JP2748175B2 - オートコリメータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、オートコリメータに関し、特に被検物の傾
斜角度や平面性，面の粗さ等の検査用として使用するに
優れたオートコリメータに関する。

〔従来の技術〕

第５図は従来のオートコリメータの一例を示す構成図
である。

図において、12はタングステンランプ等からなる光
源、70は集光レンズ、40はハーフミラー、ハーフプリズ
ム（半透明プリズム）等のビームスプリッター、50はコ
リメータレンズ、55はオートコリメータの光軸に垂直に
設けられた定盤である。上記ビームスプリッター40によ
ってコリメータレンズ50の焦点面はビームスプリッター
40の透過側の焦点面51の他に、反射側（この例では光源
側）にも焦点面52の２つの焦点面が形成される。21は例
えば透明ガラス板の片面に十字線及び目盛り等のスケー
ルが刻印され、そのスケール面が焦点面51と一致するよ
うに設置された焦点板、22はピンホール若しくは十字線
が刻印された焦点板で、光源12及び集光レンズ70によっ
て照明され、そのスケール面が焦点面52に一致するよう
に設置された焦点板、56は定盤55上に載置された被検
物、92は焦点板21のスケール面を拡大観察するための接
眼レンズである。

前記オートコリメータを用いて、例えば鋼材からなり
両面を研磨した平行平面板の検査を行う場合について説
明する。予めコリメータレンズ50と焦点板21の中心を結
ぶ光軸に垂直に定盤55を設け、この定盤55の上に反射面
を有する正確な平行平面板を載置し、この反射面より反
射される光によって焦点板21上に結像する焦点板22のピ
ンホール又は十字線の像が、焦点板21の十字線と一致す
るように調整しておく。次に上記定盤55上に被検物56で
ある平行平面板を載置し、この平行平面板の上面より反
射する反射光によって焦点板21上に結像する焦点板22の
像を接眼レンズ92によって観察する。このとき焦点板22
のピンホールの像又は十字線の像と焦点板21の十字線と
が一致すれば平行平面板の表裏の面は平行であり、両者
が一致しないでズレているときは表裏の面は平行度不良
で傾斜しており、そのズレ量とコリメータレンズ50の焦
点距離から傾斜角度を求めることができる。また、焦点
板22のピンホール像又は十字線像が鮮明に歪まずに見え
れば平面度及び面の粗さが良好であり、また、ピンホー
ル像又は十字線像が歪んで見える場合は平面度が不良で
あり、コントラストが低く不明瞭である場合は面の粗さ
が大でいわゆる粗面であることを知ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本来前記オートコリメータでは、発光面積が微少で輝
度の高い点光源をコリメータレンズ50の焦点面52に置
き、この反射像を焦点板21のスケール面上に結像させる
ようにすると検査が容易かつ迅速に行うことができる。
しかし、従来簡便に使用できる光源としてはタングステ
ンランプしかなく、タングステンランプでは発光部の面
積を大きくしなければ十分な光量が得られず、被検物56
の面積も大きくなければ反射像の明るさも暗くなり、精
密な検査を行うことが困難であった。従って、従来は第
５図に示すようにピンホール若しくは十字線を刻印した
焦点板22を光源側の焦点面52に設置し、これをタングス
テンランプの光源12と集光レンズ70を用いて照明するよ
うにしていたのであるが、被検物56の面積が小さいとス
ケール像のコントラストが低く、かつ暗くなって検査が
できないこと、さらに光学系が複雑で組み立て調整が繁
雑であるという問題点があった。

本発明はこれらの点を解決して光学系が簡素で組み立
て調整が容易であり、検査がし易く、また被検物の面積
が小さくても容易に検査することのできるオートコリメ
ータを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、コリメータレンズとその焦点面の間にビ
ームスプリッターを設け、該ビームスプリッターによっ
て形成される前記コリメータレンズの２つの焦点面若し
くはこの焦点面と共役な平面の一つに半導体レーザーか
らなる光源を設け、他の焦点面若しくはこの焦点面と共
役な平面上に２次元撮像素子を設け、別に指標発生手段
を設けて、前記２次元撮像素子からの情報出力を前記指
標発生手段からの指標情報と併せてモニタテレビ上に表
示するよう構成したことを特徴とするオートコリメータ
によって達成される。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の実施例について説明する。

