JP2009250708A - Measurement device and measurement method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that in a measurement method of a hollow shape by an existing technology, a hollow shape of an object is not obtained simultaneously and the object or a light source has to be rotated so that a device may be complicated, and to solve the problem of preciseness. <P>SOLUTION: This measurement device is adapted to measure an inner shape of a hollow cylindrical object to be measured. The measurement device includes a light transmission section for transmitting light in a first direction as an axial direction of the hollow cylindrical object, a change section for changing an advancing direction of the light to a direction perpendicular to the first direction, a modulation section for applying a physical modulation to the light so as to identify the light changed by the change section in the first direction, a detection section for detecting information about focusing of the light reflected at the inside of the object to be measured in the light of which the direction is changed by the change section and information about the physical modulation, and a shape measurement section for measuring the inner shape of the object to be measured by obtaining a deviation from a predetermined reference position on the basis of the detected result of the detection section. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a hollow shape of an object.

従来、物体の中空形状を非接触で測定する方法として、距離センサ法や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、中空内側にレー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)。
特開2006−38820号公報
Conventionally, a distance sensor method, an oblique incidence optical system method, and the like are known as methods for measuring the hollow shape of an object without contact. For example, the distance sensor method is a method of measuring the hollow shape of an object by projecting laser light inside the hollow and measuring the displacement of reflected light while rotating the object (see, for example, Patent Document 1).
JP 2006-38820 A

従来技術による距離センサ法は、物体の中空形状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。   The distance sensor method according to the prior art cannot obtain a hollow shape of an object at a time, and it is necessary to rotate the object and the light source, which not only complicates the apparatus but also has a problem in accuracy.

本発明の目的は、誤差の少ない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。   An object of the present invention is to provide a hollow shape measuring apparatus and a measuring method with little error.

本発明に係る測定装置は、中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、前記中空筒状の軸方向である第1の方向に光を送光する送光部と、前記光を前記第1の方向と略直交する方向に前記光の進行方向を変換する変換部と、前記変換部で変換された前記光が前記第1の方向において区別可能に物理的変調を与える変調部と、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の合焦情報と前記物理的変調の情報と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。   A measuring apparatus according to the present invention is a measuring apparatus that measures an inner shape of a hollow cylindrical object to be measured, and a light transmitting unit that transmits light in a first direction that is an axial direction of the hollow cylindrical object; , Converting the light in a direction substantially orthogonal to the first direction, a conversion unit that converts the traveling direction of the light, and performing physical modulation so that the light converted by the conversion unit can be distinguished in the first direction. A modulation unit that provides, a detection unit that detects focusing information of light reflected from the inside of the object to be measured among light whose direction has been converted by the conversion unit, and information on the physical modulation; and And 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.

また、前記検出部は、前記物理的変調を受けた光の第1の方向における一方の端部である第1エッジ位置と他方の端部である第2エッジ位置とを検出可能であることを特徴とする。   Further, the detection unit is capable of detecting a first edge position that is one end portion and a second edge position that is the other end portion in the first direction of the light subjected to the physical modulation. Features.

また、前記変換部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、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置にお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。   Further, the apparatus further includes a moving unit that relatively moves the conversion unit and the device under test in the first direction, and the shape measuring unit is configured to measure the device under measurement at a plurality of relative positions with the conversion unit and the device under test. It is characterized by measuring the inner shape of an object.

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から光軸方向に平行移動した非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。   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 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 system and having an opening of a predetermined shape; and a second optical system that forms an image of light returned from the object to be measured, and the detection unit Is arranged on a non-imaging plane translated in the optical axis direction from an imaging plane on which an image of the object at the reference position is formed by the second optical system, and receives light from the light source. A light receiving unit having a conjugate relation with the reference position is provided.

また、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。   In addition, a second light limiting member having an opening having a predetermined shape for shielding a part of a light beam irradiated from the first light limiting member to the object to be measured is provided.

また、前記第2の光制限部材を透過する光束の両端の第1エッジ側と第2エッジ側とで異なる変調をかける色フィルタを設けたことを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that a color filter is provided that applies different modulations on the first edge side and the second edge side at both ends of the light beam transmitted through the second light limiting member.

また、前記第2の光制限部材を透過する光束の両端の第1エッジ側と第2エッジ側との少なくとも一方のエッジ形状を同心円状に任意に変更する形状可変機構を設けたことを特徴とする。   In addition, there is provided a shape variable mechanism that arbitrarily changes at least one edge shape of the first edge side and the second edge side of both ends of the light beam transmitted through the second light limiting member into a concentric shape. To do.

