンズの焦点位置合わせは不要である。このため、対物レンズの可動範囲に応じた測定範囲の制限は生じない。また、対物レンズの焦点位置合わせのための待ち時間が不要であるので、リアルタイムの測定も可能となる。また、上記測定装置は、受光量のみによって物体の被測定面の変位を得ることができ、例えばスポット位置の変化を読み取る必要がないので、システムの構成が簡単なものとなり、装置の作製が容易となる。
【００３１】
また、上記測定装置は、第１受光素子と第２受光素子とにそれぞれ入射する光束を、同等の信号光として用いている。したがって、第１受光素子と第２受光素子との一方のみを用いて受光量を検出する場合と異なり、物体の被測定面の変位（大きさ、方向）と受光量変化とを一対一に対応させることができる。また、第１受光素子における受光量と、第２受光素子における受光量とを用いて、得られる信号の和信号または差信号を生成すれば、一方のみを用いる場合と比較して検出精度を向上できる。
【００３２】
本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、上記光量変化手段が、第１光学素子への第１光路上に設けた第１遮光部材と、第２光学素子への第２光路上に設けた第２遮光部材と、第１遮光部材および第２遮光部材の近傍に上記反射光を集光するための、上記反射光の上記分配器までの光路に設けた集光部材とを含んでいる構成である。
【００３３】
第１遮光部材・第２遮光部材（遮光部材）は、入射する光束の一部を制限し、遮るための部材である。遮光部材とは、例えばピンホールである。なお、遮光部材は、入射する光のビーム断面形状によっては、入射する光を全く制限することなく通過させることもある。
【００３４】
集光部材は入射する光を所定の位置（焦点位置）に集光する部材である。集光部材とは例えばレンズである。
【００３５】
上記構成のように、集光部材が、第１遮光部材・第２遮光部材の近傍に反射光を集光すれば、物体の被測定面の変位に応じて反射光が変化した場合に、第１遮光部材・第２遮光部材を介した反射光の光量を大きく変化させることができる。したがって、この構成によって光量変化手段を実現して、上述の測定装置を得ることができる。
【００３６】
本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、第１遮光部材および第２遮光部材のいずれか一方を、上記集光部材が上記反射光を集光する光路における上記集光部材の焦点位置よりも手前側に配置するとともに、他方を、上記集光部材の上記焦点位置よりも向こう側に配置する構成である。
【００３７】
例えば、第１遮光部材を焦点距離の向こう側に配置し、第２遮光部材を焦点距離の手前側に配置したとする。このとき、物体の被測定面の変位に応じた第１受光素子、第２受光素子における受光量の変化は、以下に説明するように、互いに逆方向に増減する。
【００３８】
すなわち、例えば物体の被測定面が測定装置に近い側に変位した場合に、この変位に応じて反射光が変化すると、反射光は集光部材によって元の焦点位置よりも少し遠い位置に集光される。このとき、第１遮光部材においては、変位前よりも遮光される光が少なくなるので、第１受光素子における受光量は増加する。一方、第２遮光部材においては、ビームの断面形状が大きくなると考えられるので、第２受光素子における受光量は減少する。また、物体の被測定面が測定装置から遠い側に変位した場合には、上述とは逆の理由によって、第１受光素子における受光量は減少し、第２受光素子における受光量は増加する。
【００３９】
したがって、第１受光素子、第２受光素子における受光量に応じた電気信号について、差信号を求めることによって変化量を２倍にすることができ、これによって精度を向上することができる。
【００４０】
また、本発明に係る測定装置は、以上のように、上記構成において、上記反射光の上記分配器までの光路に、上記反射光の一部を遮光することによって制限して、上記反射光の残部を上記第１遮光部材および上記第２遮光部材へと導く第３遮光部材を設けた構成である。
【００４１】
物体の被測定面からの反射光は、第３遮光部材によって一部が遮光され、残部が分配器を介して第１遮光部材および第２遮光部材へと導かれる。反射光は、第１遮光部材を介して第１光学素子にて検出され、第２遮光部材を介して第２光学素子にて検出される。
【００４２】
ここで、第３遮光部材は、反射光の一部を遮光し、残部のみを通過させる。反射光がビーム断面において強度のばらつきを有するとき、第３遮光部材が反射光の一部を遮光し残部のみを通過させることによって、第３遮光部材通過後のビーム強度のばらつきを低減できる。すなわち、第３遮光部材は、ビーム強度の非一様性を低減する平均化手段として機能する。
【００４３】
これによって、第１遮光部材および第２遮光部材へと導かれる反射光強度のばらつきを低減できる。このため、第１遮光部材、第２遮光部材の取り付け位置に誤差がある場合でも、第１光学素子、第２光学素子に入射する光強度の誤差を低減して、測定誤差を低減できる。
【００４４】
例えば、物体の被測定面が摩擦下にある摩耗面である場合でも、上述のようにビーム強度のばらつきを低減して、測定誤差を低減できる。
【００４５】
本発明に係る測定システムは、以上のように、上述のいずれかの測定装置と、第１光学素子および第２光学素子からの出力が入力され、上記物体の上記被測定面の変位に応じた、上記測定装置の第１光学素子および第２光学素子における受光量を測定することによって、予め上記物体の上記被測定面の変位と上記受光量との関係を決定し、記憶する計算装置とを含んでいる構成である。
【００４６】
このように、物体の被測定面の変位に応じて、測定装置の第１光学素子および第２光学素子における受光量を測定することによって、計算装置が、予め被測定面の変位と受光量との関係を決定し、記憶する。これによって、測定装置で受光量を得ると、計算装置で受光量と被測定面の変位との関係から物体の被測定面の変位を得ることができるので、簡単でかつリアルタイムでの変位の測定が可能となる。
【００４７】
本発明に係る測定システムは、以上のように、上記構成において、上記物体の被測定面において生じている摩擦力を測定する摩擦力センサを含み、上記摩擦力センサが、測定した摩擦力のデータを上記計算装置に出力する構成である。また、本発明に係る測定システムは、以上のように、上記構成において、上記摩擦力センサが測定する上記摩擦力の構成成分を検出する加速度センサを含み、上記加速度センサが、測定した上記摩擦力の構成成分のデータを上記計算装置に出力する構成である。
【００４８】
これによって、摩擦力、摩擦力の構成成分をさらに測定して、包括的トライボロジー現象を観測できる。また、測定装置にて測定面の変位を測定できるので、摩擦力と摩擦面との関係を得ることもできる。
【００４９】
本発明に係る測定方法は、以上のように、物体の被測定面からの反射光を複数の光束に分け、分けた光束ごとにそれぞれ反射光量を測定することによって、上記物体の被測定面の変位を測定する構成である。
【００５０】
上述のように、各光束を同等の信号光として検出すれば、それぞれの反射光量を用いて物体の被測定面の変位を計測できるので、対物レンズの移動を不要にできる。このため、対物レンズの可動範囲に応じた測定範囲の制限を生ずることがなく、また焦点位置合わせのための待ち時間が不要であるので、リアルタイムの測定も可能となる。
【００５１】
本発明に係る測定方法は、以上のように、上記構成において、上記物体の上記被測定面からの反射光を、上記反射光を照射した場合の照射面における強度の非一様性を低減させるための平均化手段を介した後に、上記複数の光束に分ける構成である。
【００５２】
平均化手段によって、反射光の強度の非一様性（強度ばらつき）を低減した後に複数の光束に分け、反射光量を測定する。このため、測定する反射光を、強度ばらつきが低減されたものにできるので、測定誤差を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明に係る測定装置は、物体の被測定面からの反射光を２光束に分け、その両者の光強度を同等に利用することによって、被測定面の凹凸についての感度やＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を、さらに究極的には解像度を、従来方式よりも向上させ得るものである。
【００５４】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１ないし図９に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５５】
