特許 6382303 表面粗さ測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6382303

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】表面粗さ測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/30 20060101AFI20180820BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/30 102Z

【請求項の数】16

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-510793(P2016-510793)

(86)(22)【出願日】2014年4月25日

(65)【公表番号】特表2016-517019(P2016-517019A)

(43)【公表日】2016年6月9日

(86)【国際出願番号】US2014035407

(87)【国際公開番号】WO2014176479

(87)【国際公開日】20141030

【審査請求日】2017年4月14日

(31)【優先権主張番号】201310150620.9

(32)【優先日】2013年4月26日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】シエ，グアンピン

(72)【発明者】

【氏名】ジア，ミン

(72)【発明者】

【氏名】ザイ，ジロン

(72)【発明者】

【氏名】トラローリ，パオロ

(72)【発明者】

【氏名】ハーディング，ケヴィン・ジョージ

(72)【発明者】

【氏名】ソン，グイジュ

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−１４３９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−００８５２４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５９−０６５７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０８１０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０７１９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５００７７４０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７−２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主発光ファイバ（１２２）および複数の集光ファイバ（１２４）を含むファイバ束（１２）と、
第１の補助発光ファイバ（１３）と、
前記ファイバ束（１２）および前記第１の補助発光ファイバ（１３）を含み、対象物（２０）の表面に光学的に接触するための開口（１４２）を画定する光学ハウジング（１４）と、
前記主発光ファイバ（１２２）から発光した光を前記開口（１４２）の検出点へ反射し、前記対象物（２０）によって反射された光を前記複数の集光ファイバ（１２４）へ反射するための、前記光学ハウジング（１４）に配置された主反射鏡（１５）と、
前記第１の補助発光ファイバ（１３）から発光した光を前記開口（１４２）の前記検出点へ反射するための、前記光学ハウジング（１４）に配置された第１の補助反射鏡（１６）と、
前記主発光ファイバ（１２２）および前記第１の補助発光ファイバ（１３）に対してレーザビームを生成し、前記複数の集光ファイバ（１２４）から前記反射光を集光し、前記集光した反射光に基づいて前記対象物（２０）の表面粗さを算出するための外部回路と、
を含み、
前記対象物（２０）の前記表面粗さは、前記表面粗さと、前記主発光ファイバ（１２２）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度と前記第１の補助発光ファイバ（１３）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度との比率と、の間の所定の関係に基づいて算出され、
前記比率は、式Ｒ＝（ＭＩ−ＡＩ）／（ＭＩ＋ＡＩ）により算出され、
ここで、Ｒは前記比率であり、ＭＩは前記主発光ファイバ（１２２）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度であり、ＡＩは前記第１の補助発光ファイバ（１３）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度である、
表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項2】

前記外部回路は、
前記レーザビームを生成するためのレーザ発生器（４１）と、
前記複数の集光ファイバ（１２４）から集光した前記反射光を検出して、前記集光した光を電気信号に変換するための光検出器（４３）と、
前記主発光ファイバ（１２２）からの前記反射光から変換された、および前記第１の補助発光ファイバ（１３）からの前記反射光から変換された、前記変換された電気信号に基づいて、前記対象物（２０）の前記表面粗さを算出するための少なくとも１つの信号処理部（４４）と、
を含む、請求項１に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項3】

前記外部回路は、前記主発光ファイバ（１２２）および前記第１の補助発光ファイバ（１３）に対して前記レーザビームを選択的に切り換えるためのビームスイッチ（４２）をさらに含む、請求項２に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項4】

前記外部回路は、
電荷結合素子（ＣＣＤ）（４６）と、
前記複数の集光ファイバ（１２４）から集光した前記反射光を前記光検出器（４３）および前記ＣＣＤ（４６）へそれぞれ分波するための光分波器（４７）と、
をさらに含む、請求項２に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項5】

前記主発光ファイバ（１２２）は、前記ファイバ束（１２）の前記複数の集光ファイバ（１２４）の中心の周りに配置される、請求項１から４のいずれかに記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項6】

前記光学ハウジング（１４）は、一端において開口（１４１）を画定し、前記ファイバ束（１２）の遠位端は、前記第１の補助発光ファイバ（１３）と共に、前記開口（１４１）を通して前記光学ハウジング（１４の少なくとも一部において保持される、請求項１から５のいずれかに記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項7】

前記主反射鏡（１５）は、前記光学ハウジング（１４）に配置され、かつ、前記ファイバ束（１２）に対して４５度に配置される、請求項６に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項8】

前記第１の補助反射鏡（１６）は、前記光学ハウジング（１４）に配置され、かつ、前記第１の補助発光ファイバ（１３）に対して４５度未満の傾斜角度で配置され、
前記第１の補助発光ファイバ（１３）と前記第１の補助反射鏡（１６）との間の距離は、前記ファイバ束（１２）と前記主反射鏡（１５）との間の距離より小さい、
請求項７に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項9】

前記外部回路は、
前記レーザビームを生成するためのレーザ発生器（４１）と、
前記複数の集光ファイバ（１２４）から集光した前記反射光をそれぞれ検出して、前記集光した光を電気信号にそれぞれ変換するための、複数の光検出器（４３）を含む光検出器アレイ（４８）と、
前記変換電気信号に基づいて前記検出した反射光の強度分布画像をディスプレイ（４５）を通して示すための信号処理部（４４）と、
含む、請求項１に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項10】

