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(1)論 ジ ア ル シ ェ ア 干 渉 計 を 用 い る 粗 面 の 形 状 計 測*. 安 達 正 明**大. Shape Measurement. Masaaki ADACHI,. 杉 博 人***平. Method. of Rough. Hiroto OOSUGI,. 林. 崇 †. 稲 部勝 幸 † †. Surface using a Radial Shearing. Takashi HIRABAYASHI. Interferometry. and Katsuyuki. INABE. A new shape measurement method of rough surface is proposed. The method utilizes a radial shearing interferometry consisting of two zoom lenses with different magnifying powers and a laser diode being able to change its wavelength in a small range less than 0.1 nm. The radial shearing interferometry, known as a kind of common path interferometer, is capable of obtaining a very stable specklegram even under normal vibrational circumstance. From the specklegrams two phase maps corresponding. to two slightly different laser wavelengths are extracted. The difference of phase values between two maps is nearly indepen-. dent of random speckle phase, but depends on optical path differences. Then shape of the rough surface can be calculated from the two phase maps through the optical path differences. The validity of the method is experimentally demonstrated. Key words: rough surface, shape measurement, radial shearing interferometry, laser diode, phase shifting. な る た め,測 定 系 が 空 気 じょ う乱 や 外 部 振 動 の影 響 を受 け や す. 1.緒. 言. くな っ て 測 定 環 境 が 限 られ る と い う こ とで あ る.我. 題 の重 要 性 を考 慮 し解 決 法 の1つ. 々 は こ の問. の 可 能 性 を 探 る 意 味 で,今 回. 光 を用 いる粗面 の形状 計測 では光 の直 進性 を利 用す るモア レ 法や光 切断法 が広 く用 い られて いる.こ れ らは測 定で きる空間 範 囲が広 く大 型物体 も対 象 と し得 るが,測 定原理 か ら照明方 向 と観測 方向 に角度 を持 たせる必要が ある1)2).その結果,深 い凹. 環 境 の影 響 を受 け に く い ラ ジ アル シ ェ ア干 渉 計 を用 い る 粗 面 形. 凸 を持つ 物体 では 陰が生 じやすい という欠点 が存 在する.一 方, 光 の干 渉 を用 いる形状測 定法 は照明 と観 測 を同方 向か ら行 うこ とが できて 非常に高精度 で ある反面,測 定範囲 が前後方 向に数. 影 響 しに く い.こ. 状 計 測 法 の 研 究 を 行 っ た,ラ. ジ アル シ ェ ア干 渉 計 で は 空 気 じ ょ. う 乱や 外 部 振 動 の 影 響 を 受 や す い測 定 光 学 系 と被 測 定 物 の間 が. 共 通 光 路 と な り,空 気 じ ょ う乱 等 が 光 路 差 す な わ ち干 渉 画 像 に の た め 鏡 面 の イ ンプ ロセ ス 形 状 計 測 にそ の応. 用 研 究 が な され て も い る6).2次. 元 的 変 化 を持 つ 粗 面 の ラ ジ ア. ル シェア干渉計 を応用す る形状計測 法の研究 は我 々の知る限 り. 