本実施形態の測定システム１は、図１に示すように、測定装置２とパソコン（パーソナルコンピュータ）（計算装置）３とを含んでいる。この測定システム１は、図示しない被測定面（以下、簡単のために測定面とする。）の凹凸を測定するためのシステムである。本実施形態においては、測定システム１は、動的に摩耗する表面を測定面として、その測定面の凹凸をリアルタイムに測定する。
【００５６】
測定装置２は、図１に示すように、制御部４、測定部５、増幅器６およびＡ／Ｄ(Analog/Digital)変換器７を含んでいる。測定装置２は、測定面の表面凹凸について測定したデータをパソコン３に送信する。パソコン３は、測定装置２から入力されるデータに基づいて測定面位置Ｄ１および校正曲線Ｄ２のデータをそれぞれ作成し、記憶する。
【００５７】
測定装置２の制御部４は、測定装置２全体の制御を行うためのものである。測定部５は、レーザ８、受光部９および光学部材１０を備えている。測定部５は、制御部４の制御に応じてレーザ８から光を出力し、光学部材１０を介して測定面を照射し、反射光を受光部９にて検出する。測定部５は、検出した受光量に応じたアナログ信号を増幅器６へと出力する。
【００５８】
増幅器６は、アナログ信号を増幅する装置であり、測定部５の受光部９から入力されるアナログ信号を増幅してＡ／Ｄ変換器７へと出力する。Ａ／Ｄ変換器７はアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。本実施形態のＡ／Ｄ変換器７は、増幅器６から入力されるアナログ信号を１２ビットのデジタル信号に変換して、測定装置２に接続されたパソコン３へと出力する。
【００５９】
ここで、本実施形態の測定部５のより詳細な構成について、図２に基づいて説明する。
【００６０】
図２に示す二つのフォトダイオード（受光素子）ＰＤ１・ＰＤ２は、図１に示す測定部５の受光部９に相当する。また、ピンホールＡ１・Ａ２、対物レンズＬ０、接眼レンズＬ１、およびハーフミラー（半透鏡、ビームスプリッタ）ＢＳ１・ＢＳ２が、図１に示す光学部材１０に相当する。なお、接眼レンズＬ１（集光部材）、ピンホールＡ１（第１遮光部材）およびピンホールＡ２（第２遮光部材）は、測定面Ｘからの反射光の変化に応じてフォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２に入射する光量を変化させる光量変化手段として機能する。また、測定部５は、光学部材１０を移動させるための図示しない可動部を含んでいてもよい。本実施形態においては、この可動部は、例えば光学部材のうちのピンホールＡ１・Ａ２の位置を予め調節するために用いられる。
【００６１】
本実施形態のレーザ８は、波長λ＝632.8ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザである。
【００６２】
レーザ８から平行なレーザ光Ｉが出力されて、ハーフミラーＢＳ１、対物レンズＬ０を順に通過して、物体の測定面Ｘへと入射する。ここで、対物レンズＬ０の焦点距離はｆ０であり、対物レンズＬ０から測定面Ｘまでの距離がｆ０に近い状態となるように、物体が配置される。
【００６３】
測定面Ｘから反射した光は、対物レンズＬ０を通過し、ハーフミラーＢＳ１にて反射され、接眼レンズＬ１に入射する。この接眼レンズの焦点距離はｆ１である。接眼レンズＬ１を通過した光は、ハーフミラーＢＳ２によって、フォトダイオードＰＤ１に向かう光束とフォトダイオードＰＤ２に向かう光束との２光束に分けられる。ハーフミラーＢＳ２を通過する光束は、接眼レンズＬ１の焦点距離ｆ１よりも離れた位置に配置されたピンホールＡ１を介して、フォトダイオードＰＤ１に入射する。ハーフミラーＢＳ２にて反射された光束は、接眼レンズＬ１の焦点距離ｆ１よりも近い位置に配置されたピンホールＡ２を介して、フォトダイオードＰＤ２に入射する。
【００６４】
ここで、測定面Ｘの表面凹凸に応じたフォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２への入射光量の変化について、より詳細に説明する。
【００６５】
図２に示すように平行にコリメートされたレーザ光Ｉは、ハーフミラーＢＳ１を透過し、対物レンズＬ０によって測定面Ｘ上にピントを合わせて集束される。測定面は通常粗面であるから、レーザ光Ｉはそこからあらゆる方向に反射される。これらの反射光のうち、対物レンズＬ０（焦点距離ｆ０）に入射した反射光は、再び平行光となって上方向に透過し、ＢＳ１によって接眼レンズＬ１（焦点距離ｆ１）に入射し、このレンズＬ１の焦点面上に集光される。
【００６６】
本実施形態においては、図２に示すように、接眼レンズＬ１からの光を、ハーフミラーＢＳ２を挿入して２光束に分離、分配する。ハーフミラーＢＳ２における透過光は焦点面よりも遠いフォトダイオードＰＤ１で受光する。ハーフミラーＢＳ２における反射光は焦点面よりも近いフォトダイオードＰＤ２で受光する。また、これらの受光素子（フォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２）の直前面には、それぞれピンホールＡ１、Ａ２を配置する。
【００６７】
また、対物レンズＬ０、接眼レンズＬ１の焦点距離、ｆ０、ｆ１、ピンホールの大きさ、およびピンホールから受光素子までの距離ａ１、ａ２等は、すべて光学系の調整に利用される。とりわけｆ０、ｆ１、両ピンホールの大きさＰを利用して、測定感度の調整を行う。また、ａ１、ａ２を利用して、基準となる測定面位置で両受光素子に入射する光強度を等しくする。これらの具体的な寸法の一例については後述する。
【００６８】
このような光学系における、測定面の移動に応じた光量変化の詳細について、図３（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。
【００６９】
図３（ａ）には、凹凸のある測定面が、対物レンズＬ０の焦点距離ｆ０と一致する焦点面となった状態を示す。なお、対物レンズＬ０の焦点面をΔｄ＝０とし、そこよりも遠い方向に測定面が位置するときには測定面変位Δｄがプラスになるものとする。また、Δｄ＝０のとき、測定面にて反射されてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２にて受光される光強度がそれぞれ等しくなるように、ピンホールＡ１・Ａ２の大きさＰや、ピンホールの位置などを調節しておく。
【００７０】
この状態で、測定面が上（Δｄ＜０）下（Δｄ＞０）すると、それぞれの受光素子での光強度は逆方向に増減する。
【００７１】
例えば、図３（ｂ）に示すように、測定面が上がると（△ｄ＜０）、反射光は点線のように平行光に比較して僅かに発散しながら対物レンズＬ０に入射する。このため、その後に接眼レンズＬ１によって集光されると、Δｄ＝０のときのそのレンズの焦点面（接眼レンズＬ１からｆ１の距離）では集束せず、僅かに遠い位置で集束する。
【００７２】
したがって、このとき、フォトダイオードＰＤ１用のピンホールＡ１では、元のビーム断面より小さく集光される。ここで、Δｄ＝０のときにビーム断面をピンホールＡ１よりも大きくなるように調節しているので、このようにビーム断面が小さくなればΔｄ＝０のときよりも多くの光がフォトダイオードＰＤ１に入射する。したがって、△ｄ＜０でフォトダイオードＰＤ１の受光する光強度Ｓ１は、△ｄ＝０での元の強度より増加する。一方、フォトダイオードＰＤ２側のピンホールＡ２では、ビーム光が元の（△ｄ＝０の）ビーム断面より大きく発散するので、ピンホールＡ２によってかなりのビームが遮蔽される。このため、フォトダイオードＰＤ２に入射する光強度Ｓ２は、△ｄ＝０のときよりも減少する。
【００７３】
ここで、通常のフォトダイオード（受光素子）は、受光領域がそれなりの適当な大きさであるため、上述のようにビーム焦点位置の変化によるビーム断面形状の変化があったとしても、結局そのビーム全てを受光してしまう。このため、ピンホールを介さずにフォトダイオードに光を入射させると、上述のようにビーム焦点位置が変化したとしても、フォトダイオードにおける受光量は変化しない。
【００７４】
そこで、本実施形態のようにピンホールＡ１・Ａ２を設ければ、ビーム断面積の変化に応じてピンホールによるビーム光の遮蔽が生じて、受光強度は大きく変化する。このようにピンホールＡ１・Ａ２を配置すれば、測定面の上下によって生じる微小なビーム断面積変化を感度よく検出することができる。このピンホールＡ１・Ａ２は、例えば数１００μｍ程度の直径とすればよい。また、本実施形態のように、ピンホールＡ１・Ａ２をそれぞれ焦点面の前後に配置して、フォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２における光強度の変化を、互いに増減が逆であるようにすれば、後述するように光強度から得られる信号の差信号を用いて測定精度を向上できる。