前記光学ハウジング（１４）に保持された第２の補助発光ファイバ（１７）と、
前記第２の補助発光ファイバ（１７）から発光した光を前記開口（１４２）の前記検出点へ反射するための、前記光学ハウジング（１４）に配置された第２の補助反射鏡（１８）と、
をさらに含み、
前記外部回路は、前記第２の補助発光ファイバ（１７）に対して前記レーザビームをさらに提供する、
請求項１に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項11】

前記対象物（２０）の前記表面粗さは、前記表面粗さと、前記主発光ファイバ（１２２）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度と前記第１の補助発光ファイバ（１３）および前記第２の補助発光ファイバ（１７）の一方から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度との比率と、の間の所定の関係に基づいて算出される、請求項１０に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項12】

前記比率は、式Ｒ＝（ＭＩ−ＡＩ）／（ＭＩ＋ＡＩ）により算出され、
ここで、Ｒは前記比率であり、ＭＩは前記主発光ファイバ（１２２）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度であり、ＡＩは前記第１の補助発光ファイバ（１３）または前記第２の補助発光ファイバ（１７）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度である、
請求項１１に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項13】

前記主反射鏡（１５）の前記反射されたレーザビームおよび前記第１の補助発光ファイバ（１３）の前記反射されたレーザビームによって形成される平面は、前記主反射鏡（１５）の前記反射されたレーザビームおよび前記第２の補助発光ファイバ（１７）の前記反射されたレーザビームによって形成される平面に垂直である、請求項１０から１２のいずれかに記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項14】

前記第２の補助発光ファイバ（１７）は、前記第１の補助発光ファイバ（１３）に対して９０度の方向に配置される、請求項１３に記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項15】

前記外部回路は、前記主発光ファイバ（１２２）、前記第１の補助発光ファイバ（１３）、および前記第２の補助発光ファイバ（１７）に対して前記レーザビームを選択的に切り換えるためのビームスイッチ（４２）をさらに含む、請求項１０から１４のいずれかに記載の表面粗さ測定装置（１０）。

【請求項16】

主発光ファイバ（１２２）および複数の集光ファイバ（１２４）を含むファイバ束（１２）と、
複数の補助発光ファイバと、
前記ファイバ束（１２）および前記複数の補助発光ファイバを含み、対象物（２０）の表面に光学的に接触するための開口（１４２）を画定する光学ハウジング（１４）と、
前記主発光ファイバ（１２２）から発光した光を前記開口（１４２）の検出点へ反射し、前記対象物（２０）によって反射された光を前記複数の集光ファイバ（１２４）へ反射するための、前記光学ハウジング（１４）に配置された主反射鏡（１５）と、
前記複数の補助発光ファイバから発光した光を前記開口（１４２）の前記検出点へそれぞれ反射するための、前記光学ハウジング（１４）に配置された複数の補助反射鏡と、
前記主発光ファイバ（１２２）および前記複数の補助発光ファイバに対してレーザビームを生成し、前記複数の集光ファイバ（１２４）から前記反射光を集光し、前記集光した反射光に基づいて前記対象物（２０）の表面粗さを算出するための外部回路と、
を含み、
前記対象物（２０）の前記表面粗さは、前記表面粗さと、前記主発光ファイバ（１２２）から発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度と前記複数の補助発光ファイバのうちの１つから発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度との比率と、の間の所定の関係に基づいて算出され、
前記比率は、式Ｒ＝（ＭＩ−ＡＩ）／（ＭＩ＋ＡＩ）により算出され、
ここで、Ｒは前記比率であり、ＭＩは前記主発光ファイバから発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度であり、ＡＩは前記複数の補助発光ファイバのうちの１つから発光した前記光に基づく前記検出した反射光の強度である、
表面粗さ測定装置（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、一般的には、表面粗さ測定装置に関し、特に、困難なアクセス領域および過酷な環境で測定を行うことができる表面粗さ測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

表面品質および仕上げ状態は、機械、光学、および医療などの分野だけでなく、製造された製品や電子機器において重要な役割を果たす。粗さは構成部品の重要な特性であるから、通常、品質保証処理の対象となる。特定の例では、表面粗さの制御は、製造工程のタイプを決定し、構成部品の機能的性能にも影響を及ぼし得る。したがって、多くの表面粗さ測定方法が業界で開発されている。これらの方法は、一般に２つのカテゴリー、すなわち接触測定方法および非接触測定方法に分類することができる。典型的には、表面粗さ測定方法の多くは、外部表面についてのものであり、業界では多くの公知の方法がある。

【0003】

内部表面の粗さの測定値は、特に狭幅なスロットまたは開口を有するより小さなサイズの構成部品では、より困難になる傾向がある。内部表面測定に加えて、粗さ測定に適さない他の状況がある。例えば、構成部品は、表面測定が困難な非平面の表面を有する複雑な幾何学的形状である可能性がある。

