JP2008164572A - 測定装置および測定方法 - Google Patents
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Abstract
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
【解決手段】
本発明に係る測定装置は、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前記被測定物の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、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを設けた。
【選択図】 図1
Description
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測定装置および測定方法を提供することである。
特に、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前記被測定物の中心軸方向に変換することを特徴とする。
特に、前記変換部を逆円錐形状のミラーで構成したことを特徴とする。
或いは、前記第1の光制限部材を多重円形スリットで構成したことを特徴とする。
または、前記第1の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したことを特徴とする。
また、本発明に係る測定方法は、立体状の被測定物の外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前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定することを特徴とする。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る三次元形状測定装置101のブロック図である。三次元形状測定装置101は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、求めた等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築する装置で、光源102と、視野絞りに相当する円形スリット103と、照明レンズ104と、ハーフミラー105と、対物レンズ106と、逆円錐型ミラー107と、Z軸ステージ本体108および被測定物109を載せた移動ステージ110と、結像レンズ111と、撮像部112と、画像処理部113と、パソコン114とで構成される。
光源102から照射された光は、円形スリット103のスリット115を介して照明レンズ104に入射される。照明レンズ104は、入射した光をハーフミラー105側に送光する。尚、各レンズ(104,105,111)は、それぞれ屈折力を有しているが、理解を容易にするために屈折を省略している。
ここで、撮像部112の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット103と、被測定物109の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの3ヶ所で焦点が合う状態になっている。尚、被測定物109の高さによって外形状の大きさが異なるので、場所によって焦点のずれが予測されるが、照明側のNA(Numerical Aperture:開口数)を小さくして焦点深度を深くすることで、被測定物109の大きさの変動範囲内で焦点のずれをなくすことができる。また、受光側のNAを大きくすることで、検出分解能を高めることができる。
(ステップS201)先ず、被測定物109を移動ステージ110にセットする。
(ステップS202)次に、移動ステージ110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114から入力する。パソコン114で入力された測定仕様は、ケーブル118を介して画像処理部113に出力され、画像処理部113はケーブル117を介してZ軸ステージ本体108に移動ステージ110を初期位置に移動するよう指令する。例えば、図1(b)に示すような最下点に移動ステージ110を移動する。
(ステップS203)移動ステージ110の現在位置で光源102から光を照射し、撮像部112で画像を撮影する。
(ステップS204)撮像部112で受光した画像をケーブル116を介して画像処理部113に出力する。
(ステップS205)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、移動ステージ110が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップS206に進み、終了位置に達している場合はステップS207に進む。
(ステップS206)移動ステージ110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ップS203に戻り、当該位置での測定を行う。
(ステップS207)移動ステージ110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109の高さ毎の等高線を求め、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成する。
(ステップS208)画像処理部113で作成された三次元形状データは、ケーブル118を介してパソコン114に出力され、パソコン114の画面に表示される。
(ステップS209)必要に応じて、パソコン114では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物109の任意の位置を指定して、画像処理部113から受け取った被測定物109の三次元形状データから大きさや長さを求めて表示する。
(ステップS210)全ての計測を終了する。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る三次元形状測定装置201について図7を用いて説明する。三次元形状測定装置201は、第1の実施形態の三次元形状測定装置101と基本的な構成は同じであるが、円形スリット103の代わりに、多重円形スリット202で構成される。尚、図7において図1と同符号のものは同じものを示す。また、第1の実施形態と同様に、撮像部112の受光面と、視野絞りを構成する多重円形スリット202と、被測定物109の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの3ヶ所で焦点が合う状態になっている。
多重円形スリット202は、図8に示すように、スリット203,スリット204およびスリット205の3つのスリットが設けられており、一度に3つの異なる径の光を被測定物109に照射することができる。尚、多重円形スリット202も第1の実施形態の円形スリット103と同様に液晶などで実現することができる。