【００７５】
また、図３（ｃ）に示すように、逆に測定面が下方（△ｄ＞０）に移動すると、上述の図３（ｂ）とは逆の状態が生じ、フォトダイオードＰＤ１における光強度は減少し、フォトダイオードＰＤ２における光強度は増加する。なお、本実施形態のように、測定面の表面の摩耗を観測する場合は、測定面が下方に移動する場合に相当する。
【００７６】
以上の図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明したように、測定面移動量（Δｄ）に応じた受光量変化によって、例えば受光量と測定面移動量との関係として、図４（ｂ）に示すような校正曲線がパソコン３において校正曲線Ｄ２として得られる。予めこの校正曲線Ｄ２のデータを記憶しておけば、受光量に応じて、測定面移動量を得ることができる。そこで、測定面上の測定位置を移動させることによって、表面凹凸を測定し、パソコン３において、図４（ａ）に示すような測定面位置Ｄ１を得ることもできる。
【００７７】
ここで、上述の図４（ａ）に示す校正曲線に対して、フォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２における光強度信号をＳ１、Ｓ２としたときの規格化した光量差Ｓ、すなわち
Ｓ＝（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２）                    （１）、
を用いた場合に得られると推定される校正曲線を図５（ａ）に示す。本実施形態においては、この光量差Ｓを摩耗量の定量測定に用いる。このように、２個のフォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２における光強度信号Ｓ１・Ｓ２の差信号（光量差Ｓ）を用いて、測定面の上下移動が容易に測定可能となる。なお、図５（ａ）に示す点線領域Ｑをさらに拡大して示したのが図５（ｂ）である。システム全体の雑音成分のため、瞬時的な出力は図５（ｂ）に示すように、ある小さな有限幅ＳＮをもつ。有限幅ＳＮの原因としては、雑光成分ＳＮＬと、Ａ／Ｄ変換器７や増幅器６の電子回路雑音成分ＳＮＥの両者が考えられる。
【００７８】
ここで、どちらか一方のフォトダイオード（ＰＤ１またはＰＤ２）のみを用いるようにしても、測定面移動量△ｄと出力（Ｓ１またはＳ２）との区分的に直線的な（リニア）関係を得ることはできる。すなわち、Δｄの増加によってＳ１はほぼ直線的に増加し、逆にＳ２はほぼ直線的に減少する。しかしながら、以下に述べるように、フォトダイオード（ＰＤ１・ＰＤ２）を用いて、双方の差信号を得るようにすれば、測定感度の点で有利である。また、雑光の影響が小さくなり、究極的には高解像度の計測が可能である。
【００７９】
次に、測定感度や解像度を検討するために、（１）式において、微小なΔｄに対するそれぞれの変化を、Ｓ１→Ｓ１０＋ΔＳ１、Ｓ２→Ｓ２０＋ΔＳ２、Ｓ→Ｓ０＋ΔＳとする。ここに、Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ０等は、測定面がレンズＬ０の焦点面にあるとき（Δｄ＝０）のそれぞれの値を示す。実際には、前述のように、ΔＳ１とΔＳ２は異符号となる。さらに、光学系の設定時に、Ｓ１０＝Ｓ２０としているので、Ｓ０＝０である。さらに、原理的に、ΔＳ１＋ΔＳ２≒０と考えられるので、これらの変化を（１）式に代入すれば、次式の関係を得る。
ΔＳ＝（ΔＳ１−ΔＳ２）／（Ｓ１０＋Ｓ２０）          （２）
ここで、本実施形態の測定装置２による測定感度Ｋは、
Ｋ＝ΔＳ／Δｄ                                        （３）
で定義される。ΔＳ１とΔＳ２とは、Δｄの正負に関わらず必ず異符号となるので、信号ΔＳの大きさはどちらか一方のみの信号を利用したときに比べて２倍となる。従来方式は、全てＳ１またはＳ２のどちらか一方のみの信号を利用する方法なので、従来方式と比較して本方式の感度は２倍になる。
【００８０】
また、以下に述べるように、雑光に対する影響が小さくなり、結局解像度が良くなる。すなわち、上述のように、システム全体の雑音成分ＳＮは、雑光成分ＳＮＬとＡ／Ｄ変換器７や増幅器６の電子回路雑音成分ＳＮＥの両者が考えられる。
ＳＮ＝ＳＮＬ＋ＳＮＥ≒ＳＮＥ                          （４）
このうちで、光計測時に一番問題となるのはＳＮＬである。本測定法の場合には、雑光は測定面での反射率の違いから生じ、これが２光束に分離されるから、両受光素子に等しく入射し、個々の素子に単独で入射することはない。すなわち、（２）式のΔＳ１、ΔＳ２に同じように加わり、ΔＳへの影響は全くなくなって、電子回路の雑音成分のみとなる。
【００８１】
次に、解像度κ（カッパ）は、どこまで細かく変位量Δｄを測定できるかの限界を示すものである。これは、図５（ｂ）から明らかなように、雑音成分ＳＮと測定感度Ｋから次式によって決まる。すなわち、
κ＝ＳＮ／Ｋ≒ＳＮＥ（Δｄ／ΔＳ）                    （５）
と求められる。ただし、ここでのＳＮは、ΔＳを（２）式のように規格化しているので、同じように（Ｓ１０＋Ｓ２０）で規格化された雑音成分である。このように、本方法では、ＳＮＥが小さくなって、ΔＳが２倍になるからκはかなり小さく、換言すれば高解像度を得ることが可能となる。
【００８２】
以上に説明した測定システム１において、実際の計測の前には、まず測定面Ｘを適当な上下位置に調節して、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に入射する光強度（Ｓ１，Ｓ２）が等しくなるようにする。つぎに、測定面Ｘを上下して、上述の校正曲線Ｄ２を得る。
【００８３】
最後に、この校正曲線Ｄ２を用いて、実際の摩耗面や切削面位置、換言すれば摩耗量や切削量を定量測定する。この場合、例えば物体を回転台等に載せることによって、測定面が常に移動している状態とする。または、測定面を移動するかわりに、レーザ光源を移動するようにして、半導体素子や機械部品等の表面検査を行ってもよい。この測定の際には、測定部５のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２からの光強度信号Ｓ１、Ｓ２を、増幅器６にて増幅し、さらにＡ／Ｄ変換器７にてＡ／Ｄ変換した後、パソコン３へと出力する。パソコン３にて各種の演算を行い、校正曲線Ｄ２から表面変位量（測定面位置Ｄ１）等（摩耗量）を得る。
【００８４】
このように、実際の測定中に対物レンズＬ０を移動させる必要がないので、表面凹凸の測定範囲が対物レンズＬ０の移動範囲によって制限されることはない。後述するパラメータの具体例を用いた測定装置２においては、ある適当な解像度（κ＝２μｍ）内における測定範囲は少なくとも±０．８ｍｍ程度まで可能である。また、対物レンズＬ０の移動が不要であるので、光学系も比較的単純で、安価となる。
【００８５】
次に、上述の測定システム１、また後述する観察システム１１による実測に先立ち、本測定法の性能を検討するために、市販の光学系設計ソフトの一例（Zemax）によるシミュレーション実験を行った。
【００８６】
結果例（校正曲線としての出力特性）を図８に示す。これは測定面変位Δｄに対する規格化された光出力Ｓの関係を示し、傾向は図５（ａ）の予想図と完全に一致している。
【００８７】
この出力特性は、以下の表１に示すような各種の光学素子寸法（ピンホール直径Ｐ、ピンホールと受光素子間距離ａ１、ａ２）やレンズ特性（対物レンズＬ０の焦点距離ｆ０、接眼レンズＬ１の焦点距離ｆ１）に影響される。
【００８８】
【表１】
2005106797.tif 000003
【００８９】
特に、感度に関しては、対物レンズの焦点距離ｆ０の影響が大きく、表１のCase（ａ）の場合に、−０．２５ｍｍ＜Δｄ＜０．２５ｍｍの範囲内で、最大感度Ｋ＝２．４６ｍｍ-1が得られる。
【００９０】
次に、このシミュレーション結果を検証するために、測定システム１によって行った測定結果例を図９に示す。この結果は図８のシミュレーション結果と完全に一致しており、これからシミュレーション実験の正当性が確認された。
【００９１】
この場合の光学素子寸法などは、以下の表２のように設定した。
【００９２】
【表２】
2005106797.tif 000004
【００９３】
この場合、表２中のCase（ａ）において、−０．２５ｍｍ＜Δｄ＜０．２５ｍｍの範囲内で、最大感度Ｋ＝２．４１ｍｍ-1が得られた。この値は、シミュレーション実験結果による感度値のＫ＝２．４６ｍｍ-1とほとんど同じであった。