【0004】

困難な表面粗さ測定のための従来の技術は、破壊的であるなどの欠点を有する傾向があり、製造環境においてコストが高くなり、時間がかかる。さらに、従来の粗さ測定技術は、通常、測定される対象物の加工マーク方向を容易に識別することができず、また従来の粗さ測定技術は、材料の反射率ばらつきや作業場の振動などのいくつかのパラメータ変動の影響を排除することができない。

【0005】

これらの理由および他の理由により、特に困難なアクセス領域の表面を測定し、正確な表面粗さ値を提供するための、表面粗さ測定装置を提供する必要性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１０／０４２０８４号明細書

【発明の概要】

【0007】

本装置の一実施形態によれば、表面粗さ測定装置が提供される。一実施形態では、表面粗さ測定装置は、主発光ファイバおよび複数の集光ファイバを含むファイバ束と、補助発光ファイバと、光学ハウジングと、主反射鏡と、補助反射鏡と、外部回路と、を含む。光学ハウジングは、ファイバ束および補助発光ファイバを含み、対象物の表面に光学的に接触するための開口を画定する。主反射鏡は、光学ハウジングに配置され、主発光ファイバから発光した光を開口の検出点へ反射し、対象物によって反射された光を複数の集光ファイバへ反射するために用いられる。補助反射鏡は、光学ハウジングに配置され、補助発光ファイバから発光した光を開口の検出点へ反射するために用いられる。外部回路は、主発光ファイバおよび補助発光ファイバに対してレーザビームを生成し、複数の集光ファイバから反射光を集光し、集光した反射光に基づいて対象物の表面粗さを算出するために用いられる。

【0008】

別の実施形態によれば、表面粗さ測定装置が提供される。表面粗さ測定装置は、主発光ファイバおよび複数の集光ファイバを含むファイバ束と、複数の補助発光ファイバと、光学ハウジングと、主反射鏡と、複数の補助反射鏡と、外部回路と、を含む。光学ハウジングは、ファイバ束および補助発光ファイバを含み、対象物の表面に光学的に接触するための開口を画定する。主反射鏡は、光学ハウジングに配置され、主発光ファイバから発光した光を開口の検出点へ反射し、対象物によって反射された光を複数の集光ファイバへ反射するために用いられる。補助反射鏡は、光学ハウジングに配置され、補助発光ファイバから発光した光を開口の検出点へそれぞれ反射するために用いられる。外部回路は、主発光ファイバおよび補助発光ファイバに対してレーザビームを生成し、複数の集光ファイバから反射光を集光し、集光した反射光に基づいて対象物の表面粗さを算出するために用いられる。

【0009】

本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態による、表面粗さ測定装置の模式的な斜視図である。

【図2】図１の表面粗さ測定装置の模式的な部分図であり、測定する対象物と共に示してある。

【図3】一実施形態による、図１の表面粗さ測定装置のファイバ束の断面図である。

【図4a】図１の表面粗さ測定装置のファイバ束の主発光ファイバからの反射光を説明するための模式図である。

【図4b】図１の表面粗さ測定装置の補助発光ファイバからの反射光を説明するための模式図である。

【図5a】一実施形態による、図１の表面粗さ測定装置のブロック図である。

【図5b】別の実施形態による、図１の表面粗さ測定装置のブロック図である。

【図6a】対象物の２つの異なる材料の反射率について、対象物の粗さと主発光ファイバからの検出された反射光の強度との相関関係の比較を示す図である。

【図6b】対象物の２つの異なる材料の反射率について、対象物の粗さと補助発光ファイバからの検出された反射光の強度との相関関係の比較を示す図である。

【図6c】対象物の２つの異なる材料の反射率について、対象物の粗さと主発光ファイバおよび補助発光ファイバからの検出された反射光の強度により算出された比率との相関関係の比較を示す図である。

【図7a】表面粗さ測定装置のスタンドオフ距離と主発光ファイバからの検出された反射光の強度に基づいて算出された電圧値との相関関係を示す図である。

【図7b】表面粗さ測定装置のスタンドオフ距離と補助発光ファイバからの検出された反射光の強度に基づいて算出された電圧値との相関関係を示す図である。

【図7c】表面粗さ測定装置のスタンドオフ距離と主発光ファイバおよび補助発光ファイバの両方からの検出された反射光の強度に基づいて算出された粗さとの相関関係を示す図である。

【図8a】表面粗さ測定装置の３つの異なる測定位置を示す模式図である。

【図8b】図８ａの表面粗さ測定装置の測定角度と表面粗さ測定装置によって検出された散乱強度との相関関係を示す図である。

【図9a】さらに別の実施形態による、図１の表面粗さ測定装置のブロック図である。

【図9b】図９ａの表面粗さ測定装置により算出された４つの表面粗さ値を表す４つの強度画像を示す図である。

【図10】別の実施形態による、表面粗さ測定装置の模式的な斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、例示のために実施可能な特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施できるように十分詳細に記載されており、他の実施形態も利用することができること、ならびに論理的、機械的、電気的およびその他の変更を、実施形態の範囲から逸脱せずに行うことができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈すべきではない。

