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WO2008072369A1 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

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WO2008072369A1
WO2008072369A1 PCT/JP2007/001372 JP2007001372W WO2008072369A1 WO 2008072369 A1 WO2008072369 A1 WO 2008072369A1 JP 2007001372 W JP2007001372 W JP 2007001372W WO 2008072369 A1 WO2008072369 A1 WO 2008072369A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
measured
unit
optical system
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2007/001372
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Aoki
Koichiro Komatsu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP2008549196A priority Critical patent/JP5560558B2/ja
Priority to CN2007800464004A priority patent/CN101558281B/zh
Priority to EP07849805.2A priority patent/EP2093536B1/en
Publication of WO2008072369A1 publication Critical patent/WO2008072369A1/ja
Priority to US12/457,198 priority patent/US8049901B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • G01B11/12—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters internal diameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores

Definitions

  • the present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a hollow shape of an object.
  • the distance sensor method is a method of measuring the displacement of reflected light while projecting a laser beam inside a hollow and rotating the object to measure the hollow shape of the object (for example, see Patent Document 1). .
  • the measurement of the hollow shape provided in metal or the like is performed by rotating and moving the stylus base up and down while applying the stylus to the hollow inner surface with a stylus type three-dimensional shape measuring machine.
  • a stylus type three-dimensional shape measuring machine For example, see Patent Document 2.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 06 _ 3 8 8 20
  • Patent Document 2 JP-A-6-3 3 7 2 1 5
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 8-2 3 3 5 4 5
  • the distance sensor method according to the prior art cannot obtain information on the entire circumference of the hollow shape of the object at the same time, and it is necessary to rotate the object and the light source. There was also a problem.
  • An object of the present invention is to provide a high-precision hollow shape measuring apparatus and measuring method with little error and without performing complicated calculations with a simple configuration.
  • a measuring apparatus is a measuring apparatus for measuring an inner shape of a hollow object to be measured, and transmits light in a first direction that is the hollow depth direction.
  • a shape measuring unit that measures an inner shape of the object to be measured by obtaining a deviation from a predetermined reference position based on a detection result of the detecting unit.
  • a measuring optical system including the light transmitting unit, the converting unit, and the detecting unit, and a moving unit that relatively moves the object to be measured in the first direction
  • the shape measuring unit includes The inner shape of the measurement object is measured based on the detection result of the detection unit when the relative position between the measurement object and the conversion unit is changed.
  • the conversion unit converts the light transmitted from the light transmission unit toward an entire circumference in a direction substantially perpendicular to the first direction.
  • the light transmission unit is a light source that generates the light, a first optical system that guides light from the light source and has a focal point at a reference position, and is closer to the light source than the focal point.
  • a first light limiting member disposed at a position conjugate with the focal point of the first optical system and having an aperture having a predetermined shape; and a second optical system that forms an image of light returned from the object to be measured.
  • the detection unit is disposed on an imaging plane on which an image of the object to be measured at the reference position is formed by the second optical system, and receives the light from the light source.
  • a light receiving unit having a conjugate relation with the reference position is provided.
  • a second light limiting member having an opening with a predetermined shape for shielding a part of a light beam irradiated to the object to be measured from the first light limiting member is provided.
  • the first light limiting member is formed of a circular slit bowl.
  • the light transmission unit converts the light from the light source, a first optical system that guides the light from the light source and has a focal point at a reference position, and converts the light from the light source into a ring shape.
  • An optical member that focuses light at a predetermined position, and the light beam at the midpoint of the ring width of the ring light beam is not parallel to the optical axis of the optical system composed of the optical member.
  • An optical system; and a second optical system that forms an image of light returned from the object to be measured, and the detection unit forms an image of the object to be measured at the reference position by the second optical system.
  • a light receiving portion arranged in a conjugate plane with the reference position for receiving the light from the light source.
  • the light transmitting unit includes: a light source that generates the light; a first optical system that guides light from the light source and has a focal point at a reference position; and lights the light from the light source in an annular shape.
  • An optical member that transforms and concentrates the light at a predetermined position, and the light beam at the midpoint position of the annular width of the annular light flux does not become parallel to the optical axis of the optical system comprising the optical member.
  • An annular luminous flux generation optical system; and a second optical system that forms an image of light returned from the object to be measured, and the detection unit is measured at the reference position by the second optical system.
  • a light receiving unit that receives light from the light source through an annular slit in which an object image is conjugated with the reference position, and the conversion unit and another optical system in a state where the conversion unit is fixed. And a moving means capable of changing the interval and measuring the interval. That.
  • the annular light flux generation optical system includes a collector lens that converts light from the light source into parallel light, and an axicon lens that converts the parallel light into the annular light flux.
  • the light transmitting unit transmits light from a direction different from the first direction. Disposed between the object to be measured and the light transmission unit, and reflects the light transmitted by the light transmission unit in the first direction, and returns from the object to be measured.
  • a half mirror that transmits the light to the light receiving portion side is provided.
  • the conversion unit is configured by a conical mirror.
  • the conversion unit is characterized by performing reflection by total reflection.
  • the conversion unit is characterized in that a reflection unit is formed in a material that transmits light.
  • the measuring method according to the present invention is a measuring method for measuring the inner shape of a hollow object to be measured, wherein the light transmitting portion transmits the light in the first direction at the conversion portion. Based on the result of detecting the light reflected on the inside of the object to be measured after being converted into a circumferential direction substantially orthogonal to the first direction and reflected on the inside of the object to be measured, a predetermined reference position The inner shape of the object to be measured is measured by obtaining the deviation from the distance.
  • the inner shape of the object to be measured is measured by performing the detection while relatively moving the object to be measured and the conversion unit in the first direction.
  • a measuring method for measuring the inner shape of a hollow object to be measured wherein the light transmitting part is a converter that inserts a ring-shaped light beam transmitted in the first direction into the object to be measured. Converted into a circumferential direction substantially orthogonal to the first direction and irradiated to the inside of the object to be measured, the reflected light from the side surface is conjugated with the reference position by the light receiving optical system via the converter. An image is formed on a ring-shaped slit arranged at a different position, and the light passing through the ring-shaped slit is received while changing the distance between the conversion unit and another optical system in a state where the conversion unit is fixed. And measuring the inner shape of the object to be measured from the relationship between the output value of the light receiving unit and the interval value.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a hollow shape measuring apparatus 10 1 according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a circular slit 10 3 and a light limiting slit 10 4 of the hollow shape measuring apparatus 10 1.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a conical mirror 1 10 8 of the hollow shape measuring apparatus 1 0 1.
  • FIG. 4 is an auxiliary diagram showing an optical system of the hollow shape measuring apparatus 10 1.
  • FIG. 5 is an auxiliary diagram for explaining the principle of the hollow shape measuring apparatus 10 1.
  • FIG. 6 is an auxiliary diagram for explaining the principle of the hollow shape measuring apparatus 10 1.
  • FIG. 7 is an auxiliary diagram for explaining the measurement principle.
  • FIG. 8 is an auxiliary diagram for explaining the hollow hole diameter of the object to be measured.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the measurement procedure of the hollow shape measuring apparatus 10 1.
  • FIG. 10 is an auxiliary diagram for explaining the construction of a hollow shape.
  • FIG. 11 is a diagram showing an outline of an optical system of a hollow shape measuring apparatus 30 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the principle of hollow shape measurement in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of an image sensor suitable for the hollow shape measuring apparatus 30 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of an imaging unit suitable for the hollow shape measuring apparatus 30 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a view showing an example of a light transmitting member used in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing an outline of an optical system of a hollow shape measuring apparatus 31 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of the hollow shape measuring apparatus 101 according to the first embodiment.
  • Hollow shape measuring device 1 0 1 is the shape of the inside of a hollow object at a predetermined height. This is a device that constructs the hollow shape of an object three-dimensionally by measuring the cross-sectional shape and synthesizing the obtained cross-sectional shape in the height direction.
  • the hollow shape measuring apparatus 1 0 1 includes a light transmission unit 102, a circular slit 1 03, a light limiting slit 104, an illumination lens 1 05, a half mirror 1 06, an objective lens 1 07, Conical mirror 1 08, imaging lens 1 1 0, imaging unit 1 1 1, image processing unit 1 1 2, Z-axis drive unit body 1 1 3, moving unit 1 1 4, PC Consists of 1 1 and 5.
  • the moving unit 1 1 4 is a member that integrally supports the half mirror 1 06, the objective lens 1 07, the conical mirror -10 08, the imaging lens 1 1 0, and the imaging unit 1 1 1,
  • the part where the light of the light transmitting part 102 enters the half mirror 1 06 and the moving part 1 1 4 which is inserted inside the object to be measured 1 09 in the circumferential direction of the conical mirror 1 08 1 1 4 a is made of transparent material such as glass.
  • the moving unit 1 1 4 is driven up and down in the direction of the central axis C 1 by the Z-axis drive unit main body 1 1 3 fixed to the base (not shown) and moved to the hollow portion of the DUT 109
  • the tip part 1 1 4 a of the part 1 1 4 enters and exits, and the inner shape of the object to be measured 109 is measured.
  • the light transmitting section 102, the circular slit 103, the light limiting slit 104, the illumination lens 105, the half mirror 106, the objective lens 107, the conical mirror 110, the imaging lens 110, and the imaging section 1 1 1 is integrated with the moving part 1 1 4 to form a measurement optical system and moves up and down.
  • the light emitted from the light transmission unit 102 enters the light limiting slit 104 through the slit 103a of the circular slit 103 corresponding to the field stop.
  • half of the light beam (for example, the inner light beam 1 5 1 centered on the alternate long and short dash line 1 54 indicating the center of the light beam) is shielded and output to the illumination lens 105 side.
  • the circular slit 103 shown in FIG. 2 (a) is provided with a slit 103a that transmits light emitted from the light transmitting section 102 in a ring shape.
  • a ring-shaped slit 1 0 3 a is arranged so as to be located at the center of the lit 1 0 3.
  • the light limiting slit 1 0 4 shown in FIG. 2 (b) is a ring-shaped slit 1 0 4 that blocks half of the light beam that has passed through the circular slit 1 0 3 and transmits the other half.
  • a is provided.
  • the characteristics of the light limiting slit 10 4 correspond to the position of the dash-dot line 1 5 4 where the inner diameter of the ring-shaped slit 1 0 4 a indicates the center of the light beam, as indicated by the one-dot chain lines C 2 and C 3. Therefore, the ring-shaped slit 1 0 4 a transmits only the outer half of the luminous flux.
  • the circular slit 10 3 and the light limiting slit 10 4 can be realized, for example, by controlling the liquid crystal so as to transmit light in a ring shape using a liquid crystal plate.
  • a method of vapor-depositing a light shielding part on a glass plate or the like or etching a transmission part may be used.
  • the sensitivity of the imaging unit 1 1 1 varies depending on the shielding rate.
  • the light whose half of the light beam is blocked by the light limiting slit 10 4 is incident on the half mirror 1 10 6 through the illumination lens 1 0 5.