十 μm以 下 と狭 く測定 対象が光学面 に限 られ るな どの制限が こ れ まで はあ った.. 作 動 距 離 で 形 状 測 定 す る 手法 の 研 究 に道 を 開 く も の と考 え る.. 近年,波 長 を容 易に変 える ことので きる高 出力な半 導体 レー ザ が出現 して上記 の状況は大 き く変化 した.粗 面 を対象 とす る. で あ り 出 力 が 大 き い(50mW)半. ま だ発 表 され た も の は な く,本 研 究 は 粗 面 物 体 を正 面 か ら長 い 今 回 は干 渉 光 源 に 波 長 変 更 が 狭 い 範 囲(<0.1nm)だ. 場 合で も干渉 を用 いて照明 と観 測 を同方 向 に取 りなが ら形 状計 測 を行 い得 る道が 開かれ たのであ る.そ して2波 長や3波 長の レーザ光 を用 いた粗面形状 の測 定法が 報告 され始 めた調.さ ら に非常 に広 い波長 範囲(数 十nm前 後)で も連続 して波長 変更 のでき る特 殊な最新 の半導体 レーザ 素子 を用 いる連続広域 波長. 近 接 す る2波 長(782.30nm,782.36nm)で. 走査 を利用 す る方 法5)も提案 され始 めた.後 者 は光学系 か らの 絶対 距離 も測定可 能な方法 であ り,精 度 の高 さな どか らも注 目 され る, これ ら光 干渉 を用 い る方 法は使用 する半導体 レーザが これ ま での レーザ光 源 に比べ極 めて低 消費 電 力でコ ンパ ク トな こ と, さ らには半導体 レーザ製造技 術 とそ の性 能が今 後 も改善 され て よ り安価 で高性能 な製 品 の出現 が予想 され るこ とな どか ら,将. 連 続 す る粗 面 を 持 つ 形 状 に 限 っ た.た. 来広 く普及す ると考え られ る.こ の意 味で現時 点で非常 に注 目 され る研究 開発 テーマ と言 える. しか し干渉 を用 いる粗面 形状計測 には普及 に際 し解決 され る べき大 きな 問題点 が少な く とも1つ ある、それ は光干渉 を用 い てお り,一 方で作動距 離(測 定 器 と被測 定物間 の距離)が 長 く *原 稿 受 付. **正 会 員. 平 成11年11月8日. 金沢 大学 大 学 院(金 沢 市 小立 野2‑40‑20). ***大 同 工 業(株)(加 †(株)デ ン ソー(刈. ††. 1236精. 賀 市 熊 坂 町) 谷市 昭和 町). 金 沢 大 学工 学部. 密 工 学 会Vol.66,NO.8,2000. リハ ラ ン法7))に. が可能. 導 体 レー ザ を 用 い た.そ. して. 位 相 シ フ ト法(ハ. よ る位 相 測 定 を 行 っ て い る.ス ペ ッ ク ル 干 渉. で は 粗 面 反 射 の 関 係 す る位 相 が 未 知 数 と して 干 渉 画 像 の 位 相 に 影 響 す る.こ. の未 知 数 を 除去 す る た め2波 長 を 用 い た位 相 測 定. で は1つ の 位 相 図 しか 得 られ な い3)4).そ こで 我 々 は 測 定 対 象 を だ し提 案 す る ラ ジ ア ル. シ ェ ア 干 渉 計 を用 い る形 状 計 測 の原 理 は,連 続 広 域 波 長 走 査 や. 段 差 測 定 を 可能 にす る3波 長 を用 い る 測 定 に も拡 張 で き る と考 え て い る.・. 2.測. 定. 光 干 渉 を用 い た 形 状 計 測 で は,形. 原. 理. 状 の情 報 を 光 路 差 情 報 を介. して 位 相 情 報 と して コ ン ピュ ー タ に 取 り込 む 必 要 が あ る.一 般 に レ ー ザ 波 長 は サ ブ ミ クロ ンで あ る か ら,光 路 差 が 振 動 や 空 気. の じ ょ う乱 に よ りほ ん の 少 し(0.1μm前. 後)変 化 して も位 相 は. 大 き く変 化 す る(干 渉 顕 微 鏡 で は この た め 干 渉 計 部 分 を 高 剛 性 に 作 る).通. 常,粗. 面 物体 の形状 計測 では測 定対象 物が 大き く. (干渉 顕 微 鏡 で 測 定 す る 物 体 と比 較 して)作. 動 距 離 も 長 い.そ. の 結 果 非 常 に 外 乱 の影 響 を受 けや す く な る.. この 外 乱 の 影 響 を受 け に く くす る光 干 渉 法 と して 発 展 して き. た のが 共 通 光 路 干 渉 計 で あ る.干 渉 を 与 え る2つ. の光 路 が ほ ぼ.