また、前記検出部は、前記色フィルタを透過した光束が前記被測定物の内側で反射して投影される光束の色検出を行って前記第1エッジ位置と前記第2エッジ位置とを検出することを特徴とする。   Further, the detection unit detects the first edge position and the second edge position by performing color detection of a light beam that is projected when the light beam that has passed through the color filter is reflected inside the object to be measured. It is characterized by that.

また、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。   Further, the light transmitter is disposed at a position where light is transmitted from a direction different from the first direction, and the light transmitter transmits light between the object to be measured and the light transmitter. A half mirror is provided that reflects light in the first direction and transmits light returning from the object to be measured to the light receiving unit side.

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。   Further, the conversion unit is constituted by a conical mirror.

また、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。   The first light limiting member may be a circular slit.

本発明に係る測定方法は、中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、送光部が前記中空筒状の軸方向である第1の方向に送光する光を前記第1の方向と略直交する方向に前記光の進行方向を変換し、進行方向が変換された前記光は変調部で前記第1の方向において区別可能に物理的変調を与えられ、前記物理的変調を与えられた光のうち前記被測定物の内側で反射した光の合焦情報と前記物理的変調の情報とを検出部で検出した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ことを特徴とする。   A measuring method according to the present invention is a measuring method for measuring an inner shape of a hollow cylindrical object to be measured, and a light transmitting unit transmits light transmitted in a first direction which is the axial direction of the hollow cylindrical shape. The traveling direction of the light is converted to a direction substantially orthogonal to the first direction, and the light whose traveling direction has been converted is subjected to physical modulation in the first direction so as to be distinguishable in the first direction by the modulator. The deviation from the predetermined reference position is determined based on the detection result obtained by detecting the focusing information of the light reflected inside the object to be measured and the information of the physical modulation among the light subjected to the local modulation. The inner shape of the object to be measured is measured by obtaining the measurement object.

また、前記物理的変調を受けた光の第1の方向における一方の端部である第1エッジ位置と他方の端部である第2エッジ位置とを検出することを特徴とする。   Further, the first edge position which is one end portion and the second edge position which is the other end portion in the first direction of the light subjected to the physical modulation are detected.

また、前記変換部と前記被測定物とを前記第1の方向に相対移動させながら前記検出を行い、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置にお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。   Further, the detection is performed while relatively moving the conversion unit and the device under test in the first direction, and the inner shape of the device under test is measured at a plurality of relative positions with the conversion unit and the device under test. It is characterized by doing.

本発明によれば、内面に傾きのある中空筒状の被測定物の内側形状を測定することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inner side shape of the hollow cylindrical to-be-measured object which has an inclination in an inner surface can be measured.

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101のブロック図である。中空形状測定装置101は、中空筒状の物体の内側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って、物体の中空形状を立体的に構築する装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram of a hollow shape measuring apparatus 101 according to the first embodiment. The hollow shape measuring apparatus 101 obtains a cross-sectional shape by measuring the inner shape of a hollow cylindrical object at a predetermined height, and synthesizes the obtained cross-sectional shape in the height direction to form a three-dimensional hollow shape of the object. It is a device that constructs automatically.

中空形状測定装置101は、光源系102と、円形スリット103と、光制限スリット104と、照明レンズ105と、ハーフミラー106と、対物レンズ107と、円錐型ミラー108と、結像レンズ110と、撮像部111と、画像処理部112と、Z軸駆動部本体113と、移動部114と、パソコン115とで構成される。   The hollow shape measuring apparatus 101 includes a light source system 102, a circular slit 103, a light limiting slit 104, an illumination lens 105, a half mirror 106, an objective lens 107, a conical mirror 108, an imaging lens 110, The imaging unit 111, the image processing unit 112, the Z-axis drive unit main body 113, the moving unit 114, and the personal computer 115 are configured.

