JPH03501163A - 光線の回折によりワイヤ、プロファイルまたは円形部の直径を測定する方法およびこの方法を実行するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光線の回折によりワイヤ、プロファイルまたは円形部の直径を測定する方法およ びこの方法を実行するだめの装置 本発明は光線の回折によりワイヤ、プロファイル（ｐｒｏｆ　ｉ　Ｉｅ）または 円形部の直径を測定するための方法に関する。さらに、本発明は、上記の方法を 実行するだめの装置に関する。

本発明の基本原理は公知であり、かつ、回折現象に依存するものである。この回 折現象は、特に波長Ｓの単色可干渉光のビームにより特徴づけられており、この ビームの平行光線は、下記の光学系により焦点に集められる。すなわち、光線の 軸に垂直であってかつ光学系の焦点に位置する平面上に特定の焦点距離を有する ような光学系である。

添付図面の第１図は上記回折現象を用いた公知の装置を概略的に示すものである 。第１図において、Ｓは光源を示している。さらに、Ｌ、は、光線Ｒのオリジナ ル・ビーム（ｏｒｉｇｉ−ｎａｌ　ｂｅａｍ）から平行光線Ｒ１のビームを生成 するだめの光学系を示し、かつ、Ｌ２は、この光学系の焦点Ｆ１ならびに光軸に 対して垂直な平面り上に光線Ｒ２を集めるための焦点距離Ｆを有する光学系を示 している。さらに、上記の平面内に参照文字Ｃにより示される回折エネルギを測 定するだめの装置が配置されており、この装置からの信号は任意の適当な手段に より集められて分析される。

もし、直径ｄのワイヤまたはこの直径ｄのスリットを有する絞りのような物体へ が平行光線の場Ｒ３に置かれたならば、複数の回折縞が平面りに形成される。こ の一連の回折縞の中心は光軸Ｙ、Ｙ’に一致し、かつ、ピッチ、すなわち２つの 縞間の距離は、上記平行光線の場の中の物体の位置に無関係である。それゆえに 、ワイヤやスリットのケースでは、上記縞は、ＦＩを通過すると共に上記物体の 物理軸（ｐｈｙｓｉｃａｌａｘｉｓ）と垂直な軸に沿って広がる。

ここで、目的とする縞のピッチを得るために提案される補足的な装置および新し い方法によってもたらされる重大な改善と簡単化を紹介するにあたり、上記の周 知の回折現象の概要を述べておく。ｄの値は、光エネルギの分布に対する下記の 式（１）を適用することにより決定される。すなわち、サイン関数は′１／ｕ” 関数に従って減衰する。このため、（ｄ／ｕ）２で示される信号のエンベロープ Ｖが、のように導き出される。

半波形のピッチは、“Ｓｌｎ”　ｕ”関数の周期により与えられる。さらに、上 記の式（２）よりピッチＸＯＯ値がのように導き出される。

ｘｏＯ値は、明らかにＮ個の縞に対するＸを測定することにより決定される。

直径ｄの値は上記の演算結果から容易に決定されることが理解されるであろう。

上記の回折の説明および応用は、理論上理想的な信号に適用されるものである。

実際には、上記半波形は、正規のサイン波形とはかなり異なった位置に信号を発 生する重大な雑音に影響される。このため、周縁部における縞の位置の測定精度 は、ある範囲内の縞の数により分割される縞の半分程度に制限される。

上記の測定精度を改善するために、下記の縞を得ることが必要である。すなわち 、極度に正確な電気変換を行った後に複数の縞間の距離を計算するに際し、これ らの縞の中心を正確に決定することができるように、光エネルギの分布が理論的 な分布にひじょうに近くなっているような縞である。このような縞を得ることが 、これから詳述される所定の特性を有する適当な光源を提供する本発明の目的の １つである。この場合、上記光源の役割は、要求される精度に対して極度に重要 なものである。