(2) 安達 ・大杉 ・平 林 ・稲部:ラ ジアル シェア干渉計を用いる粗面の形状計測. Fig.2. Sectional profiles on the x axis for the original object and the enlarged one. z is height. g(x) is the distance between the origi-. Fig. 1 Shear directions b, c, d in a radial shear image. f(x,y) is a contour of original object and f(ax,ay) (a<1.0) is of an enlarged one. A center of the object coincides with the conespondingpoint of the enlarged one. nal surfac f(x) and the enlarged surface f(ax). 式(1)は. それ ぞれ. g(ax)=f(a2x)‑f(ax). 同 じ空 間 位 置 で 同 じ反 射 物体 か ら作 られ る た め,振 動 や 空 気 じ ょ. g(a2x)=ノ(a3x)‑f(a2x). う 乱 は両 方 の 光 路 に ほ とん ど 等 し く影 響 し,そ の 結 果 光 路 差 に は影 響 しに くい.そ. (2). g(α3x)=f(a4x)‑f(a3x). こ で 我 々 は 最 も簡 単 な 共 通 光 路 干 渉 計 で あ. る 一 方 向 の み へ の シ ェ ア 干 渉 計 を用 い る 形 状 計 測 法 を こ れ まで 研 究 して き た8).し か し一 方 向 の み に シ ェ ア す る(ず. らす)た. め シ ェ ア方 向 の 形 状 計 測 しか 行 い 得 ず,全 方 向 に 形 状 変 化 を持 つ物 体 を測 定 す る とき は最 初 にあ る シ ェ ア 方 向 で測 定 を 行 い,次. と な る.こ. れ ら す べ て の 式 を 上 下 に 加 え あ わ せ る と 次 の 式(3)が. 得 ら れ る.. に最 初 の 方 向 と直 角 に シ ェ ア 方 向 を変 更 して 再 度 測 定 を 行 って, 最 後 に2つ の 測 定 デー タ か ら2次 元 形 状 を 復 元 す る 必 要 が あ っ. 〓(3). た. こ の複 雑 さを 解 消 し測 定 途 中 の シ ェ ア 方 向 変 更 作 業 で の 誤 差 混 入 を避 ける 方法 と して研 究 した の が 今 回 報 告 す る ラ ジア ル シ ェ ア干 渉 計 を 用 い る 形 状 計 測 法 で あ る9). ラ ジア ル シ ェ ア 干 渉 で は 同一 物 体 か ら作 られ る拡 大 倍 率 の異 な る2つ. の像 を 用 い る.2つ. 部 分 が 来 る よ う に 重 ね,視. の 像 を観 察 視 野 の 中心 付 近 で 同 じ 野 中心 以 外 で は結 果 と して 一 方 の 像. に対 し も う一 方 の 像 を視 野 中心 か ら遠 ざ か る 方 向 に シ ェ ア させ て 干 渉 させ る方 法 で あ る.図1に. こ の 式 で 右 辺 の 第1項. は αがa<1.0で. な 値 を 採 る と き測 定 原 点(視. 示 す の は ラ ジ アル シ ェ ア 干 渉. で 見 られ る2つ の 物 体 像 の モ デ ル 図 で あ る.モ デ ル 物 体 は ラグ. あ る か らnが 十 分 大 き. 野 中 心)の. 断 面 デ ー タ と な り,第. 2項 は 測 定 した い 箇 所 の 断 面 デ ー タ と な る.一 方 で 左 辺 は 二 重 像 の表 面 の 間 隔 か らコ ン ピュ ー タ で簡 単 に計 算 さ れ る 量 で ある. 故 に 図2のf(x)を. 包 含 す るareaDの. 領 域 デ ー タ が 求 め られ れ ば. 形 状 計 測 が 可 能 とな る, 次 に 図2に. 示 す 二 重 の 像 表 面 が作 る 間 隔 を半 導 体 レー ザ を 用. いて 測 定 す る 方 法 を述 べ る.半 導 体 レー ザ は波 長 が 可 変 で ある.. ピー ポ ール の よ う な 回 転 楕 円体 形 状 を 想 定 して い る.f9x,y)で 示. まず 波 長 λ 、の レー ザ 光 で像 表 面 の 間 隔g(x)が 作 る光 路 差2g(x). す も の は 倍 率 が1で,f(ax,ay)(α<LO)で. の 干 渉 像 に 関 して,ハ. 