尚、光源系102と、照明レンズ105および対物レンズ107で構成される光学系(第1の光学系)と、第1の光学系の焦点と共役な位置に配置された円形スリット103(第1の光制限部材)と、被測定物109から戻ってきた光を撮像部111の受光面に結像させる結像レンズ110(第2の光学系)とで送光部を構成する。また、ハーフミラー106は、第1の光学系と第2の光学系の双方に属し、光源系102からの光を被測定物109側に送ると共に被測定物109から戻ってきた光を撮像部111側に送る役割をする。さらに、光源系102,円形スリット103,光制限スリット104,照明レンズ105,ハーフミラー106,対物レンズ107,円錐型ミラー108,結像レンズ110および撮像部111は、移動部114により支持され一体となって測定光学系を構成し上下に移動する。尚、光制限スリット104(第2の光制限部材)は、円形スリット103より被測定物109側に配置される。   Note that an optical system (first optical system) including a light source system 102, an illumination lens 105, and an objective lens 107, and a circular slit 103 (first optical system) disposed at a position conjugate with the focal point of the first optical system. And the imaging lens 110 (second optical system) that forms an image of the light returned from the DUT 109 on the light receiving surface of the imaging unit 111 constitutes a light transmission unit. The half mirror 106 belongs to both the first optical system and the second optical system. The half mirror 106 transmits light from the light source system 102 to the measured object 109 side and transmits light returned from the measured object 109 to the imaging unit. It plays the role of sending to the 111 side. Further, the light source system 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 108, the imaging lens 110, and the imaging unit 111 are supported and integrated by the moving unit 114. Thus, the measurement optical system is configured and moved up and down. The light limiting slit 104 (second light limiting member) is disposed closer to the object to be measured 109 than the circular slit 103.

移動部114は、ハーフミラー106に光源系102の光が入射する部分と、円錐型ミラー108の円周方向にあって被測定物109内側に挿入される移動部114の先端部分114aはガラスなどの透明な部材でできている。また、移動部114は、土台(不図示)に固定されたZ軸駆動部本体113によって、中心軸C1の方向に上下に駆動される。移動部114の先端部分114aは、被測定物109の凹部に出入りして被測定物109の内側形状を測定する。   The moving unit 114 includes a portion where the light of the light source system 102 is incident on the half mirror 106, and a tip portion 114a of the moving unit 114 which is inserted into the object to be measured 109 in the circumferential direction of the conical mirror 108. Made of transparent material. The moving unit 114 is driven up and down in the direction of the central axis C1 by a Z-axis driving unit main body 113 fixed to a base (not shown). The distal end portion 114 a of the moving unit 114 enters and exits the concave portion of the measurement object 109 and measures the inner shape of the measurement object 109.

光源系102から照射された光は、視野絞りに相当する円形スリット103のスリット103aを通って光制限スリット104に入射される。光制限スリット104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154を中心とする例えば内側部分の光束151)が遮蔽され、照明レンズ105側には出力されない。   The light emitted from the light source system 102 enters the light limiting slit 104 through the slit 103a of the circular slit 103 corresponding to the field stop. When the light beam passes through the light restricting slit 104, half of the light beam (for example, the light beam 151 at the inner portion centering on the one-dot chain line 154 indicating the center of the light beam) is blocked and is not output to the illumination lens 105 side.

ここで、円形スリット103および光制限スリット104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103は、光源系102から照射される光をリング状に透過するスリット103aが設けられている。ここで、図1および図2(a)の一点鎖線154は、リング状の光束の中央位置を示す。   Here, the shapes of the circular slit 103 and the light limiting slit 104 will be described in detail with reference to FIG. The circular slit 103 shown in FIG. 2A is provided with a slit 103a that transmits light irradiated from the light source system 102 in a ring shape. Here, an alternate long and short dash line 154 in FIGS. 1 and 2A indicates the center position of the ring-shaped light beam.

一方、図2(b)に示した光制限スリット104は、円形スリット103のスリット103aを透過する光束の内側を遮蔽して外側の光束だけを透過するリング状のスリット104aが設けられている。このため、一点鎖線C2およびC3より内側の光束は遮蔽され、一点鎖線C2およびC3より外側の光束だけが透過される。図2(b)の場合は、リング状スリット104aの内径がリング状の光束の中央位置を示す一点鎖線154の位置にあるので、リング状スリット104aは光束の外側半分だけ透過する。   On the other hand, the light limiting slit 104 shown in FIG. 2B is provided with a ring-shaped slit 104a that shields the inner side of the light beam transmitted through the slit 103a of the circular slit 103 and transmits only the outer light beam. For this reason, the light flux inside the alternate long and short dash lines C2 and C3 is shielded, and only the light flux outside the alternate long and short dashed lines C2 and C3 is transmitted. In the case of FIG. 2B, since the inner diameter of the ring-shaped slit 104a is at the position of the alternate long and short dash line 154 indicating the center position of the ring-shaped light beam, the ring-shaped slit 104a transmits only the outer half of the light beam.