出願人の知る限りでは、例えば、スイス特許５６５．９９０号とフランス特許２ ．３３５．８２４号および２．２７５．７６４号に記載されているように、レー ザ形光源が一般に使用されるために、上記の精度は要求どおりにはなっていない 。なお、上記の３つの従来特許に関しては、詳細な説明を省略することとする。

もし、ガスレーザまたは狭帯域の半導体レーザが光源であるならば、この光源か らのビームは、極微量の塵埃や、使用される光学系の欠陥に対してひじょうに敏 感になってしまう。

このため、偽りの信号を発生ずる小規模の縞に対応する光学系が生じ、要求され る測定結果の精度が悪くなる。

しかしながら、なお一層重要な要因が下記の事実により発生ずる。すなわち、工 業的環境においては、ワイヤや打ち型や球の表面は必ずしも完全ではない。これ らの表面の欠陥（荒れていること）ならびにフィルタを通していないレーザビー ムの存在により、信号が顕著に乱されて綿量の距離の測定精度がかなり大幅に低 下する。

その上、通常使用されるレーザ形光源により直接放射されるビームは、エネルギ の観点からすればかなり不均一なためにこのエネルギの分布において大きな変動 を生ずる。この変動によっても、得られるスペクトルの縞の振幅が乱される。

本発明では、上記の不都合を解消するために、光ビームをフィルタにより処理す る装置を使用して空間の高調波に影響されない均一なエネルギ分布を有する可干 渉性の光ビームを生成するようにしている。このような光ビームは、産業上への 適用に際してフィルタを使用した装置には一切言及していない他の文書（例えば 、スイス特許５６５．９９０号）に記載されているレーザビームとは異なるもの である。上記の本発明における条件の下では、回折現象の外乱に対する感知性が はるかに弱くなり、得られる信号が理論的な信号とほぼ同一になる。

さらに測定精度を高めるために、センサが光信号の元の形状を完全に復原するこ とを可能にさせなければならない。直線状のＣＣＤＣ小形ダイオードアレイの使 用により、かなりの正確さでもって光エネルギを直接電気信号に変換することが 可能となる。光感応形直線アレイセンサ（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔ　１ｖｅｌｉ ｎｅａｒ　ａｒｒａｙ　５ｅｎｓｏｒｓ）においては、このセンサの応答を一点 毎に予め較正しておくことにより複数の点にわたる応答の広がりを修正して処理 することが可能となるようにしている。

上記タイプのセンサの飽和を防止するために、最高のエネルギ・ピークまたは信 号をマスクしたり打ち消したりすることによって、得られる回折スペクトルの中 から受容可能な振幅を有する対称の縞のみを復原するようにしている。この対称 の縞は、所要の値の分析および計算に使用される。

本発明の方法の１つの利点は、測定値が平行光線の場の中の物体の位置に無関係 なことである。ワイヤまたはスリットに対する唯一の制限は、上記物体をセンサ に垂直な状態に保持する必要性から生ずる。

他の箇所で述べた従来の装置と比較したときの本発明の装置の利点は、下記の事 実から生ずる。すなわち、その構成が簡単かつ頑丈である事実と、振幅および位 置に関して理論的な関数とほぼ同一の信号を生成することができる事実と、極度 に正確な直径の計算を行うことができる事実とである。本発明の装置を設計する ことによって、公知の装置、特にスイス特許５６５．９９０号に記載されている 装置とは異なり、高能率性、簡単さ、コンパクト性および頑丈さを備えた工業上 の測定装置を実現することが可能となる。上記のスイス特許５６５、９９０号に 記載されている測定装置は、回折現象を利用しているが、大きくて複雑な回転式 マスクを有する機械的な走査装置を用いている。上記回転式マスクは、光信号を 積分する効果を有しているために、ある与えられたマスクに対する測定装置の測 定能力は、ひじょうに小さな範囲の直径に限定されてしまう。さらに、上記測定 装置は、得ることが難しくかつ信号減衰曲線を調整しない中心部の縞を減衰させ るための光学フィルタを有している。この光学フィルタのために、与えられた縞 の中心部の検出精度が低下する。本発明により提案される方法および装置は上記 のすべての不都合を解消するものである。