示 す もの は 倍 率 が 約. 1.5と 大 き く,そ れ らは 視 野 中心 で 同 一 部 分 が 重 な っ て配 置 され る.こ こ で,b,c,dは. そ の ベ ク トル 上 に お け る シ ェ ア方 向 と. リハ ラ ン法(対. 雑 音性 の良い位相 シフ ト. 法 と して 知 られ る7))に よ り位 相 ψ1(x)を 求 め る とψ1(x)は 次 式 と な る.. な る. 次 に こ の二 重 像 か ら 像 の 粗 面 形 状 を 求 め る 方 法 を 述べ る.以 下,式(3)ま. で の二 重 像 間 隔か ら3次 元 形 状 を復 元 す る方 法 は 文. 献6)で 報 告 され て い る デ ー タ処 理 法 と 基 本 的 に 同 じで あ る,こ こ で は よ り簡 単 な 表 現 と し半 導 体 レー ザ か ら の2波 長 の使 用 方 法 も 含 め た 全 方 向 の形 状 測 定 法 を述 べ る,図2に 線 を 図1のb方. 示 す2つ. の曲. 向 に シ ェ ア さ れ た 横 倍 率 の異 な る2つ の 像 の 断. 面 形 状f(x)とf(ax)と. す る(y=Oな. f( x,O)=f(x)と 置 く).こ. こ で1/a(a<1.0)は. の で 表 現 を簡 略 化 して 倍率 の大き い像の. 〓 (4) こ こで φ,(x)は 粗 面 で の 反 射 で 生 じ る 空 間 的 に ラ ンダ ム な 値 を と る位 相 の 成 分 で あ り,ま たBは つ光 路 差 で あ る.同. 用 い る干 渉 光 学 系 が 構 造 上 持. 様 に 波 長 λ2を 用 い て 位 相 ψ2(x)を 求 め る. と次 式 と な る.. 拡 大 率 で あ る.こ の 時,視 野 中心 か らxの 位 置 で の 像 表 面 の 間 隔g(x)は 次 式 で 与 え られ る.. g(x)=f(ax)‑f(x). (1). 〓 (5) こ こ で λ1≒ 用)と. こ の 式 にx=axな. ら び にx=atx(i=2,3,4,・. ・)を代 入 す る と. λ2(実. 験 で は λ1=782.30nm,λ2=782.36nmを. 使. して 位 相 の 粗 面 反 射 に よ る ラ ン ダ ム 成 分 を φ1(x)=φ2〔x). と 仮 定10)す. る と,ψ12(x)=ψ1(x)‑ψ2(x)で. 精 密 工 学 会 誌Vol.66,No,8,2000. 与 え ら れ る ψ12(x). 1237.

(3) 安達 ・大杉 ・平林 ・稲部:ラ ジアルシェア干渉計を用 いる粗 面の形状計測. Fig.3. Optical layout of a radial shearing interferometry and a light source. An object is illuminated along the same direction to. Fig.4. PZT actuator setup for phase shifting. Large beam splitter in. measurement one. Dotted lines mean a contour of black plas-. Fig.3 is moved by PZT actuator. Light .l, reflected by the. tic cover of the interferometry. moved splitter takes path length shorter than that of light l2. 向 の距 離Sの 移 動 は 光 路 差 をSだ け変 化 させ る(Sが 数 μmと. は 次 の よ う に な る.. さ い た め 図4のl1とl2に. 小. 沿 っ て 進 ん だ 光 は ほ ぼ 同 じ経 路 を 走 っ. て カ メ ラ の 同 じ画 素 に入 る.そ. の 結 果,圧. 電 素 子 が 伸 び る こと. に よ りl1はl2に対 しheの 長 さ,す な わ ちSだ け 光 路 が 短 くな る). 〓 (6) これ らの 値 は 光 路 差:2g(x)+Bを. 大 型 ピー ム ス プ リ ッタ を 通 過 した2つ 波 長 λ'=1/(1/λ1‑1/λ. 2). を 用 い て 干 渉 測 定 した と き に得 られ る 位 相 と 同 じ で あ る. と ころ で 位 相 シ フ ト法 に よる2波. 長 での位相 測定 では波 長を. 変 え る 前 後 で 複 数 枚 の 画像 を取 り込 む 必 要 が あ る.こ 長 で 測 定 時 間 が 少 しず れ,光. 