【0012】

特に定義されない限り、本明細書で用いられる技術的および科学的用語は、本発明が属する技術的分野の当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で用いられる「第１の」、「第２の」等の用語は、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、１つの要素と別の要素とを区別するために用いられる。また、単数形での記載は、量の限定を意味するものではなく、参照する項目が少なくとも１つ存在することを意味し、特に断らない限り、「前部」、「後部」、「底部」、および／または「最上部」等の用語は、単に、説明の便宜のために使用され、１つの位置または空間的方向に限定されるものではない。さらに、「結合される」および「接続される」という用語は、２つの部品の間の直接的または間接的な結合／接続を区別するものではない。むしろ、このような部品は、特に明記しない限り、直接的または間接的に結合／接続することができる。

【0013】

図１を参照すると、一実施形態による表面粗さ測定装置１０の模式図が示されている。表面粗さ測定装置１０は、ケーブルアダプタ１１、ファイバ束１２、補助発光ファイバ１３、光学ハウジング１４、主反射鏡１５、および小型の補助反射鏡１６を含む。図面中の光学ハウジング１４に配置された要素の配置を容易に示すために、光学ハウジング１４は、図１、図２、図４ａ、図４ｂ、および図１０では、透明なタイプとして示しているが、一実施形態では、光学ハウジング１４は不透明である。例えば、一実施形態では、光学ハウジング１４はステンレス鋼で作られている。

【0014】

いくつかの実施形態では、ケーブルアダプタ１１はファイバ束１２内のファイバと外部回路との間、および補助発光ファイバ１３と外部回路（後の段落で説明する）との間の通信インターフェースを提供するために使用される。一実施形態では、ファイバ束１２は、ファイバ束１２の中心の周りに配置された主発光ファイバ１２２と、主発光ファイバ１２２の周囲に配置された複数の集光ファイバ１２４と、を含む。ファイバ束１２の配置を説明するのを容易にするために、少しの集光ファイバ１２４だけを図１に示しているが、より多くの集光ファイバ１２４がファイバ束１２内に配置されてもよい（図３を参照のこと）。集光ファイバ１２４の数は、設計要件および基準に従って変化させることができる。例えば、一実施形態では、ファイバ１２４の数を１２６とすることができる。この実施例では、ファイバ束１２のファイバ１２２、１２４は、ファイバ位置を維持するのに役立つファイバ束ハウジング内に配置されている。

【0015】

補助発光ファイバ１３は、ファイバ束１２に近接して配置され、主発光ファイバ１２２と同じ出射方向を有する。一実施形態では、補助発光ファイバ１３はファイバ束１２に結合されているが、他の実施形態では、補助発光ファイバ１３はファイバ束１２内のファイバのうちの１つとしてファイバ束１２に配置されている。困難なアクセス領域における対象物の表面粗さを測定するために、ファイバ束１２の直径は、小さいサイズに設計されている。例えば、一実施形態では、ファイバ束１２の直径は約２．１ｍｍであり、ファイバ束１２のファイバ１２２および１２４の合わせた数は１２７である。

【0016】

図１および図２を参照すると、図２は、図１の表面粗さ測定装置１０の模式的な部分図であり、測定する対象物２０と共に示してある。いくつかの実施形態では、光学ハウジング１４は、ファイバ束１２を係合するように構成され、その一端に開口１４１を画定するハウジングである。ファイバ束１２の遠位端部は、補助発光ファイバ１３と共に、開口１４１を通して光学ハウジング１４の少なくとも一部において保持される。一実施形態では、光学ハウジング１４の直径は約３．０ｍｍである。主反射鏡１５は、光学ハウジング１４内に配置されて、ファイバ束１２に光学的に結合され、一実施形態では、主反射鏡１５は、ファイバ束１２の主発光ファイバ１２２からの光が主反射鏡１５に当たって、対象物２０の上へ反射するように、ファイバ束１２に対して位置決めされる。一実施例では、主反射鏡１５は、ファイバ束１２の主発光ファイバ１２２からの光に対して約４５度に配向される。主反射鏡１５の反射面積は、いくつかの実施形態では、ファイバ束１２の断面積に等しいかまたはそれより大きく、それによって、集光ファイバ１２４が、後続のデータ処理で対象物２０の粗さを算出するのに十分な反射光を主反射鏡１５から集光できることを保証している。

【0017】

補助反射鏡１６は、光学ハウジング１４内に配置され、補助発光ファイバ１３に対して位置決めされており、一実施例では、補助反射鏡は、補助発光ファイバ１３に対して４５度未満の傾斜角度、例えば２５〜３５度などに配向される。本図に示す実施例では、補助発光ファイバ１３と補助反射鏡１６との間の距離は、ファイバ束１２と主反射鏡１５との間の距離より小さい。

【0018】

光学ハウジング１４は、主反射鏡１５の反射面の下方に開口１４２を画定する。すなわち、レーザビーム「ａ」が主発光ファイバ１２２から主反射鏡１５へ出射されると、主反射鏡１５で反射された反射レーザビーム「ａ」は開口１４２に対してほぼ垂直に送信される。さらに、レーザビーム「ｂ」が補助発光ファイバ１３から補助反射鏡１６へ出射された場合に、補助反射鏡１６で反射された反射レーザビーム「ｂ」が、開口１４２の同一検出点付近で主反射鏡１５で反射された反射レーザビーム「ａ」と交差するように、補助反射鏡１６の配置が配向される。