【００９４】
なお、表１、表２に記載していないパラメータとして、接眼レンズの焦点距離ｆ２はｆ２＝５０ｍｍとした。また、ハーフミラーＢＳ１、ＢＳ２は、共に完全な半透鏡で、５０％透過、５０％反射である。
【００９５】
なお、測定システム１の解像度κは、図５（ａ）（ｂ）における雑音成分がＳＮ≒５．０×１０-3であるので、−０．２５ｍｍ＜Δｄ＜０．２５ｍｍで、約κ＝２μｍであった。測定システム１では、１２ビットのＡ／Ｄ変換器７を用いているので、この量子化誤差は２．４×１０-4程度で、上記の値より小さく、無視することができる。
【００９６】
〔実施例１〕
次に、上述の測定システム１と組み合わせて用いる、摩擦面の観察のための観察システム１１について、図６に基づいて説明する。
【００９７】
以下に説明する測定システム１・観察システム１１は、回転摩耗中における摩耗面の観察と同時にその摩耗量を定量測定するシステムであり、いわゆるトライボビューアとも言うべきものである。これによって、これまで全く不可能であった摩耗量の定量測定と摩耗面の同時観察が可能となり、トライボロジー分野に新しい計測法を提供できる。また、本試験機は、試験機の停止や試験片の脱着誤差を排除した信頼性と定量性を保証できる標準摩耗試験機となり得る。このように、測定システム１は、表面の凹凸状態を、高感度で、かつリアルタイムに定量測定する目的に適しており、さらに、摩耗量測定と摩耗状態の同時観察に適用することもできる。
【００９８】
観察システム１１は、図６に示すように、渦電流式変位測定器１２、トリガ用アンプ１３、遅延回路１４、トリガカウンタ１５、ストロボスコープ１６、ストロボ１７、ＣＣＤカメラ１８、ビデオデッキ１９、ＴＶモニタ２０、およびマイクロホン２１を備えている。
【００９９】
この観察システム１１は、図７に示す回転台２３上の測定面の表面凹凸を、ＣＣＤカメラ１８によって撮影し、ビデオデッキ１９によって録画するとともに、ＴＶモニタ２０によって表示して、ユーザによる表面凹凸のリアルタイムでの観察を可能とするものである。
【０１００】
渦電流式変位測定器１２は、変位に応じた信号を出力する装置である。本実施形態においては、渦電流式変位測定器１２は、回転台２３の側面に配置された厚さ５ｍｍのターゲット２２を検出する。より詳細には、渦電流式変位測定器１２は、センサヘッド部分にターゲット２２が接近したときのみ、渦電流式変位測定器１２の仕様に規定されている測定可能範囲内の距離となるように、センサヘッドの位置を設定している。渦電流式変位測定器１２は、ターゲット２２が接近していないときには測定範囲外となるので、単なる一定電圧を出力する。
【０１０１】
渦電流式変位測定器１２は、回転台２３の回転移動に応じてターゲット２２を検出すると、出力信号を変化させる。この出力信号の変化に応じて、トリガ用アンプ１３がトリガ信号を発生させ、遅延回路１４、トリガカウンタ１５、ストロボスコープ１６を介してストロボ１７に入力する。ストロボ１７がマイクロフラッシュを発光し、ＣＣＤカメラ１８と連動することによって、摩擦面の静止画像を撮影できる。
【０１０２】
より詳細には、同一摩擦面をＣＣＤカメラ１８で撮影（撮映）するために、応答周波数１５ｋＨｚの渦電流式変位測定器１２で矩形シグナルを生じさせ、それを撮影用のトリガ信号とする。これにより、摩擦力の変動や軸受のわずかな不具合による回転むらが生じたとしても、毎回同一箇所の観察を行うことができる。
【０１０３】
なお、トリガ信号が入力されてからマイクロフラッシュが発光するまでの時間は約５μｓであり、また発光時間は約４μｓであり、摩擦面の移動速度に対して非常に短い。このため、静止画像の取得が可能となる。静止画像は次のトリガ信号が入力されるまで保持されるため、ビデオを用いて記録することにより、１回のすべりごとの同一点での摩擦面の変化を、アニメーションのようになめらかな動画像として観察することができる。
【０１０４】
また、渦電流式変位測定器１２とストロボスコープ１６との間に組み込んだ遅延回路１４がトリガ信号を遅らせることによって、摩耗こん中の任意の場所を観察することができる。この場合、０からｌｓｅｃまで１μｓごとの遅延時間設定が可能であり、信号伝達遅延時間は０．５μｓと十分に短い。
【０１０５】
以上のようにして、表面のリアルタイム観察を行うことができる。本方法の最大の特長は高速測定、すなわちリアルタイム測定が可能である点にある。本方法は、上記のように、フォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２の光強度から測定面の変化量を測定するため、ある測定面上の位置において、測定に要する時間はこの強度変化を読み取る時間のみで決まる。通常のシリコンフォトダイオードの応答は極めて速く（μｓ以下）、したがって測定時間は増幅器６、Ａ／Ｄ変換器７を含めた処理時間のみで決まる。これらの中間の処理に要する時間も数μｓ〜数１０μｓ程度であるから、最終的に測定時間は数１０μｓ程度と推定できる。これは、数１０ｋＨｚ程度の測定周波数に対応する。したがって、連続光、または光源としてこの程度の高周波発振パルスレーザーを用いれば、その周波数のリアルタイムの測定が可能となる。
【０１０６】
一方、従来方式の、非特許文献１に記載された「焦点合わせ法による変位測定システム」は、測定点（したがって面）毎に焦点を合わせながらその量を測定するもので、解像度は高い（１μｍ）が、位置合わせのための時間が必要となり、全くリアルタイム性に欠けるものである。
【０１０７】
以上のように、本発明は、摩耗量や切削量のリアルタイム測定方法、およびその装置、並びにそれらの状態観測装置（トライボビューア）に関するものである。上述の実施の形態において説明したように、本実施形態のシステム（本システム）は、摩耗量や切削量を、高解像度で、リアルタイムに測定する光学的なシステムである。本システムの心臓部とも言うべき光学系は、レーザ光源、半透鏡（ビームスプリッタ）２個、レンズ２個、シリコンフォトダイオード等の受光素子２個、ピンホール２個の比較的単純なシステムである。測定原理は、測定面からの反射光を２光束に分け、その両者の光強度を利用することによって、感度やＳ／Ｎ、究極的には解像度を従来法よりも向上させ得るものである。本システムの特長は、リアルタイム性（測定周波数：数１０ｋＨｚ）と高解像度性（測定解像度：２μｍ）にある。
【０１０８】
一方、従来、表面の摩耗量や切削量を高解像度で、かつリアルタイムに直接測定する方法は知られていなかった。このため、従来は、装置の運転を一時停止し、オフラインで表面についての測定をする方法が採られていた。これらに対して、本願発明者ら（本田等）は、回転中の摩耗現象を回転と同期したストロボ写真観察によってその摩耗面の摩耗状態をリアルタイムに観察する装置を試作した。しかし、これは摩耗面の状態観察であり、摩耗量の定量測定は不可能であった。
【０１０９】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図１０ないし図２０に基づいて説明する。
【０１１０】
本実施形態のトライボビューワは、測定システムと観察システムとからなる。本実施形態の測定システムは、摩擦下における粗面に対する測定精度を高めた構成である。また、上記測定システムは、摩擦力センサおよび加速度センサを含み、摩擦に関するさらなる情報をリアルタイムに測定することを可能とした構成である。なお、以下では、実施の形態１と同様の部材については、簡単のため同じ符号を付して、説明は省略する。
【０１１１】
本実施形態の測定システム１Ａは、図１０に示すように、実施の形態１の測定システム１の構成に加えて、測定部５Ａにピンホール（アパーチャ、第３遮光部材、平均化手段）Ａ３を備えた構成である。この構成によって、後述するように、測定面が摩擦状態における粗面であっても誤差を減少させて精度を高めた測定が可能となる。
【０１１２】
また、測定システム１１Ａは、さらに摩擦力センサ３０、加速度センサ３１、動ひずみ計３２、チャージアンプ３３を備えている。これらのセンサなどによって、摩擦に関するより詳細な情報を、リアルタイムに測定する。
【０１１３】
測定システム１Ａは、図１１に示すように、測定面（被照射面）Ｘからの反射光が、受光素子（検出器）へ分配される分配器までに至る光路の途中に、ピンホールＡ３を配置した構成である。反射光は、一つのピンホールＡ３を介した後に、各受光素子へと導かれる。このように配置することによって、磨耗面を測定する場合であっても、以下のように精度を高めることができる。
【０１１４】