路 差Bが. え な い.ま た 我々 が 欲 しい の はg(x)だ け で あ る.故 はな くψ. の ため 波. い つ も 同 じ に な る とは 言 にψ. 12(x)=ψ. 12(x)で. 12〔x)‑ψ12(O)で与 え られ る ψ 12(x)を考 え た. g(x)は 式(1)よ りg(O)=Oで あ る の で ψ 12(x)は次 式 と な る。. の 異 な る2つ. 像 レ ンズ は 同 時 期 に購 入 し た(同 ニ ッ コ ー ル35‑105で mm×25mmの よ う,も. の光 は ミ ラー に よ り倍 率. の 結 像 レ ンズ に そ れ ぞ れ に 向 け られ る(図3).結 ロ ッ ト と考 え られ る)ズ ー ム. あ り,一 方 は 測 定対 象 物 表 面 で の25. 領 域 をCCDカ. メ ラ の画 素200×200に. 取 り込 め る. う 一 方 の ズ ー ム レ ンズ は10mm×10mmの. 素200×200に. 領 域 を画. 取 り込 め る よ うに 調 整 した.ズ. る 結 像 位 置 は レ ンズ 背面 か ら後 方 約50mmの の 口径 が 大 き くて(直. 径50mm以. 上),小. ー ム レ ン ズ によ. 所 に あ り,レ ンズ 型 ピー ム ス プ リ ッタ,. を 介 して2つ. の像 をカ メ ラ受 光 面 に そ の ま ま 結 像 さ せ る こ とが. で き な い.そ. こ で 後 方 に1倍. の リ レー レ ン ズ を 入 れ,リ. レーレ. ン ズ直 後 に 小 型 ビー ム ス プ リ ッタ を置 い て2つ の 像 をCCD受 〓 (7)こ の ψ. 12(x)と1=782.30nm,λ2=782.36nmを. か らg(x)を 算 出 し,ア ン ラ ッ プ(3.2測 と)後. に式(3)か ら最 終 的 にb方. 光. 用 い て 式(7). 面 に 正 面 か ら入 射 さ せ て い る.受 光 面 の 直 前 の 偏 光 板 は 測 定 物. 定 結 果 の 節 を参 照 の こ. 体 で の 粗 面 反 射 で 偏 光 方 向 が 一 部 ラ ン ダ ム に変 化 し,受 光 面 上. 向 の粗 面 形 状f(x)を 求 め る .. b方 向 以 外 の任 意 の方 向 の 形 状 に 関 して も 図1か. ら分 か る よ. で の2つ の 光 が 互 い に 異 な る 偏 光 成 分 を含 み,結. 果 と して 干 渉. じ まの ピ ジ ビ リテ ィ を下 げ る こ と を 回 避 す る た め に 入 れ て いる.. う に そ の 方 向 に シ ェ ア さ れ た 干 渉 像 の光 強 度 デ ー タ が 得 られ て. 以 上 の光 学 系 は マ ッハ ー ツ ェ ンダ ー 干 渉 計 を 含 む もの で あ っ て. い る の で,b方. 完 全 な 共 通 光 路 干 渉 計 で な い.し か し形 状 測 定 に お い て 最 も問. 向 と 同 じよ う に して 形 状 を 計 算 す る.. 題 とな る測 定 光 学 系 と被 測 定 物 の 間 が共 通光 路 とな っ て お りマ ッ 3.実. ハ ー ッ ェ ンダ ー 干 渉 計 も外 乱 の 影 響 を 受 け に く い よ う に して あ. 験. る.こ 3.1実. 験装置. 実 験 に用 い た 測 定 光 学 系(上 図3に. 示 す.半. の た め ラ ジ ア ル シ ェ ア干 渉 計(共. 通 光 路 干 渉 計)の. 特徴. コ ン ピュ ー タ に 装 着 さ れ た 画 像 取 込 み ボ ー ドは64Mbyteの. メ. を持 つ も の と して こ こで は 取 り扱 っ た. 方 か ら見 た光 学 素子 配 置 図)を. 導 体 レ ー ザ は電 流 注 入 に よ り波 長 が 容 易 に 可 変. な フ ァブ リー ペ ロ型(日 立 製HL7851G:出. 力50mW)を 用 い, レー ザ か ら の発 散 ビー ム光 を大 型 レ ン ズ で 平 行 光 に して か らペ リク ル ビー ム ス プ リ ッ タ(薄 い 膜 か らな る ス プ リッ タ で 振 動 や. 空 気 じ ょ う乱 の 影 響 を 受 け や す い .し か し大 口径 で 安 価)を 介 して 観 測 方 向 よ り被 測 定 物 体 に 当 て て い る .被 測 定 物 体 は ペ リ. モ リを 搭 載 して お り,圧 電 素 子 で ピー ム ス プ リ ッタ を ゆ っ く り 移 動 し続 け た 時 の 干 渉 画 像 を30枚/sの コ ン ピ ュ ー タ へ取 り込 め る.