本発明は、光線の回折により下記の工程に従ってワイヤ、スリットおよび円形部 の直径を測定する方法を提供している。

すなわち、空間的に均一に分布する光エネルギを有する平行光線からなる可干渉 性のビームの場を生成するために単色の光源をフィルタにより処理する工程と、 上記のワイヤ、プロファイルおよび円形部を一定の方位に保つと共にその位置ず れをそれ自身と平行な方向にのみ許容した状態で、ワイヤ、突出部または円形部 材を上記場の中に置く工程と、光学系の焦点であってかつ光線の軸に垂直な平面 内に配置されたセンサの位置上に、適当な焦点距離を有する光学系によって」１ 記光線を焦点に集める工程と、上記センサを較正した後に中心部の領域の両側に 生ずる回折縞の像を直接電気信号に変換するために、上記ビームからの最高の光 束を受け取る中心部の領域をマスクする工程と、次の式による光エネルギＥの分 布によって条件付けられる上記電気信号を分析する工程とであここで、ｄ：評価 対象の直径 Ｘ：焦点からの距離 Ｆ：光学系の焦点に集められる光線の焦点距離δ：単色の光源の波長 である。

さらに、その他の特性によれば、 すべての光線のビームが微細な開口部を通過するように仕向けることにより光エ ネルギの均一な空間的分布およびその可干渉性が得られ、 かつ、単色の光源はガスまたは半導体レーザであってもよく、 また、センサは、振幅および位置に関して光信号の元の形状を完全に復原する能 力がなければならない。

さらに、本発明は、上記の方法を実行するだめの装置にも向けられている。この 種の装置は、好ましくは、下記の構成要素を備えている。

すなわち、ガスまたは半導体レーザのような単色の光源と、この光源により放射 される光線の行路上に微細な開口部を有し、かつ、コリメータレンズの焦点上の 光軸に置かれる絞りと、 特定の焦点距離を有する光学系と、 この光学系の焦点面に位置し、かつ、上記光軸に垂直な直線状のセンサ（光に感 応する複数の点の列）と、このセンサの中心部、すなわち中央の領域に配置され るマスクと、 上記センサに接続される分析器／計算機交換システムとである。

１つの実施例においては、微細な開口部を有する絞りの代わりに光学ファイバ系 が設けられている。

本発明におけるその他の利点および特性は、添付図面（第１図〜第３図）を参照 しながら述べていくことによってさらに明確になるであろうと思われる。

ここで、第１図は、既に説明したように、公知の回折現象を示す光学的な図であ る。

第２図は、本発明の方法を示す光学的な図である。

第３図は光エネルギ分布曲線であり、第４図は第３図に示す曲線を修正した後に 得られる曲線である。

以下図面に沿って本発明を説明することとする。第２図は本発明の方法を実行す るだめの光学装置を図示している。第２図において、前記第１図の場合と同一の 構成要素や同様の役割および同様の機能を有する構成要素は、前記第１図で既に 使用された参照文字により示すこととする。