また、リング状のスリット104aには、同心円状に異なる色のフィルタ104bおよびフィルタ104cがはめ込まれている。フィルタ104bおよびフィルタ104cは、一点鎖線C7およびC8で示したように、リング状のスリット104aを透過する光束の内側部分と外側部分とを分離する位置に配置される。このため、光制限スリット104を透過した光束の内側はフィルタ104bの色の光となり、光制限スリット104を透過した光束の外側はフィルタ104cの色の光となる。尚、フィルタ104bとフィルタ104cとの境界は、スリット104aの中央位置である必要はない。   The ring-shaped slit 104a is fitted with filters 104b and 104c of different colors concentrically. The filter 104b and the filter 104c are disposed at positions that separate the inner portion and the outer portion of the light beam that passes through the ring-shaped slit 104a, as indicated by alternate long and short dash lines C7 and C8. For this reason, the inside of the light beam that has passed through the light limiting slit 104 becomes light of the color of the filter 104b, and the outside of the light beam that has passed through the light limiting slit 104 becomes light of the color of the filter 104c. Note that the boundary between the filter 104b and the filter 104c is not necessarily at the center position of the slit 104a.

ここで、円形スリット103および光制限スリット104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111の感度がかわる。また、フィルタ104bおよびフィルタ104cは、光制限スリット104のスリット104aの部分に色を蒸着して実現しても構わない。   Here, the circular slit 103 and the light limiting slit 104 can be realized, for example, by controlling the liquid crystal so as to transmit light in a ring shape using a liquid crystal plate. Alternatively, a method such as vapor-depositing a light shielding part on a glass plate or the like or etching a transmissive part may be used. Further, the sensitivity of the imaging unit 111 changes depending on the shielding rate. The filter 104b and the filter 104c may be realized by vapor-depositing a color on the slit 104a portion of the light limiting slit 104.

光制限スリット104で光束の半分を遮蔽された光は、照明レンズ105を通ってハーフミラー106に入射される。ハーフミラー106は入射する光の方向を変換して、対物レンズ107側に反射する。ここで、ハーフミラー106が反射する光の方向を第1の方向と定義すると、ハーフミラー106で第1の方向に反射された光は、対物レンズ107を介して円錐型ミラー108に送光され、円錐型ミラー108で第1の方向に略直交する全周方向に被測定物109の内側に向けて水平に照射される。つまり、円錐型ミラー108は、第1の方向と略直交する方向に光の方向を変換する変換部として作用する。   The light whose half of the light beam is blocked by the light limiting slit 104 enters the half mirror 106 through the illumination lens 105. The half mirror 106 converts the direction of incident light and reflects it to the objective lens 107 side. Here, if the direction of light reflected by the half mirror 106 is defined as the first direction, the light reflected in the first direction by the half mirror 106 is transmitted to the conical mirror 108 via the objective lens 107. The conical mirror 108 irradiates horizontally toward the inside of the object 109 to be measured in the entire circumferential direction substantially orthogonal to the first direction. That is, the conical mirror 108 acts as a conversion unit that changes the direction of light in a direction substantially orthogonal to the first direction.

円錐型ミラー108から水平に照射された光は、被測定物109の内側で反射して再び円錐型ミラー108に再び入射され、対物レンズ107側に反射された後、ハーフミラー106および結像レンズ110を通って撮像部111の受光面に結像される。尚、撮像部111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ヶ所で焦点が合う状態になっている。また、ハーフミラー106で反射したリング状の光束のリング中心と円錐型ミラー108の中心は一致している。   The light irradiated horizontally from the conical mirror 108 is reflected inside the object to be measured 109, is incident again on the conical mirror 108, is reflected on the objective lens 107 side, and then the half mirror 106 and the imaging lens. An image is formed on the light receiving surface of the imaging unit 111 through 110. Note that the light receiving surface of the imaging unit 111, the circular slit 103 that forms the field stop, and the reference position where the DUT 109 is placed are optically conjugate positions, and these three places are in focus. It has become. Further, the ring center of the ring-shaped light beam reflected by the half mirror 106 is coincident with the center of the conical mirror 108.