取. 速 度 で 連 続 して128枚. り込 ん だ 画 像 は 取 込 み 順 に10枚. ず つ 平 均 し(ラ ンダ ム ノイ ズ を抑 え る た め),平 均 画 像 か ら同 一 .画素 で の ピー ム ス プ リ ッ タ の移 動 に伴 う光 強度 の変 化 を調 べ ,そ れ ぞ れ π/2の 位 相 差 を持 つ 平 均 画 像 を5枚 抜 き 出 して ハ リハ ラ. クル ビ ー ム ス プ リ ッタ の 前 方 約35cmに 配 置 し た 。 物 体 か ら観 測 方 向 へ の 反 射 光 は ペ リ クル ピー ム ス プ リツ タ を通 過 し て 大 型. ン法7)を 用 い て 位 相 を 評 価 した.. キ ュ ー ブ ビ ー ム ス プ リ ッ タ に入 る ,図3の. 器 で 注入 電 流 と発 振 波 長 の変 化 の 関 係 を求 め て お き,実. 点 線 は黒 色 ア ク リル. 半 導 体 レ‑ザ の発振. 長 は,あ. ら か じめ250mm焦. 点 の分光 際の測. 板 で 作 られ た 箱 型 の お お い で あ り,大 型 キ ュ ー ブ ビー ム ス プ リ ッ. 定 で は こ の関 係 を 利 用 して 注 入 電 流 か ら計 算 して い る.以 下 に. タ 等 か らな る 干 渉 計 が 外 乱 の影 響 を受 け に く くな る よ う に して. 述 べ る形 状 測 定 で 用 い た 波 長 は λ1=78230,λ2=782.36nmで. い る.図4に. 示 す よ う に キ ュ ー ブ ビ ー ム ス プ リ ッタ は圧 電 素 子. で 光 軸 方 向 に 数 μm移 移 動 はコ ンピュ. 1238精. 動 で き る よ う に して あ り. ,ス プ リ ッタ の. 夕 に よ っ て 制 御 さ れ る .ス プ リ ッ タ の光 軸 方. 密 工 学 会 誌Vol. .66,No.8,2000. あ り,波 長 変 化 は0.1nm以. 下 と な っ て い る.一 般 に 半 導 体 レ ー. ザ の 発 振 波 長 は素 子 の 温 度 と注 入 電 流 に よ っ て 変 化 す る こ と が 知 ら れ て い る.故. に 素子 に は 温 度 制御 器 を付 け る べ き だ ろ うが,.

(4) -ƒÎ. 安 達 ・大 杉 ・平林 ・稲 部:ラ. ジ ア ル シ ェ ア干 渉 計 を用 い る 粗 面 の 形 状 計 測. Fig.5 The first measured object. Fig.7. Measured shape. x range (from 0 to 40) and z range (from - 200 to 50) correspond to 10mm and 8mm long respectively. 場 合 は 計 算 位 置 を取 り巻 く4ピ ク セ ル 位 置 で のg(x.y)を 基 に,計 算 位 置 と4ピ. ク セ ル 中心 位 置 ま で の距 離 情 報 を基 にg(x.y)を 内. 挿 計 算 して い る 。 こ れ ら の 形 状 計 測 の測 定 精 度 は 用 い る 波 長 と 波 長 差41,取. 込. 画 像 に 含 まれ る ラ ン ダ ム ノ イ ズ の 強 度(故. に 半 導 体 レー ザ の 出. 力 や レ ン ズ の 絞 り)等 に 強 く依 存 す る.故. に形状計測 の 手法 に. よ る 測 定 精 度 を抜 き 出 して 評 価 す る こ とは 難 し い.し か し本 方 法 で 得 ら れ る 計 測 精 度 に つ いて は 何 らか の 評 価 が 必 要 と 思 わ れ る.そ. こで 我 々 は 図7の 測 定 結 果 か ら測 定 精 度 の評 価 を 行 っ た.. 図7で. は 三 角 柱 を 測 定 して い る が,そ. の斜面 は完 全な平 面で あ. る と仮 定 し,測 定 結 果 に 最 も近 い 完 全 平 面 と測 定 結 果 を 比 較 し て そ の ず れ の 標 準 偏 差 を 求 め た.そ Fig.6. Measured ƒÎ and. phase.. -ƒÎ,. Perfect. respectively.. white. and. Gray. means. black. mean. phase. phase. of. between ƒÎ. 0.14㎜ and. で あ る こ と が 分 か り た.