  • Half mirror 1 0 6 changes the direction of incident light and reflects it toward the objective lens 1 0 7 side.
  • the direction of the light reflected by the half mirror-1 0 6 is the depth direction of the test object (in the cylindrical shape, the axial direction), and this is defined as the first direction.
  • the light reflected in the first direction is sent to the conical mirror 1 0 8 via the objective lens 1 0 7 and the circumferential direction substantially orthogonal to the first direction by the conical mirror 1 0 8 Is irradiated horizontally toward the inside of the object to be measured 1 0 9.
  • the light irradiated horizontally is reflected inside the object to be measured 1 0 9, is incident again on the conical mirror 1 0 8, is reflected on the objective lens 1 0 7 side, and then is half mirror 1 0 6 Then, an image is formed on the light receiving surface of the imaging unit 1 1 1 through the imaging lens 1 1 0.
  • the light receiving surface of the imaging unit 1 1 1, the circular slit 1 0 3 constituting the field stop, and the reference position where the object to be measured 1 0 9 is installed are optically conjugate positions, and these three locations Is in focus.
  • the ring center of the ring-shaped light beam reflected by the half mirror 1 10 6 coincides with the center of the conical mirror 1 10 8.
  • FIG. 1 (a) is a perspective view of the conical mirror 110 8
  • (b) is a top view
  • (c) is a side view.
  • the one-dot chain line 15 4 indicating the center of the light beam reflected in the first direction through the half mirror 1 0 6 is a mirror portion 1 0 8 a inclined to the outside of the conical mirror 1 0 8 in the first direction. Is reflected in a direction substantially orthogonal to the light, and is irradiated on the inside of the object to be measured 1 0 9.
  • Figure 1 (a) shows this situation in detail.
  • the light beam that is transmitted without being blocked by the light limiting slit 10 0 4 is, for example, between the alternate long and short dash line 15 4 indicating the center of the light beam and the dotted line 15 2 indicating the outside of the light beam. Reflected by 8 Mira part 1 0 8 a. Furthermore, the dotted line 15 2 indicating the outside of the luminous flux is reflected by the object to be measured 1 0 9 and reflected again by the conical mirror 1 10 8 in the direction of the objective lens 1 0 7 as indicated by the solid line 1 5 3.
  • FIG. Fig. 4 shows the hollow shape measuring apparatus of Fig. 1 0
  • the light transmitter 1 0 2 is a light source 1 2 0, an aperture stop 1 2 1 that determines the NA of the illumination 1 2 1, a lens 1 2 2 that collects the light from the light source 1 2 0 and makes it a light beam parallel to the optical axis, light reception Consists of an image stop 1 2 3 that determines the NA on the side.
  • the light receiving surface of the imaging unit 1 1 1 1, the circular slit 1 0 3 constituting the field stop, and the area of the object to be measured 1 0 9 at the reference position are optically conjugate. It can be seen that these three locations are in focus. In FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing the situation when a certain point inside the object to be measured 109 is photographed by the imaging unit 11 1 when there is no light limiting slit 10 4 at the measurement position.
  • the spread of the light flux when the hole diameters are different, that is, the imaging unit 1 1 The change in focus (image blur) in 1 1 is depicted.
  • the focus is deviated by the inner diameter of the object to be measured 10 9, but the inner diameter of the position where the focus fluctuates is defined as the reference hole diameter, and the optical system of the hollow shape measuring apparatus 1 0 1 has this reference hole. It is assumed that the diameter has been calibrated in advance so that the focus can be adjusted by the diameter.
  • FIG. 4 (a) 4 5 1 and 4 5 1 a to 4 5 1 f show images picked up by the image pickup unit 1 1 1, and the portion indicated by the straight line 4 0 1 is the reference hole diameter
  • the hole diameter increases toward the upper side of the paper from the straight line 401, and conversely decreases toward the lower side of the paper.
  • the luminous flux 4 5 1 a, 4 5 1 b and 4 5 1 The luminous flux spreads like c.
  • the light flux expands like the light fluxes 4 5 1 d, 4 5 1 e and 4 5 1 f. That is, the amount of deviation from the reference hole diameter can be measured from the amount of spread of the light flux.
  • the light beam spreads at this time because the light beam spreads in the same way on both sides of the axis C 4 passing through the focus position of the reference hole diameter regardless of whether the hole diameter is large or small. It cannot be determined whether the diameter has increased or decreased.
  • the light beams 4 5 2 a, 4 5 2 b and 4 5 2 c are spread only in the right direction of the plane of the axis C 4.
  • the light beams of 5 2 d, 4 5 2 e and 4 5 2 f spread only in the left direction of the paper of axis C 4.
  • whether the hole diameter of the DUT 10 is larger than the reference hole diameter is smaller. It is possible to determine whether it has become.
  • the image processing unit 1 1 2 measures the amount of deviation from the reference hole diameter from this discrimination result and the amount of spread of the luminous flux, and how much the inner shape of the DUT 1 0 9 is larger than the reference hole diameter. Or you can ask if it is small.
  • FIG. 5 illustrates the state of the light beam formed on the light receiving surface of the imaging unit 1 1 1.
  • FIG. 6 illustrates how the captured image changes depending on the hollow shape of the object to be measured 1 0 9. Will be described.
  • This figure shows the overall image formed on the light-receiving surface 5 0 1 of the imaging unit 11 1 1, and (a) in the figure is the image when the reference hole diameter is measured, and the reference hole diameter position C 6 is imaged. In the figure, for ease of understanding, it is drawn with a wide width on both sides of the reference hole diameter position C 6, but actually overlaps the reference hole diameter position C 6 portion.
  • Figure (b) is an image when a hollow shape larger than the reference hole diameter is measured, and an image blurred outside the reference hole diameter position C6 is obtained.
  • FIG. 5C is an image when a hollow shape smaller than the reference hole diameter is measured, and an image blurred inside the reference hole diameter position C6 is obtained.
  • an image as shown in FIG. 10 9 when measuring an object to be measured 10 9 having a square inner shape that is larger or smaller than the reference hole diameter position C 6, an image as shown in FIG.
  • the inner shape of the DUT 1 0 9 is determined from the direction in which the light beam spreads. Determine whether the reference hole diameter is large or small, and obtain the inner diameter (shape) of the measured object 10 9 from the distance between the center or peak position of the spread light beam and the reference hole diameter position C 6 be able to. For example, in the case of Fig. 6 (b), the distance ⁇ ⁇ 1 between the peak position of the spread light beam and the reference hole diameter position C 6 is measured, and in the case of Fig.
  • the distance ⁇ ⁇ 2 is measured, Obtain the hole diameter of the DUT 1 0 9
  • the distance ⁇ between the peak position of the spread light beam and the reference hole diameter position C 6 Preliminarily measure the difference between X and the actual hole diameter, and prepare a conversion table for the difference between the distance ⁇ X and the actual hole diameter Is preferred.
  • Figure 7 (a) shows the optical ring imaged on the light-receiving surface.
  • a temporary center is set at the center of the light receiving surface.
  • the light intensity in the radial direction is measured for each set angle.
  • the light intensity is strong where the optical ring is focused.
  • the part defined as the circumference of the ring is calculated from the light quantity distribution of the ring image.
  • Light intensity peak method A method of fitting the discrete data of the light intensity distribution around the peak position of the ring profile to an approximate expression and calculating the peak position.
  • Light center of gravity method A method of calculating the center of gravity of the light distribution around the peak position of the ring profile.
  • Threshold method A method to calculate the middle position of the position intersecting with the profile by setting a threshold value, for example, 30% darker than the peak position of the ring profile.
  • the circumferential position in each direction is obtained by the above optical center of gravity method.
  • Fig. 7 (a) shows the case of calculation every 45 degrees, and 8 points are obtained as the circumference of the optical ring shown in Fig. 7 (b). Then, the size of the optical ring and the center of the ring are obtained from these points using a mathematical method such as the least square method. Furthermore, the inner diameter of the object to be measured can be directly calculated from the size of the optical ring. It is also possible to calculate the difference from the reference ring dimension as described above.
  • the image processing unit 1 1 2 sends a command to the Z-axis drive unit main body 1 1 3 connected via the cable 1 1 7, and the moving unit 1 1 holds the conical mirror 1 0 8. 4 is moved up and down at a predetermined pitch in the imaging unit 1 1 1 direction. In other words, measurement optical system and circle The relative position of the cone-shaped mirror 1 0 8 is changed. Then, image data is input from the imaging unit 1 1 1 for each predetermined position of the moving unit 1 1 4, the input image data is processed, and as described above, the shape inside the object to be measured at the predetermined position Ask for.
  • the measurement range is determined. For example, the size of a ring image serving as a reference for forming an image on the imaging unit 11 1 is determined, and the size of the ring image varies while being blurred depending on the inner diameter of the object to be measured 10 9. If it becomes smaller, it cannot be discriminated as a circle, and if it becomes larger, the size of the imaging unit 1 1 1 will be exceeded. For example, if the object to be measured 10 9 is measured when the conical mirror 1 108 is at the upper position shown in FIG.
  • the distance between the objective lens 1 0 7 and the conical mirror 1 10 8 is changed by moving the position of the conical mirror 1 0 8 to the lower position shown in FIG. You can change the measurement range. In this way, the measurement range can be changed simply by adjusting the position of the conical mirror 1 10 8, and the measurement range of this device can be utilized to the maximum.
  • the diameter of the optical ring projected onto the object by the objective lens 1 0 7 is 0
  • the hole diameter of ⁇ 30 can be measured by increasing the interval.
  • the hole diameter of ⁇ 100 can be measured by narrowing the interval. In other words, it can handle large hole diameters such as the DUT 1 0 9 'in the figure.
  • changing the position of the conical mirror 1 0 8 changes the relationship between the size of the ring image obtained by the imaging unit 1 1 1 and the inner diameter of the object to be measured 1 0 9, so that the conical mirror 1 0 8
  • the adjustment range of the conical mirror 10 8 can be obtained from the magnification of the optical system, N A and the like.
  • Step S 2 0 1 First, the object to be measured 1 0 9 is set under the moving part 1 1 4.
  • Step S 2 0 2 Next, input measurement specifications such as measurement range (movement range) and measurement pitch (movement pitch) of the moving unit 1 1 4 from the PC 1 1 5.
  • the measurement specifications input from the PC 1 1 5 are output to the image processing unit 1 1 2 via the cable 1 1 8, and the image processing unit 1 1 2 is connected to the Z-axis drive unit via the cable 1 1 7.
  • Step S 2 0 3 Light is emitted from the light transmitting unit 10 2 at the current position of the moving unit 1 1 4, and an image is captured by the imaging unit 1 1 1.
  • Step S 2 0 The image received by the imaging unit 1 1 1 is output to the image processing unit 1 1 2 via the cable 1 1 6.
  • Step S 2 0 5 As described with reference to FIGS. 5 and 6, the image processing unit 1 1 2 obtains the inner diameter (shape) of the DUT 10 09.
  • Step S 2 0 6 Determine whether the measurement is completed according to the measurement specifications. For example, if the moving unit 1 1 4 has not reached the end position of the moving range, the process proceeds to step S 2 07, and if it has reached the end position, the process proceeds to step S 2 0 8.