第１図〜第４図は本発明のオートコリメータの実施例
を示す図である、第５図と同一又は相当部分は同一符号
を用いて表示してあり、その詳細な説明は省略する。

第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。図に
おいて、10は例えば780nm単波長のレーザー光を発光す
る半導体レーザー、60は２次元の受光面を有する例えば
CCDセンサあるいはビジコン管等の２次元撮像素子（以
下撮像素子という）で、半導体レーザー10の発光部は焦
点面52の光軸上に、撮像素子60の受光面は焦点面51にあ
って、その中心が光軸と一致するように設置される。61
は撮像素子60から送出される画像信号を処理する画像処
理部、62は画像処理部61からの信号を受けて画像を表示
するCRT或は液晶表示器等からなるビデオモニタ、63は
ビデオモニタ62の表示部中心を原点とした極座標、又は
十字線と中心からの距離を表すスケール等を表示するた
めの信号を画像処理部61に送出する指標発生手段である
指標発生回路、64は画像処理部61からの信号によって被
検物56の被検面の傾き，平面性，表面粗さ等の特性を検
知・算出する特性検出回路、65は特性検出回路64から送
出された信号によって上記特性をディジタル表示するデ
ィジタル表示部である。上記スケールの中心は撮像素子
60の受光面上の光軸（中心）と一致するように組み立て
時に調整されている。

半導体レーザー10の発光部は直径１×３μｍ程度と微
少でありながら光出力は５〜50mWと大きく極めて高輝度
であり、また単波長でコヒーレントであるから、コリメ
ータレンズによって無収差の平行光束を発生させ、被検
物の形状に応じた回折像を撮像素子60受光面上に結像さ
せることができる。しかし現在半導体レーザーの波長と
して一般的な780nmの近赤外光では肉眼で直接観察する
ことは困難である。より短波長（例えば670nm）の半導
体レーザー光を用いれば肉眼での観察は可能であるが、
高反射率，大面積の被検物を観察したときは焦点面51に
結像する光像が極めて高輝度となり、網膜を焼損する恐
れがあり危険である。

本発明では撮像素子60を用い、その画像信号出力を信
号処理部61を経てCRT,液晶表示器等の別に設けたビデオ
モニタ62に表示するようにしているので半導体レーザー
を用いた利点を生かしながら上記危険を避けるようにし
たものである。

次に本発明の構成と作用について説明する。

半導体レーザー10より射出されたレーザー光は、ビー
ムスプリッター40によって反射され、コリメータレンズ
50によって精度の高い平行光線となり定盤55上の被検物
56の被検面に入射される。被検物56の被検面から反射し
た反射光は再びコリメータレンズ50、ビームスプリッタ
ー40を通過したのち撮像素子60の受光面に点状に結像す
る（以下これを光像という）。撮像素子60から送出され
る画像信号は画像処理部61において指標発生回路63から
送出された指標信号と合成されてビデオモニタ62に第４
図に示すように表示される。

本実施例ではさらに、画像処理部61において処理され
た画像信号（画像の走査信号）を特性検出回路64にも送
出して、例えば被検物56の被検面の傾き，平面性，表面
粗さ等の特性の測定結果をディジタル表示部65にディジ
タル表示するようにしている。

画像の走査信号より前記光像の形状を検知し、このデ
ータより光像の中心位置、光像の面積、光像の照度分布
とその積分値を求める方法は既に周知の技術で可能であ
るので詳細な説明は省略する。

第３図は本発明の画像信号処理を行う回路の一例を示
すブロック図である。図において、612はディジタル表
示を希望する場合に押圧する被検物測定ボタン、641,64
2,643は画像処理部61より送出される画像面を走査して
得られた画像信号に基づいて前記光像の形状を検知し、
そのデータから被検物56の傾き、平面性、表面粗さ等の
特性を検知・算出する特性検出回路64の各検知回路であ
る。641は光像の形状を検知したのちその中心位置を算
出し、この中心位置の光軸よりのズレを算出し、コリメ
ータレンズ50の焦点距離より決まる係数を記憶する予め
入力された換算メモリ641aからの係数とによって傾き量
に換算する被検物傾き検知回路であり、642は光像の形
状から面積を算出し、これを被検物56の種類に対応した
標準面積を予め入力し記憶した標準面積メモリ642aより
の標準面積と比較して被検物56の被検面の平面性を表す
数値に換算する被検物平面性検知回路であり、643は光
像の照度を検知しこの照度の光像全体の積分を行い、こ
の積分値と各種被検物の被検面の反射率及び反射面積か
ら決まる標準値を予め入力し記憶している標準値メモリ
643aからの標準値と比較して、被検物56の被検面の表面
粗さに相当する数値（例えばJIS規格によるRmax等に対
応）に換算する被検物表面粗さ検知回路である。651,65
2,653はディジタル表示部65の被検面傾き表示部、被検
面平面性表示部、被検面表面粗さ表示部である。なお、
ディジタル表示部65は別に設けず、共通に設けることも
可能であるし、また第４図の65aに示すように前記のビ
デオモニタ62の一部に表示することも可能である。

第４図の62aは被検物56の被検面の平行度（傾き）、
平面性及び粗さが良好な場合の光像を示していて、スケ
ールの中心に位置し微少な円形の光像となっている。被
検面の平行度が悪くなるに従い光像はスケールの中心よ
りズレ、平面性が悪くなるに従い光像は大きくかつ円形
から歪んだ形となり、平滑度が悪くなるに従い光像は不
明瞭になりその輝度が低下する。62bは被検面が不良の
場合の光像の一例を示している。