ここで、まず、摩耗面の測定において誤差が生じうる理由について説明する。物体における被照射面が完全な粗面（光の波長に対して完全なざらざら状態の面）であるときには、この被照射面にて反射して対物レンズへと向かう反射光の強度は、断面において、またはある面に照射した場合に、その強度分布がほぼ一様（一定）となる。このため、上述の実施の形態１において説明したように、十分な精度を得ることができる。
【０１１５】
一方、物体の被照射面が摩擦下の粗面である場合には、被照射面はより細かな、乱れた凹凸を有することになる。すなわち、物体表面は、例えば光軸に垂直、あるいは傾きを持った反射面の領域を部分的に含むことになる。このような被照射面から反射された光は、例えば図１２に反射光強度分布として示すように、完全な粗面における等方的な強度分布からはずれたものとなる場合がある。ここで、図１２には、反射光の進行方向に垂直なある断面における反射光の強度、または反射光をある面に照射した場合の強度の一例を示している。例えば、精密加工や摩耗の少ない硬い金属面摩耗等の場合には、このように等方的な強度分布からはずれた反射強度となることが多い。本実施形態のように摩耗を測定する対象となる材料については、むしろこの種の摩耗面を生ずる材料も多い。これは、ビーム断面全体にわたる強度分布のばらつきの原因となる。
【０１１６】
被照射面Ｘからの反射強度が等方的でなく、一様でない場合には、例えば図１１に示す対物レンズＬ０の位置において、ビーム断面内の強度分布が一定でなくなる。この場合、光軸からの半径方向距離や光軸周りの角度に対して、局所的に不均一となった強度分布となる。例えば図１２に示すように、光強度分布はビーム光軸からの半径Ｒの関数となる。このとき、以下に説明するように、受光素子にて検出する信号強度、すなわち規格化した信号強度Ｓにばらつきが生じることがある。この場合、高精度の測定が困難となり、解像度が悪くなってしまう。
【０１１７】
また、レーザ光を利用して測定する場合には、上述のようなビーム断面全体にわたる強度分布のばらつきに加えて、レーザ光に特有なスペックルによる局所的な強度分布のばらつきが生ずる。このばらつきは極めて局所的に生ずる。このため、例えばレーザ光中のばらつきを含んでいる光束部分が、図１１に示すハーフミラーＢＳ２上の同一領域を介してピンホールＡ１・Ａ２にそれぞれ向かう場合に、ばらつきがなければ本来ピンホールＡ１・Ａ２を通過して信号強度として検出されるはずであっても、実際にピンホールＡ１・Ａ２を共に通過させることは困難となる。このため、以下に述べる誤差が生ずる。
【０１１８】
まず、上述のような不均一性によって誤差を生ずる理由について説明する。例えば、ピンホールＡ３がないとしても、ピンホールＡ３の位置の面に入射する反射光の強度分布が一定であれば、誤差は生じない。この場合、ピンホールＡ３の位置を通過して両受光素子に至る光路に配置されたピンホールＡ１・Ａ２は、例えば少々光軸からずれた位置に配置されていてもよい。より厳密にいえば、レーザ光がビームとなっている領域の断面内にピンホールＡ１・Ａ２の穴が配置されればよい。
【０１１９】
しかし、上述のような不均一性のため、ビーム強度が一定（一様）とならないときには、両受光素子前面のピンホールＡ１・Ａ２は、光軸上に正確に位置合わせして配置されなければならない。ここで、例えば強度分布が図１２に示すような分布をしていても、同一分布光をハーフミラー（半透鏡）で分配しているため、本来、両受光素子には同一分布の光が入射するはずである。すなわち、実際には両ピンホールＡ１・Ａ２が光軸上に正確に位置合わせされたときにのみ同一分布が実現され、上述の強度分布一定の場合と同じ結果を得ることができる。
【０１２０】
すなわち、ピンホールＡ１・Ａ２の半径をｐとし、レーザビームの断面の半径をＲＢとした場合に、図１２に示す半径が−ｐからｐの範囲の光が受光素子へと入射する。このとき、両ピンホールＡ１・Ａ２が光軸上に正確に位置合わせされていなければ、各受光素子へと入射し、受光素子にて検出される光量が受光素子ごとに異なってしまう。すなわち、ピンホールＡ１またはＡ２の位置が光軸から例えばｘだけずれると、図１２においてＲ＝０の原点に対応する光軸からピンホールがｘだけずれることになるため、−ｐ＋ｘからｐ＋ｘの範囲の光がピンホールを介して受光素子にて検出される。このようなずれの大きさや方向はピンホールごとに異なるものとなるので、例えばピンホールＡ１またはＡ２の一方を介した受光素子では強い（弱い）光強度が検出され、他方では弱い（強い）光強度が検出されることがある。
【０１２１】
以上のように、ビーム強度が一様でない場合には、例えばピンホールＡ１またはＡ２の位置ずれが信号強度の誤差を生ずるため、受光素子の信号強度にばらつきを生ずる原因となる。
【０１２２】
そこで、本実施形態の測定装置１Ａにおいては、図１１に示すように、測定部５ＡにピンホールＡ３をさらに含めた構成とした。このピンホールＡ３は、接眼レンズＬ１の物体側に、すなわち被照射面から光分配器としてのハーフミラーＢＳ２の手前に配置された接眼レンズＬ１までの光路に配置されている。
【０１２３】
このピンホールＡ３の半径はＲＡである。このピンホールＡ３は、例えば図１２に示す−ＲＢからＲＢまでの範囲のような反射光のレーザビーム半径を、−ＲＡからＲＡまでの範囲に制限する遮光部材として機能する。ここで、０＜ＲＡ＜ＲＢである。このように改良した光学系（測定部５Ａ）によれば、ピンホールＡ３が無いときの半径ＲＢに対して、半径ＲＡ部の強度分布光のみを利用できる。
【０１２４】
このように、ピンホールＡ３を用いて、強度が一様でないビームのうちの一部のみを抽出して、受光素子手前に配置されたピンホールＡ１・Ａ２へと導く。これによって、ピンホールＡ１・Ａ２の位置においては、ピンホールＡ１・Ａ２の面に照射される光の強度のばらつきを少なくできる。例えば、図１２に示すように半径増加に従って強度が減少する光ビームであれば、ピンホールＡ３の半径ＲＢを適切に選択することによって、強度分布のばらつきを所定の範囲内に制限できる。すなわち、ピンホールＡ３は、反射光を照射した場合の照射面における非一様性を低減させる、平均化手段として機能する。なお、例えばピンホールＡ３の大きさは、受光素子が感度を持つ程度に小さくする方が良い。
【０１２５】
以上のように、ピンホール（アパーチャ）Ａ３を挿入することによって、測定誤差を減少させ、測定精度を向上させ、解像度を上げることができる。
【０１２６】
次に、上述の測定システム１Ａにおける誤差を見積もり、上述の構成によって実際に誤差が小さくなっていることを確認する。
【０１２７】
まず、測定システム１Ａの光学系の解像度κを上げるため（解像度κを小さくする。）には、上述の（５）式から分かるように、測定感度Ｋを大きくし、または雑音成分ＳＮを小さくしなければならない。雑音成分は、測定システムの光学系やデータ処理系によって決まるもので，本来感度とは別問題である。ここでは本光学系の感度について検討する。
【０１２８】
測定感度Ｋは、上述の（３）式のように、Δｄに対するΔＳの比ΔＳ／Δｄとして定義される。このため、測定感度Ｋを大きくするには、微小なｄの変化に対して出来るだけ大きな信号強度の変化ΔＳを生み出すように考えればよい。
【０１２９】
ここで、簡単のためにピンホールＡ３を省略した構成の、図２に示す測定部５の光学系の一部を、等価光学系として図１３に示す。図１３に示すように、測定点Ｆ０を、焦点距離ｆ０の対物レンズＬ０で結像する。また、その像点を新たに接眼レンズＬ１の物点と考え、レンズＬ１の焦点Ｆ１に再度結像する。この場合、レンズＬ１の物体距離は−ｂ０となる。
【０１３０】
この構成において、物点Ｆ０のｆ０からｆ０＋△ｆ０への微小移動△ｆ０（図示の場合は△ｆ０＜０）に対する、結像点Ｆ１のｆ１からｆ１＋△ｆ１への微小移動は、幾何光学による近似から、以下のように求められる。なお、この微小移動△ｆ０は、図３（ａ）〜（ｃ）では△ｄとしている。
【０１３１】
まず、レンズＬ０による結像公式から、このレンズによる結像距離ｂ０は、
１／（ｆ０＋△ｆ０）＋１／ｂ０＝１／ｆ０                （６）
に対して△ｆ０／ｆ０≪１を用いて、
ｂ０≒(ｆ０)2／Δｆ０                                    （７）
と近似できる。
【０１３２】
この像点が、再度レンズＬ１で焦点Ｆ１近傍（ｆ１＋△ｆ１）に結像されるから、レンズＬ１による結像公式により（この場合レンズＬ１の物体距離は−ｂ０となる）、
１／（−ｂ０）＋１／（ｆ１＋△ｆ１）＝１／ｆ１           （８）
であり、△ｆ１／ｆ１≪１を用いて、
ｂ０＝−(ｆ１)2／△ｆ１、
または、
△ｆ１＝−(ｆ１)2／ｂ０                                  （９）