  • Step S 2 0 7 The moving unit 1 1 4 moves to the next measurement position according to the set measurement pitch, returns to step S 2 0 3, and performs measurement at that position.
  • Step S 2 0 8 When the moving part 1 1 4 reaches the end position of the moving range and ends the measurement, the height inside the object to be measured 1 0 9 (relative position with respect to the measuring optical system) The shape of this is obtained, and these shapes are synthesized to create hollow shape data.
  • 7 0 1 to 7 0 6 are the heights in the Z-axis direction (height direction).
  • the inner shape is shown when it is varied from (n) to (n + 5) for each predetermined pitch.
  • the inner shape is shown as a circle for easy understanding. However, depending on the object to be measured, the shape is uneven with different radii.
  • Inner shape for each height 7 By synthesizing 0 1 to 70 6, the hollow shape data of the object to be measured 10 9 can be obtained, and a three-dimensional hollow shape 1 009 a can be constructed from this hollow shape data.
  • the center of the measurement light coincides with the center of the object to be measured 109 at the time of measurement, but if it is shifted, it can be corrected when obtaining hollow data.
  • Step S 2 0 9 The hollow shape data created by the image processing unit 1 1 2 is output to the personal computer 1 1 5 via the cable 1 1 8 and displayed on the screen of the personal computer 1 1 5.
  • Step S 2 1 0 If necessary, on the PC 1 1 5, operate the keypad mouse to specify the arbitrary position of the DUT 1 0 9 displayed on the screen. Thus, the size and length of each part designated from the hollow shape data of the object to be measured 1 09 received from the image processing part 1 1 2 are displayed.
  • the image processing unit 1 1 2 that performs image processing and the personal computer 1 1 5 that operates the entire hollow shape measuring apparatus 1 0 1 and displays the measurement result are separately provided.
  • the hardware and software of the image processing unit 1 1 2 may be built into the personal computer 1 1 5.
  • an operation unit and a display unit may be provided in the image processing unit 112 so as to be a dedicated control unit for the hollow shape measuring apparatus 101.
  • the hollow shape measuring apparatus 100 obtains the inner shape from the deviation from the reference hole diameter for each predetermined height of the hollow object, and does not change the height.
  • the hollow shape of the object can be three-dimensionally constructed by synthesizing the inner shape for each predetermined position measured.
  • the moire method that obtains all the contour lines at once has a problem that the error becomes large due to the difference in height of the object.
  • the inner shape is changed at every height. Therefore, highly accurate measurement is possible regardless of the height difference of the object.
  • 3D measurement can be performed at a much higher speed than conventional stylus-type 3D measurement.
  • the light limiting slit 10 4 is used to shield half of the light beam irradiated on the object 10 9, but the light limiting slit 10 4 is not used.
  • the Z axis drive unit body 1 1 3 moves the moving unit 1 1 4
  • a drive stage that moves the object to be measured 1 0 9 and the conical mirror 1 0 8 in the direction perpendicular to the Z axis is installed,
  • the drive stage is moved by a small distance in the direction perpendicular to the Z-axis, and the drive stage is moved, the amount of spread of light (the size of image blur), and the reference hole diameter.
  • the inner shape of the DUT 109 may be obtained from the deviation.
  • the drive stage when the drive stage is moved toward the inside of the object to be measured 1 0 9, that is, when the conical mirror 1 0 8 is brought close to a part of the object 1 0 9 to be measured, the amount of spread of the light beam increases.
  • the hole diameter of the object to be measured 1 0 9 is smaller than the reference hole diameter, and conversely, if the amount of light spread is small, the hole diameter of the object to be measured 1 0 9 is the reference hole It can be seen that the diameter is large.
  • the hole diameter of the object to be measured 10 9 is larger than the reference hole diameter
  • the hole diameter of the DUT 109 is smaller than the reference hole diameter
  • the conical mirror 1 0 8 is supported by the colorless and transparent moving part 1 1 4, but if the opening is provided on the outer periphery of the moving part 1 1 4, the moving part 1 1 4 is colorless and transparent. It does not have to be. Also, conical mirror 1 0 8 and objective lens 1 0 7 Since the central portion of the mirror 10 6 does not serve as an optical path, it is possible to support a conical mirror 1 0 8 etc. by setting up a column in this portion.
  • FIG. 11 is a diagram showing an outline of the optical system of the hollow shape measuring apparatus 30 according to the second embodiment of the present invention.
  • the illumination light from the light source 1 is collected by the collector lens 2, and a substantially parallel light beam enters the annular light forming axicon lens 3 having a conical emission surface from the bottom surface direction.
  • the center of the illumination light described above substantially coincides with the central axis of the axicon lens 3 and forms a parallel light beam that refracts on the conical surface and spreads in a ring shape.
  • This light beam is reflected by a transmission / reception branch mirror 1 (half mirror or a half prism can be used instead of a half mirror), and is condensed by the objective lens 5 to become a narrow annular light.
  • the axicon lens 3 is arranged so that the apex of the cone coincides with the focal point of the objective lens 5. With this arrangement, the light beam that has passed through the center of the cone passes through the center of the pupil of the objective lens 5, and travels parallel to the optical axis of the objective lens 5 after passing through the objective lens 5.
  • annular light having a radius that is the product of the refraction angle and the focal length of the objective lens 5 is formed. Furthermore, since the light incident on the conical surface of the axicon lens 3 remains a parallel light beam even if it is bent, it is collected at the object side focal position of the objective lens 5.
  • the annular light is a cylindrical optical member 6 having a reflecting portion 6a that is recessed in a conical shape on the end face.
  • the principal ray is incident so as not to be parallel to the central axis of the cone (corresponding to the central axis of the cylinder). That is, the light beam at the midpoint position of the ring width of the ring beam is not parallel to the optical axis. Then, the light is reflected at a right angle by the conical reflecting portion 6a, is emitted from the cylindrical surface, and forms an image on a circumference separated by a predetermined distance.
  • the shape of the optical member 6 does not need to be cylindrical as a whole as long as the surface from which the light reflected by the reflecting portion 6a is emitted is cylindrical.
  • the surface on which light is incident is a plane perpendicular to the central axis of the cone.
  • the shape of the reflecting portion 6a may be the same shape as the conical mirror 108 described in FIG. 3 of the first embodiment.
  • the conical mirror 1 10 8 of the first embodiment may have a cylindrical optical member 6 having the same shape as the reflecting portion 6 a of the present embodiment.
  • the luminous flux forming the annular light described above is reflected by the hollow inner wall 7 which is the object to be examined, is reflected again by the reflecting portion 6a, and passes through the cylindrical optical member 6 and the objective lens 5. Then, the light is transmitted through the transmission / reception branching mirror 4, further through the aperture stop 8, and an image formed by the reflected light from the object 7 is formed on the imaging surface 10 through the imaging lens 9.
  • the aperture stop 8 has a circular opening conjugated with the pupil of the illumination light beam at a position conjugate with the pupil of the illumination light beam.
  • FIG. Figure 12 shows the case where the hole diameter is larger than the image position of the annular light.
  • the illumination light beam is irradiated to the hollow inner wall 7 that is the object to be examined while spreading and becoming minimal at the annular light imaging position C.
  • the light beam reflected by the hollow inner wall 7 passes through the reflection part 6 a and the optical part 6, and the light receiving optical system comprising the objective lens 5, the transmission / reception branching mirror 4, the aperture stop 8, and the imaging lens 9.
  • the light beam emitted from the A surface is received, and this light beam forms an image on the B surface before the imaging surface 10. For this reason, the light beam spreads and is observed on the imaging surface 10.
  • the distance S from the annular light image formation position C to the inner wall 7 of the hollow shape can be obtained from the amount of spread in the radial direction of the annular light image.
  • the spread in the radial direction of the annular light image can be considered in the same manner as in FIG. 5 (b) and FIG.
  • the hole diameter is the annular light imaging position (reference hole diameter).
  • the discontinuous (intermittent) annular light flux described using the continuous annular light flux as the annular light flux may be used.
  • the annular light imaging position C in each direction is measured.
  • the distance to the hollow inner wall 7 can be obtained in all circumferential directions.
  • the distance from the annular light imaging position C to the central axis of the cone (coincident with the central axis of the cylinder) is known and constant unless the arrangement of the optical systems 1 to 6 is changed.
  • the distance from the central axis of the cone (coincident with the central axis of the cylinder) to the hollow inner wall 7 can also be obtained in all circumferential directions, and the hollow shape (cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the cone) Can be requested.
  • the image sensor 10 is a CCD or CMOS element in which pixels are arranged like a normal grid, and a hollow inner wall 7 from an annular light imaging position in an arbitrary direction by signal processing. However, it is possible to determine the distance to the image sensor. However, as shown in Fig.13, an image sensor with pixels arranged in a radial pattern, or as shown in Fig.14, two optical fibers are arranged in a radial pattern with the incident side arranged radially. If the elements are rearranged together, it is not necessary to convert from the two-dimensional coordinate system to the cylindrical coordinate system, so high-speed and high-accuracy measurement can be performed.
  • the configuration example of the image sensor 10 shown in FIGS. 13 and 14 can also be applied to the imaging unit 1 1 1 of the hollow shape measuring apparatus 1 0 1 according to the first embodiment. it can.
  • the light source 1 may be intensity-modulated using LED or the like, and the output obtained from each pixel of the image sensor may be synchronously detected.
  • the entire optical system is moved in the direction of the central axis of the cone, and the distance in the entire circumferential direction is measured while shifting the position where the annular light hits. By repeating this, the distance to the hollow inner wall 7 for each orientation can be obtained, so that shape data can be obtained in cylindrical coordinates.
  • FIG. 15 shows a cylindrical optical member 6 and considers the measurable conditions.
  • the radius of the cylindrical part of the cylindrical member is R and the radius of the chief ray of the annular light is r, the light that spreads at an angle of ⁇ from the virtual emission center A shown in Fig. 12 is not kicked and the objective lens 5
  • the cylinder needs to be larger than the beam diameter on the incident side of the upper cylindrical member 6 shown in FIG.
  • n the refractive index of the cylindrical member.
  • the inner diameter up to 99.7 mm can be measured when the annular light imaging position is 2 2 mm from the center axis of the cylinder.
  • FIG. 16 shows a configuration example of the hollow shape measuring apparatus 31 according to the third embodiment.
  • the components shown in FIG. 16 have the same configuration as the components of the hollow shape measuring apparatus 30 shown in FIGS. 11 and 12 unless otherwise specified.
  • the illumination light emitted from the light source 1 1 is pinholed via the collector lens 1 2.
  • the light transmitted through the pinhole 13 becomes a nearly parallel light beam through the condenser lens 14 and enters the axicon lens 15 for forming the annular light.
  • the illumination light is converted into a parallel annular light beam by the axicon lens 15, reflected by the transmission / reception branch mirror 16, and guided to the objective lens 17.