【0019】

すなわち、対象物２０が開口１４２に近接している場合には、反射レーザビーム「ａ」および「ｂ」は、対象物２０の測定面の同一検出点にそれぞれ送信される。補助反射鏡１６の傾斜角度は、光学ハウジング１４内の補助反射鏡１６の実際の配置位置に応じて変化させることができる。光学ハウジング１４のサイズは、通常、小さい（例えばわずか３．０ｍｍ）ので、光学ハウジング１４は、対象物２０のいくつかの困難なアクセス領域、例えば内側孔および小溝などにアクセスすることができ、表面粗さを測定することができる。他の実施形態では、光学ハウジング１４、ファイバ束１２、主反射鏡１５、および補助反射鏡１６の形状設計は、様々な設計要件および基準に従って変化させることができる。

【0020】

再び図３を参照すると、ファイバ束ハウジング内に配置された複数の光ファイバがあり、図示するように、主発光ファイバ１２２は中央に位置し、主発光ファイバ１２２を取り囲む集光ファイバ１２４を有する。主発光ファイバ１２２は、１つまたは複数のフィバであってもよいことを理解されたい。ファイバ束１２のファイバは、行および列の形式に配置されて示しているが、他の実施形態では、ファイバを他の形式に配置することができる。

【0021】

図４ａを参照すると、主発光ファイバ１２２から出射して、主反射鏡１５、対象物２０、および主反射鏡１５でそれぞれ反射された反射光「ｃ」を示す模式図である。図４ａは、反射光「ｃ」の２つのビームのみを示している。典型的には、反射光「ｃ」のビームの数は、通常、対象物２０の粗さによって決定される。対象物２０の粗さが高い場合には、反射光「ｃ」のビーム数が多くなる。対照的に、対象物２０の粗さが低い場合には、反射光「ｃ」のビーム数は少なくなる。複数の集光ファイバ１２４は、後続のデータ処理のために反射光「ｃ」を集光するために使用される。

【0022】

図４ｂを参照すると、補助発光ファイバ１３から出射して、補助反射鏡１６、対象物２０、および主反射鏡１５でそれぞれ反射された反射光「ｄ」を示す模式図である。図４ｂは、反射光「ｄ」の２つのビームのみを示している。典型的には、反射光「ｄ」のビームの数は、対象物２０の粗さによって決定される。対象物２０の粗さが高い場合には、反射光「ｄ」のビーム数が多くなる。対照的に、対象物２０の粗さが低い場合には、反射光「ｄ」のビーム数は少なくなる。複数の集光ファイバ１２４は、後続のデータ処理のために反射光「ｄ」を集光するために使用される。

【0023】

図５ａを参照すると、一実施形態による、図１の表面粗さ測定装置１０の外部回路のブロック図が示されている。一実施例における外部回路は、レーザ発生器４１、ビームスイッチ４２、光検出器４３、信号処理部４４、および結果ディスプレイ４５を含む。

【0024】

一実施形態によれば、レーザ発生器４１は、信号処理部４４からの駆動信号に従ってレーザビームを生成するために使用される。ビームスイッチ４２は、レーザ発生器４１からのレーザビームを集光し、信号処理部４４からの切換信号に従って、主発光ファイバ１２２から出射されるレーザビーム「ａ」または補助発光ファイバ１３から出射されるレーザビーム「ｂ」となるように、レーザビームを切り換えるために用いられる。さらなる実施形態では、レーザ発生器４１からの１つのレーザビームを用いて、２つ以上のレーザビームを得るために、光分波器を使用することができる。別の実施形態では、レーザビーム「ａ」およびレーザビーム「ｂ」を生成するためにそれぞれ使用される２つのレーザ発生器４１があってもよく、ビームスイッチ４２はもはや必要とされない。

【0025】

光検出器４３は、主反射鏡１５で反射されて、複数の集光ファイバ１２４により集光された対象物２０からの反射光「ｃ」および「ｄ」（鏡面反射光および散乱反射光を含む）を検出し、後続のデータ処理のために、検出された反射光「ｃ」および「ｄ」の強度を電圧信号などの対応する電気信号に変換するために用いられる。本実施例における光検出器４３は、通常、単一の光検出器であるが、他の実施形態では、２つ以上の光検出器を、冗長性を提供するために、ならびに／または反射光信号「ｃ」および「ｄ」ごとに個別の光検出器を提供するために、使用することができる。

【0026】

信号処理部４４はまた、光検出器４３から変換された電気信号を集めて、検出された反射光「ｃ」および「ｄ」に基づいて生成された変換された電気信号に基づいて、対象物２０の検出された位置の表面粗さを算出するために用いられる。信号処理部４４は、１つまたは複数のプロセッサと、データならびにソフトウェアルーチンおよびアルゴリズムを記憶するための付随するメモリと、を含むことができる。データおよび結果は、対象物２０の測定した表面粗さのデータベースを作成するために記憶することができる。