例えばレーザ源のような単色の光源Ｓは光線Ｒ５のビームを放射し、この光線Ｒ ３のビームは光学系Ｌ３により平行光系Ｌ４により、この光学系の焦点面に位置 すると共に焦点Ｆ２に微細な開口部を有するスクリーンＭ２上に集められる。こ こで、上記開口部は可干渉性の光線Ｒからなる光束を放射する。この光束におけ る光エネルギの空間的分布は均一になっている。なお、上記の光学システムの代 わりに光学ファイバ形システムを用いてもよい。さらに、上記光束は光学系Ｌ　 ＋により平行光線のビームに変換された後、Ｌ、によりセンザＣ上に集められる 。好適実施例において、このセンサＣは光素子センサ（ｐｈｏｔｏｅｌｅｍｅｎ ｔ　５ｅｎｓｏｒ）であり、さらに好ましくは、この種のセンサは、例えば、１ ７２８点の光素子、すなわち、１３×１９！１ｒａの基本サイズおよび１３−の ピッチを有する複数の光素子を備えた直線状のＣＣＤ形センサである。このＣＣ Ｄ形センサは分解能が高く、かつ、全体の寸法がコンパクトになると共にひじょ うに安定な測定パラメータを提供する。

本発明によれば、中心部の領域において、最高の光束の位置に合うようにマスク Ｍ３が配置されている。

センサは、任意の適当な変換手段、分析手段および計算手段に接続されている。

例えば、第２図では、Ａ／Ｄコンバータ（ａｎａｌｏｇ／　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃ ｏｎｖｅｒｔｅｒ）　Ｃ’＋を介して計算機Ｃ２に接続されている。

当然のことながら、上記センサから理想的な応答を得るためには、黒レベルおよ び感度に関して特に温度を考慮した上で上記センサを較正し、光素子の応答を正 規化することが必要である。

さらに、任意の適当な装置により光素子のピッチを較正することも可能である。

このような条件の下ですべての光素子の応答を修正した場合には、これらの応答 はすべて同一とみなすことができる。したがって、結果として得られる電気信号 により、Ｅ　（ｘ）を正確に表示することができる。

上記の較正により、要求される直径を測定する際に関係する定数を同一にするこ とも可能である。上記較正は下記の方法により実行される。

すなわち、既に詳述したように、上記光学システムの光軸上の光束におけるエネ ルギ量がひじように大きくなってセンサが飽和するのを防止するために、このセ ンサの中心部の領域をマスクする方法である。最終的な計算に必要なパラメータ を同一にするために上記の較正を行えば、上記パラメータが光学的および機械的 な組立にのみ依存するケースが起こり得る。このケースでは、ワイヤＡ（第２図 ）を光線Ｒ５の場の中に置くことにより回折現象が生じ、ワイヤの直径がどのよ うな値であっても正確に算出される。上記ワイヤは、光束Ｒ，およびセンサＣに 対してほぼ直角に配置される。下記に説明する測定および／または計算が実行さ れ、さらに、第３図および第４図に示すような曲線が作成される。ここで、第３ 図の斜線部は、マスクされた後のセンサの中心部の領域に対応している。

同じ振幅を有する対称の縞が、マスクされた中心部の領域の両側に見られる。マ スクの両側での縞のピッチは、センサの目盛り（第３図の点Ｐ）の中で最初の零 交差点Ｐｉｊおよび２番目の零交差点Ｐｉｊ十ｔ　を識別することにより算出さ れる。

上記ピッチは前記（４）式から導き出される。すなわち、Ｐｏ　＝　Ｐｉｊ＋＋ 　−Ｐｉｊ　（６）のようになる。

２つの対称の縞の各々において、２つの半波形の各々に対応する互いに隣接した 零交差点の位置ｐＨおよびＰ２１が算出される。センサ上の縞の中心ＰＯはこれ ら２つの位置の中心に位置している。さらに、上記２つの縞の間（（Ｐ　１．１ −　Ｐ　２１）／Ｐｏによりマスクされた部分）に存在する半波形の数も決定さ れる。

さらに、上記（３）式を用いて修正を行うための減衰率Ｖ　（ｐ）が算出される 。すなわち、 ｐ＝Ｐ−Ｐｏ　（８） したがって、一点毎に関数Ｅ　（ｐ）に１／Ｖ　（ｐ）を乗算すれば、減衰が補 償されて“５ｉｎ２”とほぼ同一の関数Ｆ　（ｐ）を得ることができる。