  • Objective lens 1 7 In this case, the light beam is converted into a light beam that is telecentricly condensed in a ring shape, incident on the optical member 18, converted into a light beam that spreads in a plane perpendicular to the optical axis of the objective lens 17, and has a hollow shape that is the object to be measured.
  • the inner wall 19 is irradiated.
  • the light reflected by the hollow inner wall 19 enters the optical member 18 again, passes through the objective lens 17 and the transmission / reception branching mirror 16 and is guided to the light receiving optical system.
  • the received light optical system transmits only specularly reflected light through the aperture stop 20 and condenses light from the hollow inner wall 19 with the imaging lens 21 to form an image on the annular slit 22. Since the annular slit 2 2 is arranged at an image conjugate position (that is, a position conjugate with the position where the radial spread of the annular luminous flux is minimized), the hollow inner wall 19 is The light 3: transmitted through the annular slit 22 when it coincides with the imaging position of the annular optical image of the illumination 3: is large.
  • the light transmitted through the annular slit 22 is projected onto the imaging surface 24 by the image relay lens 23.
  • a ring-shaped image is formed at the diameter of the principal ray of the annular light projected onto the object multiplied by the total magnification of the received light optical system, as shown in Fig. 16 (b).
  • the amount of light in the circumferential direction is monitored.
  • the optical system surrounded by the dotted line in FIG. 16 (a) can move independently of the optical member 18 along the optical axis of the objective lens 17 and the distance between the optical member 18 and the objective lens 17 is By changing it, the imaging position of the illumination ring light can be changed.
  • the optical member 18 is fixed, the optical system is moved along the optical axis of the objective lens 17, and the amount of light received by each pixel on the imaging surface 24 is maximized. From the interval, the position of the hollow inner wall 19 can be detected for each circumferential position corresponding to each pixel. Therefore, the shape of the hollow shape in the circumferential direction can be obtained. In order to obtain the hollow shape, it is necessary to move the optical member 18 and then move the optical system in the same manner to scan the measurement range to obtain the diameter data.
  • the measuring apparatus and the measuring method according to the present invention have a simple configuration and do not perform complicated calculations, and the inner shape of the hollow object to be measured Can be measured.
  • distance measurement in the entire circumference of the hollow shape can be performed at the same time, and distance measurement is performed with respect to the direction of the principal ray of the light beam. Because it can be measured, it is possible to perform high-speed and high-accuracy hollow shape measurement.
  • the reflection part that bends the light beam in the radial direction inside the hollow shape by reflecting the inner surface of the optical member, the reflection part can be held by the light transmission part, and the pillar of the hardware part that blocks light is It becomes unnecessary.
  • the light transmitting portion can be made more robust than being supported by a thin column of a hardware part. For this reason, it is less susceptible to accidents such as collision with the object to be measured during measurement, leading to improved workability.
  • the light transmission member has a higher refractive index than air, the spread of the light beam is reduced by the refractive index at a distance of the same length even at the same numerical aperture. Measurement is possible.

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Abstract

　本発明に係る測定装置は、前記中空状の深さ方向である第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する円周方向に前記光の方向を変換する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物の内側で反射した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、所定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部とを設けた。これによって、物体や光源を回転させる必要がなく、物体の中空形状を一度に得ることができ、簡単な装置で精度の高い測定ができる。

Description

明 細 書
測定装置および測定方法
技術分野
[0001 ] 本発明は、 物体の中空形状を測定する測定装置および測定方法に関する。
背景技術
[0002] 従来、 物体の中空形状を非接触で測定する方法として、 距離センサ法ゃ斜 入射光学系法などが知られている。 例えば、 距離センサ法は、 中空内側にレ 一ザ光を投光して物体を回転させながら反射光の変位を測定し、 物体の中空 形状を測定する方法である （例えば、 特許文献 1参照） 。
[0003] また、 金属等に設けられた中空形状の測定は、 触針式の三次元形状測定機 で触針を中空形状の内面に当てながら触針台を回転および上下移動させるこ とにより行っていた （例えば、 特許文献 2参照） 。
[0004] 或いは、 非接触で中空形状を計測する装置としては、 スリット光投影方式 で直径の両端に相当するエッジを検出する方法が知られている （例えば、 特 許文献 3参照） 。
特許文献 1 ：特開 2 0 0 6 _ 3 8 8 2 0号公報
特許文献 2：特開平 6— 3 3 7 2 1 5号公報
特許文献 3：特開平 8— 2 3 3 5 4 5号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 従来技術による距離センサ法は、 物体の中空形状の全周形状情報を一度に 得ることができず、 物体や光源を回転させる必要があり、 装置が複雑になる だけでなく、 精度面での問題もあった。
[0006] また、 触針台を動かす方法では、 中空全体の形状を測定するのに触針の回 転及び上下移動を行う必要があるため測定に時間がかかってしまうという問 題と、 触針台の回転の偏心や振れの影響を受けて誤差が生じる可能性がある という問題点がある。 [0007] さらに、 スリット光投影方式では、 測定する方位に直交するようにスリツ トを配置する必要があり、 一つの方位のみしか一度に測定できないため多く の方位について測定して形状を求めるには不向きであるという問題点がある 。 また、 被測定物である中空形状は貫通穴でなければならないという制約も
[0008] 本発明の目的は、 簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、 誤差の少ない 高精度な中空形状の測定装置および測定方法を提供することである。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明に係る測定装置は、 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定装 置であって、 前記中空状の深さ方向である第 1の方向に光を送光する送光部 と、 前記第 1の方向と略直交する方向に前記光の方向を変換する変換部と、 前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物の内側で反射した光を 検出する検出部と、 前記検出部の検出結果に基づいて、 所定基準位置からの ずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部とを 備えることを特徴とする。
[0010] さらに、 前記送光部と前記変換部と前記検出部からなる測定光学系と前記 被測定物とを前記第 1の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、 前記形 状測定部は、 前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた時の前記 検出部の検出結果に基づいて、 前記被測定物の内側形状を測定することを特 徵とする。
[001 1 ] また、 前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第 1の方向と略直 交する方向の全周に向かって変換することを特徴とする。