【0027】

結果ディスプレイ４５は、対象物２０の検出された位置の表面粗さの算出結果を表示するために使用される。本実施例では、結果を表示することを示しているが、後続の再検討のために、結果を別の場所に記憶または伝送することができる。さらなる実施形態では、表面粗さが対象物について許容可能であるかどうか判断するために、結果をいくつかの所定のしきい値と比較する。表面粗さが許容範囲内である場合には、対象物は許容可能である。しかし、表面粗さがしきい値を超える場合には、その対象物は拒否される。

【0028】

図５ｂを参照すると、別の実施形態による、図１の表面粗さ測定装置１０のブロック図が示されている。図５ａの実施形態と比較すると、図５ｂの表面粗さ測定装置１０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）４６および光分波器４７をさらに含むことができる。光分波器４７は、反射光「ｃ」および「ｄ」を２つの伝送チャネルに分波するために使用され、１つの伝送チャネルは、反射光「ｃ」および「ｄ」を光検出器４３に伝送するために使用され、他の伝送チャネルは、反射光「ｃ」および「ｄ」をＣＣＤ４６に伝送するために使用される。ＣＣＤ４６は、対象物２０の表面粗さを決定することができる反射光「ｃ」および「ｄ」の光画像を直接示すために用いられる。いくつかの実施形態では、光検出器４３および光分波器４７は任意であり、ＣＣＤ４６のみが、対象物２０の表面粗さを測定するために使用される。ＣＣＤ４６はまた、他のタイプの光撮像装置に置き換えることができる。

【0029】

図６ａを参照すると、対象物２０の２つの異なる材料の反射率について、対象物２０の粗さと主発光ファイバ１２２からの検出された反射光「ｃ」の強度との相関関係の比較を示す図が示されている。曲線６１は、対象物２０の第１の材料の反射率に対応し、曲線６２は、対象物２０の第２の材料の反射率に対応する。他の実施形態では、２つの曲線６１および６２は、異なる材料の反射率を有する２つの対象物２０にそれぞれ対応する。２つの対象物２０の材料の反射率が異なるので、２つの曲線６１および６２も異なる。換言すれば、異なる材料の反射率を有する多数の対象物２０を測定する必要がある場合には、その粗さは検出した反射光「ｃ」のみに基づく。曲線６１および６２のように、対応する数の曲線を前もって処理する必要がある。曲線６１および６２などのそれらの曲線は、適切なアルゴリズムにより処理することができる。

【0030】

図６ｂを参照すると、対象物２０の２つの異なる材料の反射率について、対象物２０の粗さと補助発光ファイバ１３からの検出された反射光「ｄ」の強度との相関関係の比較を示す図が示されている。曲線６３は、対象物２０の第１の材料の反射率に対応し、曲線６４は、対象物２０の第２の材料の反射率に対応する。他の実施形態では、２つの曲線６３および６４は、異なる材料の反射率を有する２つの対象物にそれぞれ対応する。２つの対象物２０の材料の反射率が異なるので、２つの曲線６３および６４も異なる。換言すれば、異なる材料の反射率を有する多数の対象物２０を測定する必要がある場合には、その粗さは検出した反射光「ｄ」のみに基づく。曲線６３および６４のように、対応する数の曲線を前もって算出しておく必要がある。曲線６３および６４などのそれらの曲線は、適切なアルゴリズムにより算出することができる。

【0031】

図６ｃを参照すると、対象物２０の２つの異なる材料の反射率について、対象物２０の粗さと、主発光ファイバ１２２および補助発光ファイバ１３からの検出された反射光「ｃ」および「ｄ」の強度により算出された比率と、の相関関係の比較を示す図が示されている。この比率は、対象物２０の材料の反射率と検出された反射光「ｃ」および「ｄ」の強度とによって算出される。すなわち、比率曲線６５は、曲線６１および６３により算出され、比率曲線６６は、曲線６２および６４により算出される。一例としては、この比率は、以下の式により算出される。Ｒ＝（ｋＭＩ−ｋＡＩ）／（ｋＭＩ＋ｋＡＩ）＝（ＭＩ−ＡＩ）／（ＭＩ＋ＡＩ）。ここで、Ｒは比率であり、ｋは材料の反射率であり、ＭＩは曲線６１および６３に対応するような検出された反射光「ｃ」の強度であり、ＡＩは曲線６２および６４に対応するような検出された反射光「ｄ」の強度である。対象物２０が第１の材料の反射率を有する場合には、対応する比率Ｒは上式に基づいて算出され、例えば、比率曲線６５は上式を用いて曲線６１および６３に基づいて算出され、また比率曲線６６は上式を用いて曲線６２および６４に基づいて算出される。