この修正された曲線（関数Ｆ（ｐ））により、ピッチおよび中心をかなり正確に 計算することができると共により正確な係数Ｋを計算することができ、かつ、オ リジナル曲線をより正確に変換することが可能となる。もし、２次の反復法を実 行すれば、より満足した結果が得られる。さらに、直径測定の場合と同様に最小 自乗法を用いて縞の中心が得られる。

ここで得られる修正Ｖ　（ｐ）は、測定される直径には無関係であり、かつ、“ ５ｉｎ２”関数のピッチ測定を遂行するために縞の両側で捕捉された信号に対し て対称に適用される。この処理はセンサを較正する度に実行される。

パラメータＡは、基準直径より（７）式を用いて正確に計算することができる。

直径の測定 ここでは、２つの連続した縞の間に存在する零の位置を決定するという重大事が ある。この場合、上記２つの縞は、光学中心の両側にそれぞれ位置し、かつ、上 記２つの縞の間にある中間の縞の数Ｎができる限り大きくなるようにかなりの間 隔を有している。零の位置に関して充分な正確さを得るために、雑音の周期より もはるかに広い処理範囲にわたって信号に影響を与える残留雑音を補償する方法 を利用することが必要である。ここで用いられる方法は下記のタイプの近似関数 に基づいた最小自乗法である。すなわち、ｙ　（ｐ）　−ａ、（ｐ−ｂ）２＝ａ 、ｐ２−２．ａ、ｂ、ｐ、＋ａ、ｂ、’すれば、対称的な関数の中心の一致が見 られる。ここで、ｂはｙ関数の軸の位置を示し、ａは曲率を示している。反復法 における反復の回数を減らずために、上記の係数により、要求される値にごく近 い値を初期値として与えなければならない。曲率ａは計算を始める時点で決定さ れ、一連の複雑な測定に対しても固定されたままである。一方、中心すは体系的 に計算される。

これらのｂの値は、２つの零の両側においてピーク値の半分の値とみなされる“ ｓｉｎ”関数から得られる。

中心の初期値ｂｏは上記の２つの零点の中間位置に対応ずのように表される。

このパラメータからスタートして“５ｉｎ２”関数がピーク値の半分の値になる まで、零を含むすべての範囲にわたって下記の最小自乗法による分析が行われる 。すなわち、１　（ｂ）　−Σ　（Ｆ　（ｐｉ）　−ｙ　（ｐｉ））２（１２） １’　（ｂ）＝４．ａ、Σ　（Ｆ（ｐｉ）−ｙ（ｐｉ＞）、（ｐｉ−ｂ）　（１ ３）１”　（ｂ）　−４，ａ、Ｚ２．ａ、（ｐｉ−ｂ）２−　（Ｆ（ｐｉ＞−ｙ 　（ｐｉ＞）のようになる。

この最小自乗法では、工′−〇になるようなりをめている。さらに、このｂに加 えて変分ｄｂを計算するために、ニュートンの逐次近似法が用いられる。ここで 、のように表される。

上記のようにｙ　（ｐ）を設定して零の位置をめる方法においては、単一のパラ メータの追跡による連続的な動作により短期間で連続的に直径を測定することが 可能となる。この直径は、２つの極小値である零に対して最小自乗法を適用する ことにより得られるｂｌおよびｂ２ならびに上記中間の縞の数Ｎより（７）式を 用いて計算することができる。ここで、のように表わされる。

曲率ａはｙ　（Ｐ）関数を所定の点に適用することにより得られる（第４図参照 ）。

当然のことながら、例を用いてこれまで概説したすべての計算および曲線のプロ ットは、センサの出力側における任意の適当な手段により実行される。すなわち 、ラインＱを介してシステムＣ１およびシステム０２等に伝達される信号を変化 させたり変換したり分析したりすることにより実行される。