こ. の 結 果 か ら標 準 偏 差 は. の値 は横方 向の平均 処理 か. ら横 分 解 能 が(25mm/200)×3=0.4mmと. して 得 られ た も の. で あ る. 三 角 柱 以 外 に 高 圧 ガ ス の バ ル ブ キ ャ ッ プ の一 部 も形 状 測 定 し 装 置 は 高 価 で あ っ て測 定 原 理 の 検 証 に は 必 ず し も必 要 で な い た. た.表. め 本 実 験 で は 用 い て い な い.. 定 した 結 果 を 図8に. 3.2測. 示 す.ま. た 図9に. は2次 元 変 化 を 持 つ 身 近. な も の と して ガ ラ ス ビーカ を取 り上 げ て そ の 注 ぎ 口 付 近 を 計 測. 定結 果. し た 結 果 を 示 す.. 本 実 験 で 最 初 に 測 定 した の は 直角 を 挟 ん で20mm×20mmmの 幅面 を持つ 直角三 角柱 に酸化 マグネ シウム の粉 を吹き付 けた粗 面 で あ る(図5).直. 面 に は 酸 化 マ グネ シ ウ ム の 粉 を 吹 き 付 け 同 様 な 条 件 で 測. 角 三 角 柱 の 材 料 は 木 で あ る.3つ. の平行な. 稜 が 垂 直方 向 に立 ち,直. 角 に 接 す る 稜 が 視 野 中心 に 来 る よ う に. して 形 状 を 測 定 した.ハ. リハ ラ ン 法 を用 い て2つ. 共 に途 中 で シ ェ ア 方 向 を 変 え る こ とな く,ピ ー カ の 注 ぎ 口で は二 次 元 的 な 変 化 を有 す る形 状 が 測 定 で きて い る. これ らは す べ て 被 測 定 物 と測 定 光 学 系 の 間 が 才ー プ ンな 環 境. の波長 で位 相. で ペ リク ル ピ ー ム ス プ リ ッ タ を使 用 して 測 定 で き て お り,実 験. をそ れ ぞ れ 測 定 して 式(7)で 与 え られ る 位 相 の 差 を描 画 した 結 果. 装 置 の 耐 振 動 性 や 耐 空 気 じ ょ う 乱 性 が 高 い こ と を 示 す もの で あ. を 図6に. る.. 示 す.図6は. の10mm×10mm(画 お り,ラ. 示 し た 物 体 を 手 前 上 方 か ら見 た 時. 素80×80)の. 領 域 の位 相 の 差 を 示 して. 棄 の 領 域 で 位 相 差 デ ー タ を 平 均 して い. の 結 果 に は 位 相 の 飛 び(位. 相 値 の 変 化 に伴 う 一π か ら π. の 飛 び,ま た は そ の 逆 の 飛 び)が あ る の で 飛 び を ア ン ラ ップ(飛 び の な い 画 像 に 回 復)し,ア 計 算(式(7)か 第2項. 4.結論. ンダムな雑 音成分 を なるべ く除去す るた めに測定 点 を. 中 心 と す る3画 素×3画 る.こ. 図5に. ン ラ ッ プこう結 果 を 基 に 式(3)の 左 辺 を. (1)本 論 文 で は,レ ら行 い 得,測. ー ザ 光 の 照 射 と反 射 光 の 測 定 が 同 方 向 か. 定 光 学 系 と 被 測 定 物 間 の 距 離 が 長 くて も 外 部. 左 辺 か ら右 辺. 振 動 や 空 気 じ ょ う乱 の影 響 を 受 け に く い 共 通 光 路 干 渉 計 を. 示 す.横. 方 向は メ ッシュ. 利 用 した 粗 面 物 体 の 形 状 計 測 法 を新 た に 提 案 し,形 状 測 定. 素 分 を1メ. ッシ ュで 示 した.. らg(x)を 求 め て 計 算)し た.式(3)の. のf(x)を 計 算 した 結 果 を 図7に. が 見 や す く な る よ う に2画 素×2画. 以 上 の 本 論 文 の 内 容 は 以 下 の よ う に ま と め る こ と が で き る.. 式(3)の 左 辺 に 関 して はg(anx,any〕 のanx.anyが0.5(ピ. クセ ル). が 可 能 で あ る こ と を確 認 した. (2)こ. の 方 法 で は ラ ジ ア ル シ ェ ア 干 渉 計 を 使 用 す る こ と で2. 以 下 に な っ た 時 点 でそ れ 以 上 の計 算 を終 了 した.ま た 計 算 に は,. 次 元 的 形 状 変 化 を有 す る 粗 面 物 体 も測 定 で き た(我. ピ ク セ ル の 中 心 座 標 以 外 の 位 置 で のg(x.y)も. る 限 り共 通 光 路 干 渉 計 を 利 用 した 粗 面 物 体 の 形 状 測 定 で は,. 必 要 に な る.こ. の. 精 密 工 学 会 誌Vol.66,No.8,2000. 々 の知. 1239.