【0032】

上式Ｒ＝（ｋＭＩ−ｋＡＩ）／（ｋＭＩ＋ｋＡＩ）＝（ＭＩ−ＡＩ）／（ＭＩ＋ＡＩ）において、材料の反射率パラメータｋが消去されているので、比率曲線６５および６６はほぼ同じである。したがって、材料の反射率がどのようなものであっても、対応する比率曲線は同一であり、対象物２０の粗さを算出するためにただ１つの比率曲線（６５または６６）が決定されるが、これは表面粗さ測定装置１０を較正することを簡単にし、それによって効率が向上する。例えば、比率曲線６５を前もって決定しておき、表面粗さ測定装置１０を用いて第１の対象物の粗さを測定した後に、主発光ファイバ１２２および補助発光ファイバ１３からの検出された反射光「ｃ」および「ｄ」の強度がそれぞれ信号処理部４４で算出され、それから決定された比率曲線６５および上式に基づいて、第１の対象物の粗さを算出することができる。第２対象物が表面粗さ測定装置１０によって測定されると、決定された比率曲線６５および上式に基づいて、第２の対象物の粗さも算出することができる。すなわち、異なる材料の反射率を有する異なる対象物の粗さを算出するためには、ただ１つの決定された比率曲線６５が必要となる。換言すれば、この表面粗さ測定装置１０は、材料の反射率の変化の影響を補償することができる。

【0033】

図７ａを参照すると、表面粗さ測定装置１０のスタンドオフ距離と、主発光ファイバ１２２からの検出された反射光の強度に基づいて光検出器４３により算出された電圧値と、の相関関係を示す図が示されている。スタンドオフ距離と電圧値との関係は、図７ａの曲線７１に示されている。明らかに、おそらく作業場の振動に起因するスタンドオフ距離の変動は、算出された電圧値に影響を与える。すなわち、主発光ファイバ１２２からの検出された反射光のみを用いる場合に、スタンドオフの変動は測定された粗さ結果に影響を与える。図７ａでは、曲線７１の変化率は約１２％である。「スタンドオフ距離」という用語は、装置１０の開口１４２から対象物２０の関心領域までの距離を意味する。

【0034】

図７ｂを参照すると、表面粗さ測定装置１０のスタンドオフ距離と、補助発光ファイバ１３からの検出された反射光の強度に基づいて光検出器４３により算出された電圧値と、の相関関係を示す図が示されている。スタンドオフ距離と電圧値との関係は、図７ｂの曲線７２に示されている。明らかに、スタンドオフの変動は、算出された電圧値に影響を与える。すなわち、補助発光ファイバ１３からの検出された反射光のみを用いる場合に、スタンドオフの変動は測定された粗さ結果に影響を与える。図７ｂでは、曲線７２の変化率は約１７％である。

【0035】

図７ｃを参照すると、表面粗さ測定装置１０のスタンドオフ距離と、主発光ファイバ１２２および補助発光ファイバ１３の両方からの検出された反射光の強度に基づいて算出された粗さと、の相関関係を示す図が示されている。スタンドオフ距離と算出された粗さとの関係は、図７ｃの曲線７３に示されている。同様に、主発光ファイバ１２２および補助発光ファイバ１３からの検出された反射光の両方を用いる場合にも、スタンドオフの変動は算出した粗さに影響を与える。しかし、主発光ファイバ１２２と補助発光ファイバ１３とを組み合わせることにより、スタンドオフの変動の影響を低減することができる。図７ｃでは、曲線７３の変化率は、１２％および１７％より小さく、わずか約５％である。したがって、表面粗さ測定装置１０は、振動の状況による影響をほとんど受けない。

【0036】

図８ａを参照すると、表面粗さ測定装置１０の３つの異なる測定位置Ｘ、Ｙ、Ｚを示す模式図が示されている。対象物２０を測定する前に、通常、対象物２０の加工マーク２２の方向を前もって決定しておく必要がある。すなわち、例えば測定位置Ｙが適切な測定位置であるように、粗さ測定処理中には測定方向は加工マーク２２に垂直でなければならない。

【0037】

図８ｂを参照すると、表面粗さ測定装置１０の測定角度と、表面粗さ測定装置１０により補助発光ファイバ１３から検出された散乱強度と、の相関関係を示す図が示されている。補助発光ファイバ１３からの散乱強度は、垂直な測定位置Ｙにおいて最も大きいことが理解される。表面粗さ測定装置１０は、対象物２０の表面上で回転され、結果ディスプレイ４５は、散乱強度の曲線を同時に表示することができる。補助発光ファイバ１３からの散乱強度が最も高い値に達した場合は、表面粗さ測定装置１０の測定方向Ｙが加工マーク２２に対して垂直になったことを意味し、この場合に、対象物２０の表面粗さを測定位置Ｙにおいて算出することができ、正確な粗さ測定値を得ることができる。

【0038】

図９ａを参照すると、さらに別の実施形態による、図１の表面粗さ測定装置１０のブロック図が示されている。図５ａの実施形態と比較すると、図９ａの表面粗さ測定装置１０は、光検出器４３に代えて光検出器アレイ４８を適用している。いくつかの実施形態では、光検出器アレイ４８の光検出器の数は集光ファイバ１２４の数に等しく、集光ファイバ１２４からの反射光をそれぞれ検出して、後続のデータ処理のために、検出された反射光の強度を電圧信号などの対応する電気信号に変換するために使用される。