これまで述べてきた本発明は、ワイヤの直径および直線形部材（ｌｉｎｅａｒ　 ｍｅｍｂｅｒｓ）におけるスリットの直径を測定する場合や、円形部の直径を測 定する場合に均等に適用され得る。

この後者の場合では、回折現象により同心円の環状の縞が発生し、これらの環状 の縞によりプロファイルの直径を決定することが可能となる。

したがって、ワイヤの場合には、このワイヤの位置が、それ自身に対して平行に なるように変化することが保証される限りでは、光線Ｒ１の場の中に上記ワイヤ を送り込むことによってその直径を連続的に決定することができる。もし、上記 の位置変化が保証されないときは、得られた結果に大きな誤差が生ずるおそれが ある。

最後に付は加えておくと、この場合には、ワイヤの進行に対して平行となるよう な位置ずれを可能にするためのガイドまたは支持部を備えれば充分である。

以上、本発明を好ましい実施例に基づいて説明してきたが、発明の範囲に反しな い限りにおいては、同等の手段に置き換えることにより任意の有用な変形例を提 供することが可能であることはいうまでもない。

−一一一一＾−−−１−ＫＴ／ＰＲ８８７００５７Ｂ　−２−国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．空間的に均一に分布する光エネルギを有する平行光線からなる可干渉性のビ ームの場を生成するために単色の光源をフィルタにより処理する工程と、 ワイヤ、プロファイルまたは円形部を一定の方位に保つと共にその位置ずれをそ れ自身と平行な方向にのみ許容した状態で、前記ワイヤ、前記プロファイルまた は円形部を前記場の中に置く工程と、 光学系の焦点であってかつ光線の軸に垂直な平面内に配置されたセンサの位置上 に、適当な焦点距離を有する前記光学系によって前記光線を集める工程と、 前記センサを較正した後に中心部の領域の両側に生ずる回折縞の像を直接電気信 号に変換するために、前記ビームからの最高の光束を受け取る前記中心部の領域 をマスクする工程と、 次の式 Ｅ（ｘ）＝ｄ２〔ｓｉｎ　ｕ／ｕ〕２ または ｕ（ｘ）＝（π．ｄ．ｘ．／Ｆ．δ） により表される光エネルギＥの分布によって条件付けられる前記電気信号を分析 する工程とからなり、ここで、ｄ：評価対象の直径 ｘ：焦点からの距離 Ｆ：光学系の焦点に集められる光線の焦点距離δ：単色の光源の波長 であることを特徴とする、光線の回折によりワイヤ、プロファイルまたは円形部 の直径を測定する方法。
2. ２．すべての光線のビームが微細な開口部を通過するように仕向けることにより 、レーザビームからの光エネルギの均一な空間的分布およびその可干渉性が得ら れる請求項１記載の方法。
3. ３．すべての光線のビームが光学ファイバ系を通過するように仕向けることによ り、レーザビームからの光エネルギの均一な空間的分布およびその可干渉性が得 られる請求項１記載の方法。
4. ４．前記単色の光源が、ガスもしくは半導体レーザまたは任意の他の単色の光源 である請求項１，２または３記載の方法。
5. ５．前記センサは、振幅および位置に関して光信号の元の形状を完全に復原する 能力を有することが要求される請求項１，２，３または４記載の方法。
6. ６．単色の光源（Ｓ）と、 該光源により放射される光線の行路上に微細な開口部を有し、かつ、コリメータ レンズまたは光学ファイバ系の焦点上の光軸に置かれる絞り（Ｍ２）と、 特定の焦点距離を有する光学系（Ｌ２）と、該光学系の焦点面に位置し、かつ、 前記光軸に垂直なセンサ（Ｃ）と、 該センサの中心部、すなわち中央の領域に配置されるマスク（Ｍ３）と、 前記センサに接続される分析器／計算機交換システム（Ｃ１，Ｃ２）とを備える 、請求項１，２，３，４または５に記載の方法を実行するための装置。