[0012] また、 前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導き 基準位置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記焦点よりも前記光源側であり 前記第 1の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有す る第 1の光制限部材と、 前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第 2の 光学系とを備え、 前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位置にある 被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する前記 基準位置と共役関係にある受光部を備えることを特徴とする。
[0013] さらに、 前記第 1の光制限部材から前記被測定物に照射される光束の一部 を遮光する所定形状の開口を有する第 2の光制限部材を設けたことを特徴と する。
[0014] また、 前記第 1の光制限部材を円形スリツ卜で構成したことを特徴とする
[0015] また、 前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導き 基準位置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記光源からの光を輪帯状に変換 し、 所定位置に集光させる光学部材を含み、 前記輪帯光束の輪帯幅の中点位 置における光線が、 前記光学部材からなる光学系の光軸とは平行にならない ような輪帯光束生成光学系と、 前記被測定物から戻ってきた光を結像させる 第 2の光学系とを備え、 前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位置 にある被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光す る前記基準位置と共役関係にある受光部を備えることを特徴とする。
[001 6] 或いは、 前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導 き基準位置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記光源からの光を輪帯状に変 換し、 所定位置に集光させる光学部材を含み、 前記輪帯光束の輪帯幅の中点 位置における光線が、 前記光学部材からなる光学系の光軸とは平行にならな いような輪帯光束生成光学系と、 前記被測定物から戻ってきた光を結像させ る第 2の光学系とを備え、 前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位 置にある被測定物の像が前記基準位置と共役関係にある輪帯状スリットを介 して前記光源からの光を受光する受光部と、 前記変換部を固定した状態で、 前記変換部と他の光学系との間隔を変化させると共にその間隔を測定するこ とのできる移動手段とを備えることを特徴とする。
[001 7] また、 前記輪帯光束生成光学系が、 前記光源からの光を平行光にするコレ クタレンズと、 前記平行光を、 前記輪帯状光束に変換するアキシコンレンズ とを有することを特徴とする。
[0018] さらに、 前記送光部を前記第 1の方向とは異なる方向から光を送光する位 置に配置し、 前記被測定物と前記送光部との間にあって、 前記送光部が送光 する前記光を前記第 1の方向に反射すると共に、 前記被測定物からの戻って
<る光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたことを特徴とする。
[001 9] また、 前記変換部を円錐形状のミラーで構成したことを特徴とする。
[0020] また、 前記変換部は、 全反射により反射を行うものであることを特徴とす る。
[0021 ] 或いは、 前記変換部は、 光を透過する物質に反射部が形成されていること を特徴とする。
[0022] 本発明に係る測定方法は、 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方 法であって、 送光部が第 1の方向に送光する光の方向を変換部で前記第 1の 方向と略直交する円周方向に変換して前記被測定物の内側に照射し、 前記被 測定物の内側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、 所定基準位 置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定することを 特徴とする。
[0023] また、 前記被測定物と前記変換部とを前記第 1の方向に相対移動させなが ら前記検出を行うことにより前記被測定物の内側形状を測定することを特徴 とする。
[0024] また、 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、 送光部 が第 1の方向に送光する輪帯状の光束を前記被測定物に挿入した変換部で前 記第 1の方向と略直交する円周方向に変換して前記被測定物の内側に照射し 、 その側面からの反射光を前記変換部を介して、 受光光学系により前記基準 位置と共役な位置に配置した輪帯状スリッ卜に結像させ、 前記輪帯状スリッ トを通過した光を、 前記変換部を固定した状態で前記変換部と他の光学系と の間隔を変化させつつ受光部で受光し、 前記受光部の出力値と前記間隔の値 との関係から前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする。
発明の効果
[0025] 本発明によれば、 簡易な構成で、 複雑な演算を行うことなく、 中空状の被 測定物の内側形状を測定することができる。 図面の簡単な説明
[0026] [図 1 ]第 1の実施形態に係る中空形状測定装置 1 0 1の構成図である。
[図 2]中空形状測定装置 1 0 1の円形スリット 1 0 3および光制限スリット 1 0 4の構成図である。
[図 3]中空形状測定装置 1 0 1の円錐型ミラ一 1 0 8の構成図である。
[図 4]中空形状測定装置 1 0 1の光学系を示す補助図である。
[図 5]中空形状測定装置 1 0 1の原理を説明するための補助図である。
[図 6]中空形状測定装置 1 0 1の原理を説明するための補助図である。
[図 7]測定原理を説明するための補助図である。
[図 8]被測定物の中空形状の穴径を説明するための補助図である。
[図 9]中空形状測定装置 1 0 1の測定手順を示すフローチヤ一トである。
[図 10]中空形状の構築を説明するための補助図である。
[図 1 1 ]本発明の第 2の実施形態である中空形状測定装置 3 0の光学系の概要 を示す図である。
[図 12]本発明の第 2の実施形態における中空形状測定の原理を説明するため の図である。
[図 13]本発明の実施形態である中空形状測定装置 3 0に好適な撮像素子の一 例を示す図である。
[図 14]本発明の実施形態である中空形状測定装置 3 0に好適な撮像部の一例 を示す図である。
[図 15]本発明の実施形態で用いる光透過部材の一例を示す図である。
[図 16]本発明の第 3の実施形態である中空形状測定装置 3 1の光学系の概要 を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、 図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
(第 1の実施形態）
図 1は第 1の実施形態に係る中空形状測定装置 1 0 1のプロック図である 。 中空形状測定装置 1 0 1は、 中空状の物体の内側の形状を所定の高さ毎に 測定して断面形状を求め、 求めた断面形状を高さ方向に合成することによつ て、 物体の中空形状を立体的に構築する装置である。
[0028] 中空形状測定装置 1 0 1は、 送光部 1 02と、 円形スリット 1 03と、 光 制限スリット 1 04と、 照明レンズ 1 05と、 ハーフミラ一 1 06と、 対物 レンズ 1 07と、 円錐型ミラ一 1 08と、 結像レンズ 1 1 0と、 撮像部 1 1 1 と、 画像処理部 1 1 2と、 Z軸駆動部本体 1 1 3と、 移動部 1 1 4と、 パ ソコン 1 1 5とで構成される。
[0029] 移動部 1 1 4は、 ハーフミラ一 1 06、 、 対物レンズ 1 07、 円錐型ミラ -1 08, 結像レンズ 1 1 0、 撮像部 1 1 1を一体的に支持する部材であり 、 ハーフミラー 1 06に送光部 1 02の光が入射する部分と、 円錐型ミラー 1 08の円周方向にあって被測定物 1 09内側に揷入される移動部 1 1 4の 先端部分 1 1 4 aはガラスなどの透明な部材でできている。 また、 移動部 1 1 4は、 土台 （不図示） に固定された Z軸駆動部本体 1 1 3によって、 中心 軸 C 1の方向に上下に駆動され、 被測定物 1 09の中空部分に移動部 1 1 4 の先端部分 1 1 4 aが出入りして被測定物 1 09の内側形状を測定する。 尚 、 送光部 1 02, 円形スリット 1 03 , 光制限スリット 1 04, 照明レンズ 1 05, ハーフミラ一 1 06, 対物レンズ 1 07, 円錐型ミラ一 1 08, 結 像レンズ 1 1 0および撮像部 1 1 1は、 移動部 1 1 4と一体となって測定光 学系を構成し上下に移動する。
[0030] 送光部 1 02から照射された光は、 視野絞りに相当する円形スリット 1 0 3のスリット 1 03 aを通って光制限スリット 1 04に入射される。 光制限 スリット 1 04を光束が通る際に、 光束の半分 （光束の中心を示す一点鎖線 1 54を中心とする例えば内側部分の光束 1 5 1 ) が遮蔽され、 照明レンズ 1 05側には出力されない。
[0031] ここで、 円形スリット 1 03および光制限スリット 1 04の形状について 、 図 2を用いて詳しく説明する。 図 2 (a) に示した円形スリット 1 03は 、 送光部 1 02から照射される光をリング状に透過するスリット 1 03 aが 設けられている。 ここで、 図 1の光束の中心を示す一点鎖線 1 54が円形ス リット 1 0 3の中央に位置するようにリング状のスリット 1 0 3 aが配置さ れている。
[0032] —方、 図 2 ( b ) に示した光制限スリット 1 0 4は、 円形スリット 1 0 3 を透過した光束の半分を遮蔽して残りの半分を透過するリング状のスリット 1 0 4 aが設けられている。 光制限スリット 1 0 4の特徴は、 一点鎖線 C 2 および C 3で示したように、 リング状のスリット 1 0 4 aの内径が光束の中 心を示す一点鎖線 1 5 4の位置に対応しているため、 リング状のスリット 1 0 4 aは光束の外側半分しか透過しない。 尚、 円形スリット 1 0 3および光 制限スリット 1 0 4は、 例えば、 液晶板を用いてリング状に光を透過するよ うに液晶を制御することで実現できる。 或いは、 ガラス板などに遮光部分を 蒸着したり、 透過部分をエッチングするなどの方法によっても構わない。 ま た、 遮蔽率により撮像部 1 1 1の感度がかわる。
[0033] 光制限スリット 1 0 4で光束の半分を遮蔽された光は、 照明レンズ 1 0 5 を通ってハーフミラ一 1 0 6に入射される。 ハーフミラ一 1 0 6は入射する 光の方向を変換して、 対物レンズ 1 0 7側に反射する。 ここで、 ハーフミラ - 1 0 6が反射する光の方向は被検物の深さ方向 （筒形状においては軸方向 ) となっており、 これを第 1の方向と定義すると、 ハーフミラ一 1 0 6で第 1の方向に反射された光は、 対物レンズ 1 0 7を介して円錐型ミラ一 1 0 8 に送光され、 円錐型ミラー 1 0 8で第 1の方向に略直交する全周方向に被測 定物 1 0 9の内側に向けて水平に照射される。 水平に照射された光は、 被測 定物 1 0 9の内側で反射して再び円錐型ミラー 1 0 8に再び入射され、 対物 レンズ 1 0 7側に反射された後、 ハーフミラ一 1 0 6および結像レンズ 1 1 0を通って撮像部 1 1 1の受光面に結像される。 尚、 撮像部 1 1 1の受光面 と、 視野絞りを構成する円形スリット 1 0 3と、 被測定物 1 0 9を設置する 基準位置とは光学的に共役の位置にあり、 これらの 3ケ所で焦点が合う状態 になっている。 また、 ハーフミラ一 1 0 6で反射したリング状の光束のリン グ中心と円錐型ミラ一 1 0 8の中心は一致している。
[0034] ここで、 円錐型ミラ一 1 0 8の形状について、 図 3を用いて説明する。 図 3 ( a ) は円錐型ミラ一 1 0 8の斜視図、 同図 （b ) は上面図、 同図 （c ) は側面図をそれぞれ示している。 ハーフミラ一 1 0 6を介して第 1の方向に 反射された光束の中心を示す一点鎖線 1 5 4は、 円錐型ミラー 1 0 8の外側 に傾斜したミラー部分 1 0 8 aで第 1の方向と略直交する方向に反射され、 被測定物 1 0 9の内側に照射される。 この様子を詳しく描いたのが図 1 ( a ) である。 光制限スリツト 1 0 4で遮光されずに透過した光束は、 例えば、 光束の中心を示す一点鎖線 1 5 4から光束の外側を示す点線 1 5 2の間にあ り、 円錐型ミラ一 1 0 8のミラ一部分 1 0 8 aで反射される。 さらに、 光束 の外側を示す点線 1 5 2は被測定物 1 0 9で反射し、 実線 1 5 3で示すよう に、 再び円錐型ミラ一 1 0 8で対物レンズ 1 0 7の方向に反射される。 つま り、 被測定物 1 0 9の内側で反射して戻ってくる光束も半分が遮蔽されたま まであり、 光束の中心を示す一点鎖線 1 5 4から光束の外側を示す実線 1 5 3の間にある。