【0039】

本実施例では、信号処理部４４は、光検出器アレイ４８の光検出器から変換された電気信号を集めるためにさらに使用される。光検出器アレイ４８からの検出信号は、変換された電気信号に基づいて強度画像を算出するために処理部４４で処理することができ、強度画像は結果ディスプレイ４５に表示することができる。例えば、図９ｂは、集光ファイバ１２４の強度分布を示す４つの強度画像９１、９２、９３、９４を示す。図示を容易にするために、強度画像９１、９２、９３、９４の各々は、集光ファイバ１２４の強度分布の一部分のみを示している。本実施例では、強度画像９１、９２、９３、９４の強度は徐々に減少する。すなわち、画像９１、９２、９３、９４に対応する対象物２０の表面粗さ値は、徐々に増加する。異なる表面粗さ値に対応するいくつかの参照画像を予め決定することができる。それから、ユーザは算出した強度画像を所定の参照画像と比較することにより、対象物２０の大まかな粗さを決定することができる。他の実施形態では、光検出器アレイ４８は、表面粗さを算出する光検出器４３として機能することもできる。

【0040】

別の実施形態では、対象物の表面粗さの履歴データを時間的に比較して、表面粗さの変化を示すことができる。ベースラインデータを後に続く表面粗さデータと比較することにより、診断および予知解析を実現することができる。

【0041】

図１０を参照すると、別の実施形態による、表面粗さ測定装置１０の模式的な斜視図が示されている。図１と比較すると、図１０の粗さ測定装置１０は、別の補助発光ファイバ１７および別の小型の補助反射鏡１８をさらに含む。これに対応して、ビームスイッチ４２は、主発光ファイバ１２２、補助発光ファイバ１３、および補助発光ファイバ１７に対する３つのチャネル切換をそれぞれ提供する（図示せず）。

【0042】

補助発光ファイバ１７は、ファイバ束１２に近接して配置され、主発光ファイバ１２２と同じ出射方向を有する。補助反射鏡１８は、光学ハウジング１４内に配置される。補助発光ファイバ１３と比較して、補助発光ファイバ１７は９０度方向に配置されており、それに対応して、補助反射鏡１８は補助反射鏡１６と比較して９０度方向に配置されている。さらに、レーザビーム「ｅ」が補助発光ファイバ１７から補助反射鏡１８へ出射された場合に、補助反射鏡１８で反射された反射レーザビーム「ｅ」が、開口１４２の同一検出点において主反射鏡１５で反射された反射レーザビーム「ａ」と交差することを、補助反射鏡１８の配置はまた満足しなければならない。すなわち、対象物２０が開口１４２に近接している場合には、反射レーザビーム「ａ」および「ｅ」は、対象物２０の測定面の同一検出点にそれぞれ送信される。さらに、反射レーザビーム「ｅ」および「ａ」によって形成される平面は、反射レーザビーム「ｂ」および「ａ」によって形成される平面に対しておよそ直交している。補助反射鏡１８の傾斜角度は、異なる実施形態では、光学ハウジング１４内の補助反射鏡１８の実際の配置位置に応じて変化させることができる。

【0043】

同様にして、反射レーザビーム「ａ」および「ｅ」に基づいて、対象物２０の表面粗さも、上述した算出方法によって算出することができる。表面粗さ測定装置１０のサイズ要件および形状により、幅狭孔などのアクセスが困難な領域では回転できない場合がある。そのような状況では、表面粗さ測定装置１０は、図８ａおよび図８ｂで述べたように対象物２０の加工マーク２２の方向を測定することができない場合がある。このシナリオでは、対象物２０の表面粗さは、反射レーザビーム「ａ」および「ｂ」に基づいて算出され、さらに反射レーザビーム「ａ」および「ｅ」にも基づいて算出される。対象物２０の２つの表面粗さ値が算出された後に、２つ表面粗さ値の大きい方が実際の表面粗さとして決定され、これによって測定精度を向上させることができる。他の実施形態では、粗さ測定装置１０は、複数の補助発光ファイバ１７および補助反射鏡１８を含むことができ、測定精度をさらに高めるために、３つ以上の表面粗さ値を算出することができる。

【0044】

本発明について例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、またその要素を等価物で置き換えることができることは、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付した特許請求の範囲に入る全ての実施形態を含むことが意図されている。

【0045】

任意の特定の実施形態に基づいて、上述した全てのこのような対象物または利点が必ずしも達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって、例えば、当業者には明らかなように、本明細書に記載されたシステムおよび技術は、本明細書で教示または示唆されるように他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点もしくは１群の利点を達成または最適化する態様で具現化または実施してもよい。

【符号の説明】

【0046】

１０ 表面粗さ測定装置
１１ ケーブルアダプタ
１２ ファイバ束
１３ 補助発光ファイバ
１４ 光学ハウジング
１５ 主反射鏡
１６ 補助反射鏡
１７ 補助発光ファイバ
１８ 補助反射鏡
２０ 対象物
２２ 加工マーク
４１ レーザ発生器
４２ ビームスイッチ
４３ 光検出器
４４ 信号処理部
４５ 結果ディスプレイ
４６ 電荷結合素子（ＣＣＤ）
４７ 光分波器
４８ 光検出器アレイ
６１〜６４ 曲線
６５、６６ 比率曲線
７１〜７３ 曲線
９１〜９４ 強度画像
１２２ 主発光ファイバ
１２４ 集光ファイバ
１４１ 開口
１４２ 開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図6a】

【図6b】

【図6c】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図10】