を得る。
【０１３３】
また、さらに（７）式を代入して、
△ｆ１＝−（ｆ１／ｆ０）2△ｆ０                          （１０）
を得る。なお、この式での負符号は、△ｆ１と△ｆ０の増減関係が、光軸方向（Ｚ軸方向）に対して逆方向であることを示している。
【０１３４】
次に、例えば表面凹凸によって生ずる△ｆ０に応じた、微小角度変化△θ０（図示の場合は△θ０＞０）を考える。簡単な幾何学から、
△ｆ０ sinθ0≒（(ｆ０)2＋(ｈ０)2）1/2（−△θ０）        （１１）
を得る。ここで、sinθ0＝ｈ０／（(ｆ０)2＋(ｈ０)2）1/2の関係を用いれば、
△θ０＝−｛ｈ０／（(ｆ０)2＋(ｈ０)2）｝△ｆ０            （１２）
の関係を得る。ここで、ｈ０はレンズＬ０の開口半径である。この式での負符号は、△ｆ０と△θ０の増減が逆方向であることを示す。
【０１３５】
また、同様にして、接眼レンズＬ１側では、
−△θ１＝｛ｈ１／（(ｆ１)2＋(ｈ１)2）｝△ｆ１            （１３）
となる。この式での負符号は、△ｆ１と△θ１の増減関係が逆方向になることを示している。また、ｈ１はレンズＬ１の開口半径である。
【０１３６】
ここで、（１３）式に（１０）式の関係を用いると、次式の関係を得る。
△θ１＝ｈ１ Δｆ０／［(ｆ０)2｛１＋(ｈ１／ｆ１)2｝］    （１４）
ここで、通常は（ｈ１／ｆ１）2≪１であるから、
△θ１＝（ｈ１／(ｆ０)2）△ｆ０                          （１５）
となる。
【０１３７】
次に、反射光が図１１に示す構成を介した後に上述のピンホールＡ１またはＡ２に照射される場合について、等価光学系としての図１４に基づいて説明する。この図１４に示すピンホールＡ４は、ピンホールＡ１またはＡ２に相当する。ピンホールＡ４を焦点の前面に置いた場合の、ピンホール面におけるレーザ光断面の断面変化に応じた、ピンホールＡ４を透過する光束量の変化について説明する。なお、レーザ光の変化は、△ｆ０による△θ１の変化に応じたものとする。また、ここでは簡単のために、ピンホールＡ４面における単位断面積当たりの光強度を一定として議論する。
【０１３８】
まず、ピンホールＡ４の半径をｐとし、直径をＰとする。また、焦点に結像するレーザ光のピンホール面におけるビーム半径をｒ１とする。また、接眼レンズＬ１を透過する全光量をＩＴとし、ピンホールを透過する光量をＩＰとすれば、
ＩＰ＝(ｐ／ｒ１)2ＩＴ                                    （１６）
を得る。
【０１３９】
ここで、ピンホールＡ４の位置を、焦点Ｆ１からｚ軸方向にｑだけ移動して配置しているとする。ここで、△ｆ１によってｒ１が△ｒ１だけ変化したとすれば、図１４についての簡単な幾何学から、ｒ１や△ｒ１は以下のように求められる。
【０１４０】
まず、ｒ１＝（ｑ／ｆ１）ｈ１であるので、
ｒ１十△ｒ１＝（ｑ十△ｆ１）ｈ１／（ｆ１十△ｆ１）
＝ｒ１（１十△ｆ１／ｑ）／（１＋△ｆ１／ｆ１）
≒ｒ１（１＋△ｆ１／ｑ）
∴△ｒ１＝ｈ１ △ｆ１／ｆ１                          （１７）
となる。なお、ここでの近似は、本光学系での通常条件である、ｑ≪ｆ１を用いている。したがって、Δｒ１は、（１０）式から次式で与えられる。
△ｒ１＝−（ｈｌ ｆ１／(ｆ０)2）△ｆ０                  （１８）
また、ピンホールを焦点の前、後に置いたときの、Δｒ１によるＩＰからの光量変化分をΔＩＰ２、△ＩＰ１とする。このとき、まずＩＰ２について、
ＩＰ２＝ＩＰ＋△ＩＰ２
＝｛ｐ／（ｒ１＋△ｒ１）｝2ＩＴ
＝（ｐ／ｒ１）2ＩＴ（１＋△ｒ１／ｒ１）-2
≒ＩＰ（１−２△ｒ１／ｒ１）
が得られる。したがって、
△ＩＰ２＝−２（△ｒ１／ｒ１）ＩＰ                      （１９）
となる。この（１９）式に（１８）式を用いれば、次式を得る。
△ＩＰ２＝２（ｆ１／ｆ０）2△ｆ０ ＩＰ／ｑ              （２０）
同様に、ピンホールを同じ量ｑだけ焦点面の後（＋ｚ軸方向）に置いた場合のΔＩＰ１は、ＩＰ１＝ＩＰ＋△ＩＰ１と置いて、
ΔＩＰ１＝−２（ｆ１／ｆ０）2△ｆ０ ＩＰ／ｑ            （２１）
となる。したがって、上述の（１）式による規格化信号Ｓは、（２０）式・（２１）式を用いて次式のように求められる。すなわち、
Ｓ＝（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２）
＝｛−（ＩＰ＋△ＩＰ１）＋（ＩＰ＋△ＩＰ２）｝／｛（ＩＰ＋△ＩＰ１）＋（ＩＰ＋△ＩＰ２）｝
＝（−△ＩＰ１＋△ＩＰ２）／２ＩＰ
＝−２（ｆ１／ｆ０）2（１／ｑ）△ｆ０                  （２２）
このように、規格化された出力Ｓは△ｆ０に正比例し、そのときの傾き（すなわち感度Ｋ）は、
Ｋ＝−２（ｆ１／ｆ０）2（１／ｑ）                        （２３）
となる。感度Ｋはｑに反比例し、（ｆ１／ｆ０）2に比例する。このように、感度は、光学系が決まれば改良の余地が無くなる。
【０１４１】
次に、以下に示すように、（２３）式について各種の検証実験などを行って、その傾向を検討した。
【０１４２】
以上の理論的な検討を予備実験によって検証した結果の例を、図１７ないし図２０に示す。図１７はｆ１＝７０ｍｍかつｑ＝３ｍｍの場合、図１８はｆ１＝７０ｍｍかつｑ＝６ｍｍの場合、図１９はｆ１＝５０ｍｍかつｑ＝３ｍｍの場合、図２０はｆ１＝５０ｍｍかつｑ＝６ｍｍの場合をそれぞれ示している。なお、図中の点は、実験においてΔｆ０を±方向に変位したその方向を示すものである。
【０１４３】
ｆ０＝１５ｍｍを固定した、ｆ１＝５０ｍｍまたは７０ｍｍ、ｑ＝３ｍｍまたは６ｍｍの種々の値に対する、理論的な（２３）式による感度は、それぞれ、Ｋ（ｆ１＝７０，ｑ＝３）＝−１４．５、Ｋ（ｆ１＝７０，ｑ＝６）＝−７．３、Ｋ（ｆ１＝５０，ｑ＝３）＝−７．４、Ｋ（ｆ１＝５０，ｑ＝６）＝−３．７であり、それに対する実験的な感度は、それぞれ−２．０５、−１．４６、−１．３３、−０．９８８とかなり小さい値であるが、ｆ１やｑに対する傾向は完全に一致している。実験感度がかなり小さくなっているのは、（２３）式の誘導で、「ピンホール面での光強度が一定である」という仮定を用いているが、実験ではこれが成立しないことによると思われる。この理由は、照射面が光軸に垂直にならず、反射光に方向性が存在することと、レーザ光に特有のスペックルのためと考えられる。
【０１４４】
なお、誤差の評価について、ピンホールごとにずれを生じた場合の解像度について補足的に説明する。反射光の強度分布が不均一であり、ピンホールＡ１またはＡ２が光軸からずれたために生じる両受光素子の信号強度ＩＰ１、ＩＰ２の誤差をεｐ１、εｐ２とし、これによる規格化信号Ｓの誤差（最大誤差）をεｓとする。
【０１４５】
このとき、
Ｓ＋εｓ
＝｛（ＩＰ１−ＩＰ２）＋（|εｐ１|＋|εｐ２|）｝／
｛（ＩＰ１＋ＩＰ２）＋（|εｐ１|＋|εｐ２|）｝
≒Ｓ｛１＋（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１−ＩＰ２）｝×
｛１−（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１＋ＩＰ２）｝
≒Ｓ｛１−（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１＋ＩＰ２）＋
（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１−ＩＰ２）｝    （２４）
である。
【０１４６】
ここで、（１９）式および（２１）式から、（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１＋ＩＰ２）≪（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１−ＩＰ２）が成立するので、
Ｓ＋εｓ≒Ｓ｛１＋（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ＩＰ１−ＩＰ２）｝
＝Ｓ｛１＋（|εｐ１|＋|εｐ２|）／（ΔＩＰ１−ΔＩＰ２）｝
（２５）
となる。これに、（２０）式・（２１）式を代入して、次の関係を得る。
εｓ／Ｓ
＝−（|εｐ１|＋|εｐ２|）／｛４(ｆ１／ｆ０)2ＩＰ△ｆ０／ｑ｝
＝−（１／４）｛（|εｐ１|＋|εｐ２|）／ＩＰ｝(ｆ０／ｆ１)2（ｑ／△ｆ０）
（２６）