[0035] この様子を図 4を用いて説明する。 図 4は、 図 1の中空形状測定装置 1 0
1の光学的な構成を描いた図で、 図 1 と同符号のものは同じものを示してい る。 送光部 1 0 2は、 光源 1 2 0、 照明の N Aを決める開口絞り 1 2 1、 光 源 1 2 0の光を集光し、 光軸と平行な光線とするレンズ 1 2 2、 受光側の N Aを決める結像絞り 1 2 3で構成される。 尚、 先に説明したように、 撮像部 1 1 1の受光面と、 視野絞りを構成する円形スリット 1 0 3と、 基準位置に おける被測定物 1 0 9のエリアとは光学的に共役の位置にあり、 これらの 3 ケ所で焦点が合う状態になっていることがわかる。 図 4において、 光制限ス リット 1 0 4で光束の半分が遮蔽されているので、 被測定物 1 0 9から戻つ てくる光束も半分が遮蔽され、 斜線で示した光束の半分 1 6 0は撮像部1 1 1には入射されない。
[0036] 次に、 撮像部 1 1 1の受光面に結像される画像を構成する点の像について 図 5を用いて説明する。 同図 （a ) は、 光制限スリット 1 0 4が無い場合に 、 被測定物 1 0 9の内側のある点を撮像部 1 1 1で撮影した時の様子を示し た図で、 測定位置において穴径が異なる場合の光束の広がり、 つまり撮像部 1 1 1におけるピントのずれ （画像のボケ） の変化を描いてある。 ここで、 被測定物 1 0 9の内径によってピントがずれるが、 ピントがびつたり合う位 置の内径を基準穴径と定義し、 中空形状測定装置 1 0 1の光学系は、 この基 準穴径でピントがびつたり合うように予め校正されているものとする。
[0037] 同図 （ a ) の 4 5 1および 4 5 1 aから 4 5 1 f は撮像部 1 1 1で撮像さ れる像を示しており、 直線 4 0 1で示した部分が基準穴径の場合を示し、 直 線 4 0 1より紙面上側に向かって穴径が大きくなり、 逆に紙面下側に向かつ て穴径が小さくなる。 例えば、 基準穴径を撮影した場合は、 光束 4 5 1のよ うに画像のボケはないが、 穴径が基準穴径より大きくなるに従って、 光束 4 5 1 a , 4 5 1 bおよび 4 5 1 cのように光束が広がっていく。 同様に、 穴 径が基準穴径より小さくなるに従って、 光束 4 5 1 d , 4 5 1 eおよび 4 5 1 f のように光束が広がっていく。 つまり、 光束の広がり量から基準穴径か らのずれの大きさを計測することができる。 ところが、 この時の光束の広が り方は、 穴径が大きくなつても小さくなつても基準穴径の合焦位置を通る軸 C 4の両側に同じように光束が広がるので、 このままでは穴径が大きくなつ たのか小さくなったのか判別できない。
[0038] これに対して、 本実施形態の場合は光制限スリット 1 0 4によって被測定 物 1 0 9に照射する光束の半分を遮光しているので、 穴径が異なる場合の光 束の広がりの変化は図 5 ( b ) のようになる。 同図において、 基準穴径を撮 影した場合は、 光束 4 5 2のように画像のボケはないが、 穴径が基準穴径ょ り大きくなるに従って、 光束 4 5 2 a , 4 5 2 bおよび 4 5 2 cのように光 束が広がっていく。 同様に、 穴径が基準穴径より小さくなるに従って、 光束 4 5 2 d , 4 5 2 eおよび 4 5 2 f のように光束が広がっていく。 ところが 、 図 5 ( a ) の場合とは異なり、 光束 4 5 2 a , 4 5 2 bおよび 4 5 2 cの 光束の広がり方は軸 C 4の紙面右側方向だけであり、 同様に、 光束 4 5 2 d , 4 5 2 eおよび 4 5 2 f の光束の広がり方は軸 C 4の紙面左側方向だけで ある。 つまり、 軸 C 4の紙面右側方向にずれているか左側方向にずれている かによつて、 被測定物 1 0 9の穴径が基準穴径より大きくなつたのか小さく なったのかを判別することができる。 画像処理部 1 1 2は、 この判別結果と 光束の広がり量から基準穴径からのずれの大きさを計測し、 被測定物 1 0 9 の内側形状が基準穴径に対してどれだけ大きいか或いは小さいかを求めるこ とができる。
[0039] 図 5では撮像部 1 1 1の受光面に結像された光束の様子について説明した が、 被測定物 1 0 9の中空形状によって、 撮影画像がどのように変化するか について図 6を用いて説明する。 同図は撮像部 1 1 1の受光面 5 0 1に結像 された画像の全体の様子を示しており、 同図 （a ) は基準穴径を測定した時 の画像で、 基準穴径位置 C 6部分に結像される。 尚、 同図では分かり易いよ うに基準穴径位置 C 6の両側に広い幅で描いてあるが、 実際には基準穴径位 置 C 6部分に重なる。 同図 （b ) は基準穴径より大きい中空形状を測定した 時の画像で、 基準穴径位置 C 6の外側にボケた画像が得られる。 逆に、 同図 ( c ) は基準穴径より小さい中空形状を測定した時の画像で、 基準穴径位置 C 6の内側にボケた画像が得られる。 例えば、 基準穴径位置 C 6より大きか つたり小さかったりする四角い内側形状を有する被測定物 1 0 9を測定した 場合は、 同図 （d ) で示すような画像が得られる。
[0040] このように、 画像処理部 1 1 2は、 撮像部 1 1 1の受光面に結像された画 像データを受け取ると、 光束が広がる方向から被測定物 1 0 9の内側形状が 基準穴径ょりも大きいか小さいかを判別し、 さらに広がった光束の中心また はピーク位置と基準穴径位置 C 6との距離から被測定物 1 0 9の内側の径 （ 形状） を求めることができる。 例えば、 図 6 ( b ) の場合は広がった光束の ピーク位置と基準穴径位置 C 6との距離 Δ χ 1を測定し、 図 6 ( c ) の場合 は距離 Δ χ 2を測定して、 被測定物 1 0 9の穴径を求める。 また、 全周範囲 を細分化 （例えば 1 ° 〜2 ° 毎） してそれぞれ径 （形状） を求めて合成する ことにより複雑な形状の測定が可能となる。 尚、 実際の測定においては、 基 準穴径と大きさが異なる穴径が分かっている校正用の工具を用いて、 広がつ た光束のピーク位置と基準穴径位置 C 6との距離 Δ Xと実際の穴径の差を予 め測定しておき、 距離△ Xと実際の穴径の差の変換テーブルを準備しておく のが好ましい。
[0041 ] 次に、 断面測定方法について説明する。 図 7 ( a ) は受光面に結像してい る光リングを示している。 まず、 受光面の中心に仮中心を設定する。 次に、 その仮中心から、 設定角度毎に放射方向の光強度を測定していく。 光リング が結像している部分では光強度が強くなつている。 このリング像の光量分布 からリングの円周と定義する部分を算出する。
[0042] 定義の方法はいくつかあり、 例えば以下の方法が利用できる。
1 ) 光量ピーク法： リングプロファイルのピーク位置周辺の光量分布の離散 的なデータを近似式にフィッティングをおこない、 そのピーク位置を算出す る方法。
2 ) 光量重心法： リングプロファイルのピーク位置周辺の光量分布の重心位 置を算出する方法。
3 ) しきい値法： リングプロファイルのピーク位置から例えば 3 0 %暗い位 置に閾値を設定し、 プロファイルと交わった位置の中間位置を算出する方法
[0043] 例えば上記の光重心法でそれぞれの方向における円周位置を求めていく。
図 7 ( a ) では 4 5度毎に算出した場合を示しており、 図 7 ( b ) に示す光 リングの円周点がポイント 8点求まる。 その後、 これらのポイントから最小 自乗法などの数学的手法を用いて、 光リングの大きさやリングの中心を求め る。 さらに、 光リングの大きさから直接被測定物の内径を算出することもで きる。 また、 前述のように、 基準リング寸法からの差分を算出することもで さる。
[0044] また、 予め設定した仮中心と実際の光リング中心が大きくずれていた場合 は、 この工程で算出された光リング中心から放射方向に再度円周位置を算出 し直せば、 より高精度に光リングの大きさを測定することができる。
[0045] また、 画像処理部 1 1 2は、 ケーブル 1 1 7を介して接続されている Z軸 駆動部本体 1 1 3に指令を送り、 円錐型ミラー 1 0 8を保持する移動部 1 1 4を撮像部 1 1 1方向に所定ピッチで上下させる。 つまり、 測定光学系と円 錐型ミラ一 1 0 8との相対位置を変化させる。 そして、 移動部 1 1 4の所定 位置毎に撮像部 1 1 1から画像データを入力し、 入力した画像データを処理 して、 先に説明したように、 所定位置における被測定物の内側の形状を求め る。
[0046] ここで、 被測定物の穴径に合わせて本装置を最適化する方法を説明する。
[0047] 円形スリット 1 0 3の被測定物 1 0 9への投影倍率、 被測定物 1 0 9から 撮像部 1 1 1への投影倍率、 及び、 撮像部 1 1 1のサイズにより、 本装置の 測定範囲が決まる。 例えば、 撮像部 1 1 1に結像する基準となるリング像の 大きさが決まっていて、 被測定物 1 0 9の内径によって、 リング像はボケな がら、 大きさが変化する。 小さくなれば円として判別できなくなり、 また、 大きくなれば撮像部 1 1 1のサイズを超えてしまうことになる。 例えば、 円 錐ミラ一 1 0 8が図 8に示す上の位置にあるときに被測定物 1 0 9を測定し ようとしても測定不可能となる。
[0048] ここで、 図 8に示すように円錐ミラ一 1 0 8の位置を図 8に示す下の位置 に移動することで、 対物レンズ 1 0 7と円錐ミラ一 1 0 8の間隔を変えるこ とができ、 測定範囲を変えられる。 このように、 円錐ミラ一 1 0 8の位置を 調整するだけで測定範囲を変更でき、 本装置の測定範囲を最大限に活かすこ とができる。
[0049] 図 8では、 対物レンズ 1 0 7によって物体に投影される光リングの径は 0
1 0であり、 上記間隔を広げることで、 ø 3 0の穴径を測定できる。 また、 上記間隔を狭くすることで、 ø 1 0 0の穴径を測定できる。 つまり、 同図の 被測定物 1 0 9 ' のような大きな穴径にも対応できる。
[0050] 尚、 円錐ミラ一 1 0 8の位置を変更すると撮像部 1 1 1で得られるリング 像の大きさと被測定物 1 0 9の内径との関係が変わるため、 円錐ミラ一 1 0 8の位置を変えたときには基準となる被測定物によりキャリブレーションが 必要となる。 また、 円錐ミラー 1 0 8の調整範囲は光学系の倍率、 N Aなど から求めることができる。
[0051 ] 次に、 中空形状測定装置 1 0 1の測定の流れについて、 図 9のフローチヤ ートを用いて説明する。
(ステップ S 2 0 1 ) 先ず、 被測定物 1 0 9を移動部 1 1 4の下にセッ卜す る。
(ステップ S 2 0 2 ) 次に、 移動部 1 1 4の測定レンジ （移動範囲） や測定 ピッチ （移動ピッチ） などの測定仕様をパソコン 1 1 5から入力する。 パソ コン 1 1 5で入力された測定仕様は、 ケーブル 1 1 8を介して画像処理部 1 1 2に出力され、 画像処理部 1 1 2はケーブル 1 1 7を介して Z軸駆動部本 体 1 1 3に移動部 1 1 4を送光部 1 2 0等と共に測定開始位置に移動するよ う指令する。
(ステップ S 2 0 3 ) 移動部 1 1 4の現在位置で送光部 1 0 2から光を照射 し、 撮像部 1 1 1で画像を撮影する。
(ステップ S 2 0 4 ) 撮像部 1 1 1で受光した画像をケーブル 1 1 6を介し て画像処理部 1 1 2に出力する。
(ステップ S 2 0 5 ) 画像処理部 1 1 2は、 図 5および図 6で説明したよう に、 被測定物 1 0 9の内径 （形状） を求める。
(ステップ S 2 0 6 ) 測定仕様に従って、 測定が完了したか否かを判断する 。 例えば、 移動部 1 1 4が移動範囲の終了位置に達していない場合はステツ プ S 2 0 7に進み、 終了位置に達している場合はステップ S 2 0 8に進む。
(ステップ S 2 0 7 ) 移動部 1 1 4を設定された測定ピッチに従って、 次の 測定位置まで移動してステツプ S 2 0 3に戻り、 当該位置での測定を行う。
(ステップ S 2 0 8 ) 移動部 1 1 4が移動範囲の終了位置に達して測定を終 了した場合は、 被測定物 1 0 9の内側の高さ （測定光学系との相対位置） 毎 の形状を求め、 これらの形状を合成して中空形状データを作成する。
ここで、 中空形状データの作成方法について、 図 1 0を用いて説明する。 同図において、 7 0 1から 7 0 6は、 Z軸方向 （高さ方向） にそれぞれ高さ