測定にあたっては、定盤55上に被検物56を載置し、ビ
デオモニタ62に光像が表示されたことを確認したのち被
検物測定ボタン612を押すと、前記撮像素子60より送出
される画像信号は画像処理部61、特性検出回路64を経た
のちディジタル表示部65又はビデオモニタ62の一部にデ
ィジタル的に表示されることとなる。

このように本発明のオートコリメータでは半導体レー
ザー10を使用しているので光源の輝度が高く光像がビデ
オモニタ62上に鮮明に表示され、必要な情報がアナログ
的に容易にかつ一度に得ることができるとともに、確実
に把握し易いディジタル的にもディジタル表示部65又は
ビデオモニタ62の一部に表示されることになる。

また、ディジタル信号により、良品と不良品との判別
を行い警報を発するようにすることも可能となり、検査
能率を格段に向上させることができる。

さらに、半導体レーザー10の使用は、これより発する
レーザー光が直線偏光となっているので、光路中に１枚
の偏光フィルターを挿入して回転するだけで光の強さを
減少させ調整することができるので調整上極めて便利で
ある。

なお、前記構成は、２次元撮像素子60をビームスプリ
ッター40の反射側の焦点面52に、半導体レーザー10を透
過側の焦点面51に設けるように変更してもよいことはい
うまでもない。また光路上に熱線吸収フィルタを配設
し、半導体レーザー10,2次元撮像素子60の保護を行うこ
とも勿論可能である。

第２図は本発明の他の実施例を示す構成図である。本
実施例では、焦点面51に結像する光像を結像レンズ90に
よって撮像素子60に写し込むようになっている。結像レ
ンズ90はズームレンズとなっており、必要に応じて拡大
倍率を変更すること（ズーム結像機能）ができる。91は
そのズーム部である。拡大倍率の変更に伴って指標発生
回路63の指標間隔、特性検出回路64中の換算値、標準値
も変更されるようになっている。この実施例ではさら
に、反射面がダイクロイックミラーからなるビームスプ
リッター41を光路中にビームスプリッター40に密接して
併設し、コリメータレンズ50の焦点面にほぼ相当する位
置に例えば赤色光または緑色光の可視光を発光する発光
ダイオード等からなるマーカー光源14を設け、定盤55に
向かって肉眼で見ることのできる平行光線（マーカー
光）を送出して検査可能範囲を表示するマーカー機能を
発揮することができるようになっている。ビームスプリ
ッター41のダイクロイックミラーは赤色又は緑色を反射
し長波長側の光を透過するものを用いているのでレーザ
ー光の減衰は殆どない。また、被検物56から反射して戻
るマーカー光はビームスプリッター40により総て反射さ
れるため撮像素子60へは入射しない。このようにして、
本実施例は被検物56の載置位置が容易に分かり、特に被
検物56が遠距離にあるときに特に有効である。また、必
要な測定精度、視野範囲に応じて拡大率を自由に変更で
きるという優れた特徴を有している。

マーカー機能と、ズーム結像機能はそれぞれ単独で実
施してもよい。また、例えば波長670nmの可視光を発す
る半導体レーザー10を用いた場合はこの光源自体でマー
カー機能を持たせることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば以上説明したような構成と画像信号処
理により、光学系の構成が極めて簡素となり、光源の輝
度が高く微少な被検面積の被検物をも検査が可能であ
り、しかも組み立て調整が容易で、一度に種々の検査情
報が正確に得られるという優れた効果をもったオートコ
リメータを提供できることとなった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す構成図、 第２図は本発明の他の実施例を示す構成図、 第３図は本発明の画像信号処理を行う回路の一例を示す
ブロック図、 第４図は本発明のオートコリメータによって得られるビ
デオモニタ画像を示す図、 第５図は従来のオートコリメータを示す構成図である。 10……半導体レーザー、14……マーカー光源 40,41……ビームスプリッター 50……コリメータレンズ 51,52……焦点面、55……定盤 56……被検物 60……２次元撮像素子（撮像素子） 61……画像処理部、62……ビデオモニタ 63……指標発生回路、64……特性検出回路 65……ディジタル表示部、90……結像レンズ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コリメータレンズとその焦点面の間にビー
   ムスプリッターを設け、該ビームスプリッターによって
   形成される前記コリメータレンズの２つの焦点面若しく
   はこの焦点面と共役な平面の一つに半導体レーザーから
   なる光源を設け、他の焦点面若しくはこの焦点面と共役
   な平面上に２次元撮像素子を設け、別に指標発生手段を
   設けて、前記２次元撮像素子からの情報出力を前記指標
   発生手段からの指標情報と併せてビデオモニタ上に表示
   するよう構成したことを特徴とするオートコリメータ。