被測定物109の外側から照射された光は、対物レンズ106およびハーフミラー105を介して点線251,252および253で示すように結像レンズ111で撮像部112の受光面に結像される。撮像部112の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル116を介して画像処理部206に出力される。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係る三次元形状測定装置301について図10を用いて説明する。三次元形状測定装置301は、第1の実施形態の三次元形状測定装置101と基本的な構成は同じであるが、円形スリット103の代わりに、スリット径を可変できる可変円形スリット302で構成される。尚、図10において図1と同符号のものは同じものを示す。また、第1の実施形態と同様に、撮像部112の受光面と、視野絞りを構成する可変円形スリット302と、被測定物109の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの3ヶ所で焦点が合う状態になっている。
可変円形スリット302は、図10に示すように、スリット303およびスリット304の2つのスリットが設けられており、一度に2つの異なる径の光を被測定物109に照射することができる。可変円形スリット302は図11に示すように、スリット303とスリット304の間隔S1を可変することができる。尚、可変円形スリット302も第1の実施形態の円形スリット103と同様に液晶などで実現でき、スリット303とスリット304のいずれか一方を固定して他方を可変してもよいし、両方を可変するようにしても構わない。
図10において、光源102をから照射された光は、可変円形スリット302を介して照明レンズ104に入射され、ハーフミラー105側に送光される。ハーフミラー105で、入射する光の方向を変換して対物レンズ106側に反射し、さらに逆円錐型ミラー107で直角に反射して被測定物109の全周方向から水平に照射される。
ここで、可変円形スリット302を用いた場合に、撮像部112で受光される画像について説明する。可変円形スリット302は径の異なる2つの円形スリットを有しているので、第2の実施形態の図9(a)において、それぞれの径に対応した2つの等高線が得られることになる。ところが、可変円形スリット302はスリット径を自由に可変することができるので、複数回に分けて撮影することで、4つでも5つでも複数の等高線を同じ移動ステージ110の位置で得ることができる。この結果、これら複数の等高線から最適な等高線を求めることができる。
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態に係る三次元形状測定装置401について図12を用いて説明する。三次元形状測定装置401は、第1の実施形態の三次元形状測定装置101と基本的な構成は同じであるが、逆円錐型ミラー107が移動ステージ110と同じ方向に上下するためのミラーステージ本体402とミラー移動ステージ403が設けられ、ミラー移動ステージ403に逆円錐型ミラー107が取り付けられている。
以下、第1の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態においても、第1の実施形態で説明した図5のフローチャートは基本的には同じであるが、画像処理部405の処理が画像処理部113とは異なり、ステップS203およびステップS204において、ミラーステージ本体402を制御して複数回画像を撮影する。つまり、移動ステージ110の同じ位置で、ミラー移動ステージ403を所定のピッチで上下させて、撮像部112で複数枚の画像を撮影する。ミラー移動ステージ403を小さく上下させることで、等高位置が少しずれた画像が得られ、これらの画像を重ね合わせることによって、第2の実施形態で説明した図9(a)のような複数の等高線を得ることができる。
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について図13を用いて説明する。本実施形態は、第1の実施形態の三次元形状測定装置101と基本的な構成は同じで、円形スリット103を工夫したものである。
また、その他の方法として、図13(b)に示すように、位相をシフトしたスリットを用いることで、移動ステージ110が同じ位置において得られる等高線の数を増やすことができる。位相スリット501は径の異なるスリットを半円毎に交互に配置してあり、位相スリット501を回転することによって、6本の円形スリットを設けるのと同じ効果が得られる。
Claims (11)
- 立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、
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前記被測定物の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、前記被測定物の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。 - 請求項1に記載の測定装置において、
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、前記被測定物の三次元形状を測定すること
を特徴とする測定装置。 - 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前記被測定物の中心軸方向に変換すること
を特徴とする測定装置。 - 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部と、前記光源部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受光部を備えること
を特徴とする測定装置。 - 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第1の光制限部材との間にあって、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。 - 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、
前記変換部を逆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。 - 請求項1から6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。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第1の光制限部材を多重円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第1の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。 - 立体状の被測定物の外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前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、
前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。 - 請求項10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三次元形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
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