このように、誤差率（|εｐ１|＋|εｐ２|）／Ｓが小さくても、両信号の純信号成分（△ＩＰ１−△ＩＰ２）＝−｛４(ｆ１／ｆ０)2ＩＰΔｆ０／ｑ｝は、とくに△ｆ０が０近傍のときには小さくなる。このため、誤差率εｓ／Ｓは大きくなり、解像度が悪くなる。
【０１４７】
なお、解像度κは、上述の（５）式で与えられる。そこで、（５）式中にＳＮ＝εｐ１＋εｐ２を代入すれば、
κ＝（εｐ１＋εｐ２）／Ｋ                                  （２７）
となって、誤差に正比例する。また、各ピンホールによる誤差は、システム全体としての解像度κに対して和で寄与する。このように、κを小さくするためには誤差を小さくしなければならない。ここで、上述したように、本実施形態の測定システム１Ａは、ピンホールＡ３を追加することによって、この誤差を小さくできる。
【０１４８】
次に、測定システム１Ａのさらなる特徴点について説明する。測定システム１Ａは、図１０に示すように、摩擦力センサ３０、加速度センサ３１、動ひずみ計３２およびチャージアンプ３３を含んでいる。この測定システム１Ａを実施の形態１にて説明した観察システムと組み合わせた場合の構成を図１５に示す。
【０１４９】
摩擦力センサ３０、加速度センサ３１からのデータは、それぞれ動ひずみ計３２、チャージアンプ３３を介して、外部のパソコン３へと出力される。パソコン３においては、これらのデータを、図示しない制御部が回転台２３の１回転毎に分けて、図示しない記憶部に保存する。パソコン３の制御部は、記憶部のデータを用いて、例えば回転台２３による摩擦の繰返しに伴う、同一箇所の時間変化を抽出する。パソコン３の制御部は、記憶部などの記録媒体に記録されたプログラムを読み込んで実行することによって、上述のような機能を発揮する。
【０１５０】
摩擦力センサ３０は、摩耗挙動と密接に関係する摩擦力を測定するためのものである。摩擦力は、トライボロジー特性の評価において必要不可欠な情報である。本実施形態の摩擦力センサ３０は、ひずみゲージ式摩擦力センサである。
【０１５１】
より詳細には、摩擦力センサ３０としてのひずみゲージ式摩擦力センサは、４枚のひずみゲージを貼り付けた板ばねよりなる。摩擦力により板ばねにひずみが発生すると、ひずみゲージのベースを経由して抵抗体（線・箔）にひずみが伝わり、発生したひずみに対応した抵抗変化を生ずる。ひずみゲージの抵抗変化は微少な値であるため、図１６に示すようなホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換する。ひずみゲージを動ひずみ測定器に接続するとホイートストンブリッジ回路が構成され、ブリッジ回路の入力電圧が動ひずみ測定器から供給されるため、ひずみ量を出力電圧として測定することが可能となる。実験の前に、予めひずみと力の関係を較正曲線として求めておくことにより、測定されたひずみから摩擦力を知ることができる。なお、ホイートストンブリッジ回路の出力電圧ｅは、例えば図１６に示す構成において、ひずみゲージの抵抗値をＲ１とし、ホイートストンブリッジ回路の他の固定抵抗の値をＲ２〜Ｒ４とし、入力電圧をＥとすると、
ｅ＝（Ｒ１ Ｒ３−Ｒ２ Ｒ４）Ｅ／｛（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ４）｝
で与えられる。
【０１５２】
ここで、例えば摩耗挙動と密接に関係する摩擦力について、従来は、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力が測定されていた。この場合は、この情報を、摩擦面の詳細な解析に使うことは困難であった。
【０１５３】
これに対して、上記構成の測定システム１Ａによれば、ディスク試験片１回転中の摩擦力の変化であっても、例えば応答周波数２．５ｋＨｚで捉えることができる。また、これらのデータを所定の開始点から１回転毎に分けて保存することもできる。これによって、摩擦の繰返しに伴う同一箇所の時間変化を捉えることができる。
【０１５４】
パソコン３には、図６に示す観察システム（観測システム）１１のトリガ用アンプ１３から、ストロボ発光用のトリガ信号が入力される。このトリガ信号によりパソコン３に入力された摩擦力と加速度の各データを、所定の開始点からディスク試験片１回転毎に分けて保存することができる。摩擦力センサは動ひずみ計３２にデータを出力し、動ひずみ計３２はそのデータを増幅してパソコン３へと出力する。
【０１５５】
加速度センサ３１は、摩擦力の構成成分を調べるためのものである。本実施形態の加速度センサ３１は、電荷を自己発生するタイプの加速度トランスデューサであり、印加された加速度に比例した電荷を発生するので、その電荷量から加速度値を測定することができる。チャージアンプ３３は、加速度センサ３１から出力された電荷を処理し易い電圧信号に変換し、増幅するために用いる。
【０１５６】
ここで、上述の摩擦力センサ３０で測定される摩擦力の変化は、二物体をそれぞれ反対方向に滑らせるために必要な力であり、その中には接触面の大きな凹凸を超えたり材料を破壊したりするために必要な力も含まれている。前述の通り、従来の測定方法では、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力しか知ることができなかった。また、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのか調べることができなかった。
【０１５７】
そこで、加速度センサ３１も用いるようにする。この加速度センサ３１は、応答周波数が１ｋＨｚである。また、加速度センサ３１は、垂直方向・水平方向についての２軸加速度センサである。この加速度センサ３１を用いることによって、各方向成分出力を得て、摩擦力の支配的要因が接触面の大きな凹凸なのか、または接触点での材料のせん断破壊なのかについて、より詳細に知ることができる。
【０１５８】
また、測定装置１Ａによって測定面の変化を得ることができるので、摩擦力と摩擦面とがどのように関係しているのか調べることができる。
【０１５９】
なお、上述の実施の形態においては、図１１において、ピンホールＡ３がレンズＬ１よりも物体側に配置された例を示しているが、本発明はこれに限るものではない。例えばピンホールＡ３は、レンズＬ１とハーフミラーＢＳ２との間に配置してもよい。ただし、ピンホールＡ３をレンズＬ１とハーフミラーＢＳ２との間に配置した場合には、同一径のピンホールＡ３を用いたとしても、配置する位置やレンズＬ１の焦点距離の大小によって、効果（除去光）が異なる可能性がある。
【０１６０】
以上のように、測定システム１Ａは、摩擦力センサ３０および加速度センサ３１を備え、摩擦力、摩擦力の構成成分、および摩擦力と摩擦面との関係を測定することができる。より詳細には、回転台２３上のディスク試験片１回転中において、摩擦力、垂直・水平方向加速度、摩擦面の変化を同時に捉えることができる。また、測定システム１Ａは、測定したデータをパソコン３に出力する。これによって、測定システム１Ａによって観察したデータを、所定の開始点から１回転毎に分けて保存できる。測定システム１Ａを観察システム１１と組み合わせて、詳細なトライボロジー現象のリアルタイム観測・解明が可能となる。このようにして、改良型トライボビューワによって、包括的トライボロジー現象を観測できた。
【０１６１】
ここで、上述の実施の形態１において説明した測定システム１・観察システム１１からなるトライボビューワは、摩擦試験中に時々刻々変化する摩耗面の遷移過程をリアルタイムで観察することに主眼をおいて開発したものである。そこで、本実施形態においては、さらにそのアイディアを一歩進めて、図１５に示すように、多元的な情報を得られるようにひずみゲージ式の摩擦力センサ３０と加速度センサ３１とをトライボビューワに組み込んだ。
【０１６２】
また、本実施形態における測定システム１Ａは、さらに、以下のように平均化処理を行うことによって、測定誤差を減少させる。
【０１６３】
ここで、測定システム１Ａのように、摩耗現象を測定対象とする場合には、ある程度以下の測定誤差は回避出来ない面がある。そこで、誤差を小さくする他の方法として、照射位置を僅かにずらした場所での多数のデータの平均化（ｎ回平均）を用いる方法が考えられる。
【０１６４】
ここで、データがランダムノイズＳＮを含んでいるときに、ｎ回の測定を行ってそれを平均化すれば、ランダムノイズによる雑音の影響はＳＮ／(ｎ)1/2の程度となる。このため、平均化によって測定誤差を大きく軽減できる。摩耗面を対象とする場合には、ノイズがランダムノイズＳＮを含んでいると考えられるので、これによって測定誤差を軽減する。
【０１６５】