( n ) から （n + 5 ) まで所定ピッチ毎に可変した時の内側形状を示してい る。 尚、 図では分かり易いように内側形状は円で示しているが、 被測定物 1 0 9によっては半径が異なる凹凸のある形状になる。 各高さ毎に内側形状 7 0 1から 7 0 6を合成することによって、 被測定物 1 0 9の中空形状データ を求めることができ、 この中空形状データから立体的な中空形状 1 0 9 aを 構築することができる。 また、 測定時に測定光の中心と被測定物 1 0 9の中 心とが一致していることが好ましいが、 ずれていた場合には中空データを求 めるときに補正することができる。
[0053] さて、 図 9のフローチャートに戻って説明を続ける。
(ステップ S 2 0 9 ) 画像処理部 1 1 2で作成された中空形状データは、 ケ —ブル 1 1 8を介してパソコン 1 1 5に出力され、 パソコン 1 1 5の画面に 表示される。
(ステップ S 2 1 0 ) 必要に応じて、 パソコン 1 1 5では、 キ一ポ一ドゃマ ウスを操作して、 画面に表示されている被測定物 1 0 9の任意の位置を指定 して、 画像処理部 1 1 2から受け取った被測定物 1 0 9の中空形状データか ら指定された各部の大きさや長さを表示する。
(ステップ S 2 1 1 ) 全ての計測を終了する。
[0054] このようにして、 所定ピッチで移動部 1 1 4を上下させながら被測定物に 光が当たっている部分の内側形状を抽出し、 これらを所定位置毎の内側形状 として合成することによって、 被測定物 1 0 9の中空形状を測定することが できる。 測定した被測定物 1 0 9の中空形状データは、 ケーブル 1 1 8を介 してパソコン 1 1 5に送られ、 パソコン 1 1 5で被測定物 1 0 9の中空形状 を表示することができる。
[0055] 尚、 本実施形態では、 画像処理を行う画像処理部 1 1 2と、 中空形状測定 装置 1 0 1全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン 1 1 5とを別々に設 けたが、 パソコン 1 1 5に画像処理部 1 1 2のハードウェアおよびソフトゥ エアを内蔵するようにしても構わない。 或いは、 逆に画像処理部 1 1 2に操 作部や表示部を設けて、 中空形状測定装置 1 0 1専用の制御部としても構わ ない。
[0056] このように、 本実施形態に係る中空形状測定装置 1 0 1は、 中空状の物体 の所定の高さ毎に基準穴径とのずれから内側形状を求め、 高さを可変しなが ら測定した所定位置毎の内側形状を合成することによって物体の中空形状を 立体的に構築することができる。 特に、 基準穴径とのずれから内側形状を求 めるので、 簡易な構成で複雑な演算を行う必要がない。 また、 一度に全ての 等高線を得るモアレ法は、 物体の高低差によって誤差が大きくなるという問 題があつたが、 本実施形態による中空形状測定装置および測定方法では、 高 さ毎に内側形状を求めるので、 物体の高低差に依らず高精度な測定が可能に なる。 また、 全周にわたる内側形状を 1回の撮影で得ることができるため、 従来の触針式の 3次元計測に比べて極めて高速に 3次元計測を行うことがで さる。
[0057] 尚、 本実施形態では、 光制限スリット 1 0 4を用いて被測定物 1 0 9に照 射する光束の半分を遮蔽するようにしたが、 光制限スリット 1 0 4を用いず に、 Z軸駆動部本体 1 1 3が移動部 1 1 4を移動する Z軸に直交する方向に 被測定物 1 0 9と円錐型ミラー 1 0 8とを相対的に動かす駆動ステージを設 け、 所定の位置で測定をする際に、 駆動ステージを Z軸に直交する方向に微 小距離だけ動かし、 駆動ステージを動かした方向と光束の広がり量 （画像の ボケの大きさ） と基準穴径に対するずれから被測定物 1 0 9の内側形状を求 めるようにしても構わない。 例えば、 駆動ステージを被測定物 1 0 9の内側 に向けて動かした時、 つまり円錐型ミラ一 1 0 8を被測定物 1 0 9の一部に 近づけた時に、 光束の広がり量が大きくなる場合はその部分の被測定物 1 0 9の穴径が基準穴径ょりも小さいことが分かり、 逆に光束の広がり量が小さ <なる場合は被測定物 1 0 9の穴径が基準穴径ょりも大きいことが分かる。 或いは、 駆動ステージを被測定物 1 0 9の内側から離れる方向に動かして、 光束の広がり量が大きくなる場合は被測定物 1 0 9の穴径が基準穴径よりも 大きいことが分かり、 逆に光束の広がり量が小さくなる場合は被測定物 1 0 9の穴径が基準穴径ょりも小さいことが分かる。
[0058] また、 本実施形態では無色透明な移動部 1 1 4で円錐ミラー 1 0 8を支持 したが、 移動部 1 1 4の外周に開口部を設ければ移動部 1 1 4は無色透明で ある必要はない。 また、 円錐ミラ一 1 0 8及び対物レンズ 1 0 7、 ハ一フミ ラー 1 0 6の中心部分は光路とならないため、 この部分に支柱を立てて円錐 ミラ一 1 0 8等の支持を行うこともできる。
[0059] (第 2の実施形態）
以下、 本発明の第 2の実施形態の例を、 図を用いて説明する。 図 1 1は、 本発明の第 2の実施形態である中空形状測定装置 3 0の光学系の概要を示す 図である。
光源 1からの照明光をコレクタレンズ 2で集光し、 ほぼ平行になった光束が 円錐状の出射面を持つ輪帯光形成用のアキシコンレンズ 3に底面方向から入 射する。 前述の照明光の中心はアキシコンレンズ 3の中心軸にほぼ一致し円 錐面で屈折して輪帯状に広がる平行光束を形成する。 この光束は送受光分岐 ミラ一 4 (ハーフミラ一、 ハーフミラーの代わりにハーフプリズムを用いる こともできる） で反射し対物レンズ 5で集光され輪帯状の細い光となる。
[0060] アキシコンレンズ 3は、 その円錐の頂点が、 対物レンズ 5の焦点と一致す るように配置させる。 このように配置すると、 円錐の中心を透過した光線は 対物レンズ 5の瞳の中心を通過し、 対物レンズ 5を透過後は、 対物レンズ 5 の光軸に平行に進む。 また、 アキシコンレンズ 3の円錐面で照明光は屈折さ れるので、 この屈折角と対物レンズ 5の焦点距離の積を半径とする輪帯状の 光が形成される。 さらに、 アキシコンレンズ 3の円錐面に入射した光は、 屈 折されても平行光束のままなので、 対物レンズ 5の物体側焦点位置に集光さ れる。
[0061 ] 輪帯光は、 端面に円錐状に窪んだ反射部 6 aを有する円筒形の光学部材 6
(光透過部材） に入射するが、 その際、 その主光線が、 前記円錐の中心軸 （ 円筒の中心軸に一致） に平行にならないように入射する。 即ち、 輪帯光束の 輪帯幅の中点位置における光線は、 光軸とは平行にならない。 そして、 円錐 状の反射部 6 aで直角に反射されて円筒面より出射し、 所定の距離だけ離れ た円周上で結像する。 なお、 光学部材 6の形状は、 反射部 6 aで反射された 光が射出する面が円筒形であれば、 全体が円筒形である必要は無い。 又、 光 が入射する面は、 前記円錐の中心軸に垂直な平面である。 [0062] ここで、 反射部 6 aの形状は、 第 1の実施形態の図 3で説明した円錐型ミ ラー 1 0 8と同じ形状であっても構わない。 逆に、 第 1の実施形態の円錐型 ミラ一 1 0 8は、 本実施形態の反射部 6 aと同じ形状で、 円筒形の光学部材 6を有していても構わない。
[0063] 前述の輪帯光を形成する光束は被検物体である中空形状の内壁 7で反射さ れ、 再び反射部 6 aで反射されて、 円筒形の光学部材 6および対物レンズ 5 を介して、 送受光分岐ミラー 4を透過し、 さらに開口絞り 8を透過して、 結 像レンズ 9を介して被検物体 7からの反射光による像を撮像面 1 0に形成す る。 開口絞り 8は、 照明光束の瞳と共役になる位置に、 照明光束の瞳と共役 な大きさの円形の開口が開けられている。
[0064] 中空形状の測定の原理を図 1 2を用いて説明する。 以下の図においては、 原則として、 前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、 同じ符号を 付してその説明を省略する。
[0065] わかりやすく説明するために、 輪帯光の片側のみを図 1 2に示す。 図 1 2 では、 輪帯光の結像位置に比べ穴径が大きい場合を示す。 照明光束は一度輪 帯光結像位置 Cで極小となり広がりながら被検物体である中空形状の内壁 7 に照射される。 中空形状の内壁 7で反射された光束は、 反射部 6 a、 光学部 材 6を介して、 対物レンズ 5、 送受光分岐ミラ一 4、 開口絞り 8、 結像レン ズ 9からなる受光光学系に導かれるが、 受光光学系から見るとあたかも A面 から発した光束を受光することになり、 この光束は撮像面 1 0より手前の B 面で結像する。 このため撮像面 1 0では光束が広がって観察される。
[0066] 受光光学系の倍率を ;3、 輪帯光結像位置 Cから中空形状の内壁 7までの距 離を (5とすると、 撮像素子 1 0から結像面 Bまでの距離厶は次のように表す ことができる。
Α = 2 β 2 δ
輪帯光像の放射方向の広がり量どは、 片側にのみ広がるので撮像素子 1 0か ら結像面 Βまでの距離△に結像側の開口数をかけたものとなる。 照明光の開 口数を Ν Αとすると、 [0067] [数 1 ]
NA
ε = Α— = 2 β· ΝΑ -δ 〜(2)
β となる。
[0068] よって、 輪帯光像の放射方向の広がり量どから、 輪帯光結像位置 Cから中 空形状の内壁 7までの距離 Sを求めることができる。 また、 広がりの方向か ら輪帯光の結像位置に比べて穴径が小さいか、 大きいかを判断できる。 即ち 、 輪帯光結像位置に共役な撮像面 1 0上の所定位置から外側に広がる場合は 、 穴径が輪帯光結像位置より大きく、 所定位置から内側に広がる場合は、 穴 径が輪帯光結像位置より小さい。 ここで、 輪帯光像の放射方向の広がりは、 第 1の実施形態の図 5 ( b ) および図 6と同じように考えることができ、 穴 径が輪帯光結像位置 （基準穴径） より大きくなるに従って輪帯光像は外側に 広がり、 穴径が基準穴径ょり小さくなるに従って輪帯光像は内側に広がる。 また、 上記の式 （2 ) の考え方は、 第 1の実施形態にも適用できる。
なお、 本実施形態では、 輪帯光束として連続的な輪帯光束を用いて説明した 力 不連続な （断続的） 輪帯光束であってもよい。
[0069] 輪帯光は中空形状の内側全周方向に投影しているので撮像面内で輪帯状光 の像の広がりを測定することにより、 それぞれの方向での輪帯光結像位置 C から中空形状の内壁 7までの距離を、 全円周方向について求めることができ る。 輪帯光結像位置 Cから、 前記円錐の中心軸 （円筒の中心軸に一致） の距 離は、 光学系 1〜6の配置を変えない限り既知で一定であるので、 これによ り、 前記円錐の中心軸 （円筒の中心軸に一致） から、 中空形状の内壁 7まで の距離を全円周方向について求めることもでき、 中空形状の形状 （前記円錐 の中心軸に垂直な断面形状） を求めることができる。
[0070] なお、 必ずしも、 アキシコンレンズ 3の円錐頂点を、 対物レンズ 5の焦点 に一致させて配置する必要はなく、 輪帯光束の輪帯幅の中点位置における光 線は、 光軸とは平行にならないような輪帯光が形成されればよい。 穴径が輪 帯光結像位置より大きい場合は、 輪帯光結像位置に共役な撮像面 1 0上の所 定位置から外側にも内側にも広がる力 広がり量は、 外側が大きい。 一方、 穴径が輪帯光結像位置より小さい場合は、 輪帯光結像位置に共役な撮像面 1 0上の所定位置から外側にも内側にも広がるが、 広がり量は、 内側が大きい
。 したがって、 広がり量、 広がり方向の双方から穴径が輪帯光結像位置より 大きいか、 小さいかの判断をすることができる。
[0071 ] 撮像素子 1 0には、 通常の碁盤の目のように画素の並んだ C C Dや C M O S素子を用いて、 信号処理で任意の方位の輪帯光結像位置から中空形状の内 壁 7までの距離を求めてもよいが、 図 1 3に示すような放射状に画素を並べ た撮像素子や、 図 1 4に示すように光ファイバ一を入射側を放射状に並べて 出射側を 2次元撮像素子の画素のならびに合わせて並び替えたものを用いる と、 2次元座標から円筒座標系への変換をする必要がないので、 高速で高精 度の測定を行うことができる。
[0072] なお、 図 1 3および図 1 4に示した撮像素子 1 0の構成例は、 第 1の実施 形態に係る中空形状測定装置 1 0 1の撮像部 1 1 1にも適用することができ る。
[0073] さらに、 デフォーカス量が大きくなると光束の広がり量が大きくなり、 ビ ームのエッジ部分の検出がノイズに埋もれやすく誤差を発生しやすくなる。 そのため、 光源 1に L E Dなどを使って強度変調して、 撮像素子の各画素か ら得られる出力を同期検波するようにしてもよい。
[0074] 中空形状の内壁 7の形状を求めるためには、 光学系全体を、 前記円錐の中 心軸方向に移動して輪帯光の当たる位置をずらしながら全周方向の距離を測 定することを繰り返せば、 それぞれの方位に対しての中空形状の内壁 7まで の距離を求めることができるので円筒座標で形状データを得ることができる
[0075] ここで、 本実施形態に係る中空形状測定装置 3 0の測定処理は、 第 1の実 施形態の図 9のフローチャートと同様の処理を画像処理部 1 1 2およびパソ コン 1 1 5を用いて実現することができる。 [0076] 図 1 5に円筒形の光学部材 6を示し、 測定可能な条件を考える。 円筒部材 の円筒部の半径を Rとし、 輪帯光の主光線の半径を rとするとき、 図 1 2で 示す仮想的な発光中心 Aから Θの角度で広がる光が蹴られなく対物レンズ 5 に入射するためには、 図 1 5に示す上側の円筒部材 6の入射側で円筒が光束 径より大きい必要がある。 輪帯光結像位置が円筒の中心軸から uの半径のと ころにある場合に、 深さ Dまで測定できる被検物体の中空形状の内径 øは次 の条件を満たす必要がある。 ただし、 nは円筒部材の屈折率を示す。