(5) 安達 ・大 杉 ・平林 ・稲部:ラ ジアルシェ ア干渉 計を用いる粗面 の形状計測. 1方 向 に シ ェ ア を与 え て 測 定 す る方 法 しか 報 告 例 が な く,1 次 元 的 変 化(シ. ェ ア 方 向 の 変 化)を. で に測 定 で き て い な い(例. 有 す る 物 体 しか こ れ ま. え ば 文 献11)).. (3)ま た 可 動 部 は ビー ム ス プ リ ッ タ部 分 に しか な く,移 動 量 も数 μm前. 後 で あ って 駆 動 に 圧 電 素 子 を用 い て いる た め に. 機 械 的 な ガ タ は 発 生 し に く く,繰. り返 し使 用 に 耐 え る 構 造. とな っ て い る.. 参. 湾. 文献. 1) K. J. Gasvik: Optical Metrology, 2nd Ed., John Wiley & Sons Ltd., (1995) 161. 2) 大 澤 尊 光,浅. 野 秀 光,古. 谷 涼 秋,高. 増. 潔,大. 園 成 夫:多. 値 パ タ ー ン投 影 に よ る3次 元 形 状 測 定(第3報),精. 密工学 会. 誌,64,2(1998)236.. 3) T.Maack, G. Notni and W. Schreiber: Three-coordinate MeasureFig 8,. Measured. shape of a part of cylinderical. x range corresponds. gas valve cover,. to 10mm long and z range corresponds. ment of an Object Surface with a Combined Two-wavelength and Two-source Phase-shifting Speckle Interferometer, Opt. Common., 115, (1995) 576. 4) 安 達 正 明,稲 部 勝 幸:半. to 6mm long. 面 の 形 状 計測 ‐3波. 導 体 レ ー ザ を 用 い た 段 差 を持 つ 粗. 長 で の 位 相 測 定 を用 い る 方 法‐. 精密. 工 学 会 誌,65,3(1999)418. 5) S. Kuwamura and I. Yamagucln: Wavelength Scanning Profilometry for Real-time. Surface Shape Measurement,. Appl.. Opt., 36,19. (1997)4473. 6)河 野 嗣 男,松 本 大 司,細. 越 剛 史,矢. 沢 孝 哲,宇. ジ ア ル シ ェ ア 干 渉 計 に よ る オ ンマ シ ン測 定,精. 田. 豊:ラ. 密 工 学 会 誌,. 65,3(1999)443.. 7) Placiharan, B.FOreb and T.Eiju: Digital Phase -Shifting Interferometry - A Simple Error - Compesating Phase Calculation Algorithm-, Appl. Opt., 26, (1987) 2504. 8) 大 杉 博 人,安 達 正 明,稲 した 形 状 計 測,1997年. 部 勝 幸:シ. ェア ログラ フィを利用. 度精 密工学会秋 季大 会学術講演 会講. 演 論 文 集,(1997)461. 9) 平 林. 崇,安. 達 正 明,稲. 部 勝 幸:ラ. ジアル シェア干渉 計 を. 用 いた 粗 面 物 体 の3次 元 形 状 測 定 法,1998年. 度精密 工学会. 秋 季 大 会 学 術 講 演 会 講 演 論 文 集,(1998)184. Fig.9. Measured. shape of a pouring. part of a beaker. x range corre-. sponds to 10mm long and z range corresponds. to 4mm. long. 10) G.Parry: Some Effects of Surface Roughness on the Appearance of Speckle in Polychromatic Light, Opt. Commun., 12, (1974) 78. 11) P. K. Rastogi : An Electronic Pattern Speckle Shearing Interferometer for the Measurement of Surface Slope Variations of Threedimensional Objects, Opt. and Lasers in Eng., 26, (1997) 93.. 1240精. 密 工 学 会 議Vol.66.No.8,2000.

(6)

参照

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