測定システム１Ａ・観察システム１１は、上述のように、サンプリング周波数１０ｋＨｚ程度の高速測定が可能である。そこで、測定システム１Ａは、データの入力されるパソコン３において、サンプリングにより入力されるデータを２５コごとに平均し、新たなデータとする。このようにして得られたデータは、２５コの平均によって、雑音の影響成分がＳＮ／５程度となる。なお、このときの測定周波数は１０4／２５＝４００Ｈｚであるので、例えば６０Ｈｚ（３６００ｒｐｍ）の回転体の測定を１度以内の角度毎に測定することが可能である。
【０１６６】
以上のように、測定システム１Ａは、ピンホール（開口）Ａ３の挿入、またはデータの平均化によって、測定精度を向上し、誤差を軽減し、解像度を向上する。
【０１６７】
なお、背景技術として記載した特許文献１，２には、人問の眼底検査を目的とする、立体形状測定装置が開示されている。この構成は、本願の実施の形態１に記載の構成と類似した構成である。ここで、人間の眼底は、被照射面としてほぼ完全な粗面であると考えられる。このため、このような物体を被照射面とする場合には、上記公報記載の構成によっても測定が可能であると予想される。
【０１６８】
一方、上述の背景技術と本願とでは、発明の目的が全く異なっている。背景技術においては、被照射面が不完全な粗面となっている場合は考慮されていない。このため、上記公報記載の構成によって摩耗状態を観測する場合には、被照射面が不完全な粗面となっており、十分な測定精度を得ることができない。このようにして、データに比較的大きな誤差が生じて、初期の数μｍの解像度（測定分解能：測定可能な最小変位）が得られなくなってしまうと予想される。
【０１６９】
そこで、上述のように、摩耗の測定に対しても同じ程度の測定解像度が得られる、光学系を改良した改良型トライボビューワーを提案した。
【０１７０】
また、従来の測定方法では、ある摩擦繰返し数あたりの平均的な摩擦力しか知ることができず、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのか調べることができなかった。
【０１７１】
そこで、上述のように、摩擦力の構成成分や、それが摩擦面とどのように関係しているのかを測定することのできる測定システム１Ａを提案した。
【０１７２】
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１７３】
上述の具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、本発明はそのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、変更した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
本発明に係る測定装置は、測定する対象となる物体の表面の変位を検出するだけでなく、例えば対象物またはレーザ光の少なくともいずれか一方を走査することによって、対象物の表面凹凸を高感度かつリアルタイムに測定することができる。例えば、レーザ光や測定体を走査することによって、半導体素子や、機械部品等の表面凹凸状態をリアルタイムで測定することが可能となる。
【０１７５】
また、表面凹凸の検出として、摩耗する表面の凹凸を検出することができるので、摩耗量や切削量のリアルタイム測定方法に用いることができる。また、摩耗する表面をカメラで観察する観察装置と組み合わせることによって、摩耗量の定量測定と摩耗面の同時観察が可能となり、摩耗状態観測装置（トライボビューア）に適用することができる。また、試験機の停止や試験片の脱着誤差を排除した信頼性と定量性を保証できる標準摩耗試験機を提供できる。このように、本発明を機械産業分野に適用して、摩耗量や切削量を高解像度で、かつ運転中にリアルタイムに測定する方法やその装置を提供することができる。
【０１７６】
例えば、この測定装置を用いれば、微小な切削量をオンラインで実測し、その値を直接次の加工量にフィードバックすることができる。このため、加工機や被加工物の熱膨張による誤差を排除した精密加工が可能になる。したがって、寸法計測のための機械停止が不要となり、加工時間の短縮とコスト低減とが得られる。また、摩耗を検出することによって、回転軸、回転軸受、ブレーキデイスク等の交換時期を予知することが考えられ、この場合には、過度の交換を不要にする経済的な効果ばかりでなく、不慮の事故を未然に防ぐことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】本発明に係る測定システムの一例を示すブロック図である。
【図２】上記測定システムに含まれる測定装置の一部を示す概略の断面図である。
【図３】（ａ）は上記測定装置の一部を示す概略の断面図であり、（ｂ）は（ａ）とは異なる状態における上記一部の概略の断面図であり、（ｃ）は（ａ）および（ｂ）とは異なる状態における上記一部の概略の断面図である。
【図４】（ａ）は上記測定システムによって得られた測定面位置のデータの一例を示すグラフであり、（ｂ）は上記測定システムによって得られた校正曲線のデータの一例を示すグラフである。
【図５】（ａ）は上記測定システムによって得られると予測される、測定面の移動と光量変化との関係を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。
【図６】上記測定システムと組み合わせて用いる観測システムを示す概略のブロック図である。
【図７】上記測定システムの一部および上記観測システムを示す概略の斜視図である。
【図８】上記測定システムについてのシミュレーション実験によって得られた、測定面の移動と光量変化とを関係付けた校正曲線の一例を示すグラフである。
【図９】上記測定システムによって実際に得られた、測定面の移動と光量変化とを関係付けた校正曲線の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る測定システムの一例の概略を示すブロック図である。
【図１１】上記測定システムに含まれる測定装置の一部を示す概略の断面図である。
【図１２】上記測定装置においてレーザ光を照射した場合の強度分布を示す概略の図である。
【図１３】上記測定装置の他の一部を示す概略の断面図である。
【図１４】上記測定装置のさらに他の一部を示す概略の断面図である。
【図１５】上記測定システムの一部および観測システムの一例を示す概略の斜視図である。
【図１６】上記測定システムの他の一部を示す概略の回路図である。
【図１７】上記測定システムによる測定結果の一例を示すグラフである。
【図１８】上記測定システムによる測定結果の他の一例を示すグラフである。
【図１９】上記測定システムによる測定結果のさらに他の一例を示すグラフである。
【図２０】上記測定システムによる測定結果のさらに他の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１７８】
１、１Ａ            測定システム
２、２Ａ            測定装置
３                  パソコン（計算装置）
５、５Ａ            測定部
８                  レーザ
９                  受光部
１０                光学部材
１１                観察システム（観測システム）
３０                摩擦力センサ
３１                加速度センサ
３２                動ひずみ計
３３                チャージアンプ
Ａ１                ピンホール（第１遮光部材）
Ａ２                ピンホール（第２遮光部材）
Ａ３                ピンホール（第３遮光部材、平均化手段）
ＢＳ１              ハーフミラー
ＢＳ２              ハーフミラー（分配器）
Ｄ１                測定面位置
Ｄ２                校正曲線
ｆ１、ｆ２          焦点距離
Ｌ０                対物レンズ
Ｌ１                接眼レンズ（集光部材）
Ｐ                  ピンホールの穴のサイズ
ＰＤ１              フォトダイオード（第１光学素子）
ＰＤ２              フォトダイオード（第２光学素子）
Ｘ                  測定面（被測定面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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