[0077] [数 2] " + …
Figure imgf000022_0001
測定長 Dが 1 0 O m mで円筒部の半径 Rが 2 O m m , 屈折率が 1 . 8の光学部 材 6を用いて半径 r = 8 m m , s i n 0 =0. 1の輪帯光を使った場合、 輪帯光 結像位置を円筒の中心軸から 2 2 m mの位置にすると、 内径 99. 7m mまでの 内径の計測を行うことができる。
[0078] (第 3の実施形態）
次に、 第 3の実施形態に係る中空形状測定装置 3 1について説明する。 中 空形状測定装置 3 1は、 必ずしも高速化できるわけではないが、 本発明の光 学部材を用いて共焦点観察を使って全周方向の距離測定を行うことも可能で ある。 図 1 6に第 3の実施形態に係る中空形状測定装置 3 1の構成例を示す 。 図 1 6において示される構成要素は、 特に説明を加えない限り、 図 1 1、 図 1 2に示された中空形状測定装置 3 0の構成要素と同じ構成を有するもの とする。
[0079] 光源 1 1から出射した照明光は、 コレクタレンズ 1 2を介してピンホール
1 3を照明する。 ピンホール 1 3を透過した光はコンデンサレンズ 1 4でほ ぼ平行な光束となり輪帯光形成用のアキシコンレンズ 1 5に入射する。 照明 光は前述のようにアキシコンレンズ 1 5で平行な輪帯状の光束に変換され、 送受光分岐ミラ一 1 6で反射し対物レンズ 1 7に導かれる。 対物レンズ 1 7 では輪帯状にテレセントリックに集光する光束に変換され、 光学部材 1 8に 入射して、 対物レンズ 1 7の光軸に垂直な面内で広がる光束に変換され、 被 検物体である中空形状の内壁 1 9に照射される。
[0080] 中空形状の内壁 1 9で反射された光は光学部材 1 8に再び入射し、 対物レ ンズ 1 7、 送受光分岐ミラー 1 6を透過して受光光学系に導かれる。 受光光 学系は、 開口絞り 2 0で正反射光のみ透過して結像レンズ 2 1で中空形状の 内壁 1 9からの光を集光し、 輪帯スリット 2 2上に像を形成する。 輪帯スリ ット 2 2は像共役の位置 （すなわち、 輪帯状の光束の動径方向の広がりが最 小となる位置と共役な位置） に配置されているため、 中空形状の内壁 1 9が 照明の輪帯光像の結像位置に一致したときに輪帯スリット 2 2を透過する光 3：は取大とな 。
[0081 ] 輪帯スリット 2 2を透過した光は像リレーレンズ 2 3で撮像面 2 4に投影 される。 撮像面 2 4では、 物体に投影される輪帯光の主光線の直径に受光光 学系の総合倍率をかけた直径の部分に輪帯状の像ができるので、 図 1 6 ( b ) に示されるような撮像素子 2 4を用いて、 その周方向の光量をモニターす る。 図 1 6 ( a ) の点線で囲んだ光学系は光学部材 1 8に対して独立に対物 レンズ 1 7の光軸に沿って移動可能であり、 光学部材 1 8と対物レンズ 1 7 の間隔を変えることにより照明輪帯光の結像位置を変化させることができる 。 つまり、 光学部材 1 8を固定して光学系を対物レンズ 1 7の光軸に沿って 移動させ、 撮像面 2 4の各々の画素で受光する光量が最大となる光学部材 1 8と光学系の間隔から中空形状の内壁 1 9の位置を、 各々の画素に対応する 円周方向位置毎に検出することができる。 よって、 中空形状の円周方向の形 状を求めることができる。 中空形状を求めるためには、 さらに光学部材 1 8 を移動したのち、 同様に光学系を移動して測定範囲を走査して直径データを 求める必要がある。
[0082] 以上、 各実施形態において説明してきたように、 本発明に係る測定装置お よび測定方法は、 簡易な構成で、 複雑な演算を行うことなく、 中空状の被測 定物の内側形状を測定することができる。 [0083] 特に、 中空形状の全周方向の距離測定を同時に行うことができ、 距離測定 は光束の主光線の方向に対して行われるので斜めに見るような方式に比べて 一様な精度で測定できるため、 高速で高精度の中空形状測定を行うことがで さる。
[0084] また、 中空形状の内部で光束を放射方向に曲げる反射部を光学部材の内面 反射で行うことにより、 反射部を光透過部が保持することができ、 光を遮る 金物部品の柱は不要になる。
[0085] また、 光透過部はガラスやプラスチックなどの光透過性の材料で埋めるこ とにより、 金物部品の細い柱で支えるより堅牢にできる。 このため、 測定時 に被検物体に衝突などのァクシデン卜に対しても影響を受けにくいので作業 性の向上にもつながる。
[0086] さらに、 光透過部材は空気よりも屈折率が高いので、 同じ開口数の光でも 同じ長さの距離離れた位置で屈折率分だけ光束の広がりが小さくなるので、 より深い中空形状の計測が可能である。

Claims

請求の範囲
[1 ] 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、
前記中空状の深さ方向である第 1の方向に光を送光する送光部と、 前記第 1の方向と略直交する方向に前記光の方向を変換する変換部と、 前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物の内側で反射した光 を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、 所定基準位置からのずれを求めること により前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
[2] 請求項 1に記載の測定装置において、
前記送光部と前記変換部と前記検出部からなる測定光学系と前記被測定物 とを前記第 1の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、 前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた 時の前記検出部の検出結果に基づいて、 前記被測定物の内側形状を測定する こと
を特徴とする測定装置。
[3] 請求項 1または 2に記載の測定装置において、
前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第 1の方向と略直交する 方向の全周に向かって変換すること
を特徴とする測定装置。
[4] 請求項 1から 3のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導き基準位 置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記焦点よりも前記光源側であり前記第 1の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第 1 の光制限部材と、
前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第 2の光学系と
を備え、
前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が 結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する前記基準位置と共役 関係にある受光部を備えること
を特徴とする測定装置。
[5] 請求項 1から 4のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第 1の光制限部材から前記被測定物に照射される光束の一部を遮光す る所定形状の開口を有する第 2の光制限部材を設けたこと
を特徴とする測定装置。
[6] 請求項 1から 5のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第 1の光制限部材を円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
[7] 請求項 1から 3のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導き基準位 置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記光源からの光を輪帯状に変換し、 所 定位置に集光させる光学部材を含み、 前記輪帯光束の輪帯幅の中点位置にお ける光線が、 前記光学部材からなる光学系の光軸とは平行にならないような 輪帯光束生成光学系と、
前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第 2の光学系と
を備え、
前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が 結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する前記基準位置と共役 関係にある受光部を備えること
を特徴とする測定装置。
[8] 請求項 1から 3のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、 前記光を発生する光源と、 前記光源からの光を導き基準位 置に焦点を有する第 1の光学系と、 前記光源からの光を輪帯状に変換し、 所 定位置に集光させる光学部材を含み、 前記輪帯光束の輪帯幅の中点位置にお ける光線が、 前記光学部材からなる光学系の光軸とは平行にならないような 輪帯光束生成光学系と、 前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第 2の光学系と を備え、
前記検出部は前記第 2の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が 前記基準位置と共役関係にある輪帯状スリットを介して前記光源からの光を 受光する受光部と、
前記変換部を固定した状態で、 前記変換部と他の光学系との間隔を変化させ ると共にその間隔を測定することのできる移動手段と
を備えることを特徴とする測定装置。
[9] 請求項 7または 8に記載の測定装置において、
前記輪帯光束生成光学系が、 前記光源からの光を平行光にするコレクタレ ンズと、
前記平行光を、 前記輪帯状光束に変換するアキシコンレンズと
を有することを特徴とする測定装置。
[10] 請求項 1から 9のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部を前記第 1の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置 し、
前記被測定物と前記送光部との間にあって、 前記送光部が送光する前記光 を前記第 1の方向に反射すると共に、 前記被測定物からの戻ってくる光を前 記受光部側に透過するハーフミラーを設けたこと
を特徴とする測定装置。
[1 1 ] 請求項 1から 1 0のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部を円錐形状のミラーで構成したこと
を特徴とする測定装置。
[12] 請求項 1から 1 1のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部は、 全反射により反射を行うものであることを特徴とする測定 装置。
[13] 請求項 1から 1 2のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部は、 光を透過する物質に反射部が形成されていることを特徴と する測定装置。
[14] 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、
送光部が第 1の方向に送光する光の方向を変換部で前記第 1の方向と略直 交する円周方向に変換して前記被測定物の内側に照射し、
前記被測定物の内側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、 所 定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定す ること
を特徴とする測定方法。
[15] 請求項 1 4に記載の測定方法において、
前記被測定物と前記変換部とを前記第 1の方向に相対移動させながら前記 検出を行うことにより前記被測定物の内側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
[16] 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、
送光部が第 1の方向に送光する輪帯状の光束を前記被測定物に挿入した変 換部で前記第 1の方向と略直交する円周方向に変換して前記被測定物の内側 に照射し、
その側面からの反射光を前記変換部を介して、 受光光学系により前記基準 位置と共役な位置に配置した輪帯状スリッ卜に結像させ、 前記輪帯状スリッ トを通過した光を、 前記変換部を固定した状態で前記変換部と他の光学系と の間隔を変化させつつ受光部で受光し、
前記受光部の出力値と前記間隔の値との関係から前記被測定物の内側形状 を測定することを特徴とする測定方法。
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