ここで、円錐型ミラー108の形状について、図3を用いて説明する。図3(a)は円錐型ミラー108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。ハーフミラー106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154は、円錐型ミラー108の外側に傾斜したミラー部分108aで第1の方向と略直交する方向に反射され、被測定物109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。光制限スリット104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154から光束の外側を示す点線152の間にあり、円錐型ミラー108のミラー部分108aで反射される。さらに、光束の外側を示す点線152は被測定物109で反射し、実線153で示すように、再び円錐型ミラー108で対物レンズ107の方向に反射される。つまり、被測定物109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154から光束の外側を示す実線153の間にある。   Here, the shape of the conical mirror 108 will be described with reference to FIG. 3A is a perspective view of the conical mirror 108, FIG. 3B is a top view, and FIG. 3C is a side view. An alternate long and short dash line 154 indicating the center of the light beam reflected in the first direction through the half mirror 106 is reflected in a direction substantially orthogonal to the first direction by the mirror portion 108a inclined outward from the conical mirror 108, Irradiates the inside of the measurement object 109. FIG. 1A illustrates this state in detail. The light beam transmitted without being blocked by the light limiting slit 104 is, for example, between a dashed line 154 indicating the center of the light beam and a dotted line 152 indicating the outside of the light beam, and reflected by the mirror portion 108 a of the conical mirror 108. Further, a dotted line 152 indicating the outside of the light beam is reflected by the object to be measured 109 and again reflected by the conical mirror 108 toward the objective lens 107 as indicated by a solid line 153. That is, half of the light beam reflected and returned from the inside of the object to be measured 109 is still shielded, and is between the alternate long and short dash line 154 indicating the center of the light beam and the solid line 153 indicating the outside of the light beam.

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101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。光源系102は、光源120、照明のNAを決める開口絞り121、光源120の光を集光するレンズ122、受光側のNAを決める結像絞り123で構成される。尚、先に説明したように、撮像部111の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット103と、基準位置における被測定物109の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ことがわかる。図4において、光制限スリット104で光束の半分が遮蔽されているので、被測定物109から戻ってくる光束も半分が遮蔽され、斜線で示した光束の半分160は撮像部111には入射されない。   This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram depicting the optical configuration of the hollow shape measuring apparatus 101 of FIG. 1, and the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. The light source system 102 includes a light source 120, an aperture stop 121 that determines the NA of illumination, a lens 122 that collects light from the light source 120, and an imaging stop 123 that determines the NA on the light receiving side. As described above, the light receiving surface of the imaging unit 111, the circular slit 103 constituting the field stop, and the area of the object 109 to be measured at the reference position are optically conjugate positions. It can be seen that the camera is in focus at several locations. In FIG. 4, since half of the light beam is shielded by the light limiting slit 104, half of the light beam returning from the object to be measured 109 is also shielded, and half of the light beam 160 indicated by hatching is not incident on the imaging unit 111. .

次に、フィルタ104bおよびフィルタ104cの効果について、図5および図6を用いて詳しく説明する。尚、実際には、図1において、撮像素子111と被測定物109の大きさの関係によりテレセントリック光学系で縮小や拡大を行うが、ここでは説明を容易にするために、図5および図6は等倍のテレセントリック光学系として説明する。等倍テレセントリック系とすることにより、図5および図6において、光源系102から投光される光束の焦点位置に仮想スクリーン301を置いた場合の像と、受光側の焦点位置(撮像素子111の結像面)に投影される像とが等しくなる。つまり、仮想スクリーン301にできる像の大きさ(幅や長さなど)は、撮像素子111の撮影画像から測定可能である。以下、仮想スクリーン301上の像の状態で説明を行う。   Next, the effect of the filter 104b and the filter 104c will be described in detail with reference to FIGS. Actually, in FIG. 1, the telecentric optical system performs reduction or enlargement depending on the relationship between the size of the image sensor 111 and the DUT 109. Here, for ease of explanation, FIG. 5 and FIG. Is described as a telecentric optical system of the same magnification. By adopting the 1 × telecentric system, in FIG. 5 and FIG. 6, an image when the virtual screen 301 is placed at the focal position of the light beam projected from the light source system 102 and the focal position on the light receiving side (of the image sensor 111). The image projected onto the (imaging plane) becomes equal. That is, the size (width, length, etc.) of the image formed on the virtual screen 301 can be measured from the captured image of the image sensor 111. Hereinafter, the description will be made in the state of an image on the virtual screen 301.

尚、図5および図6とも被測定物109の内面402が垂線401に対し角度θの傾きを持っている場合について示している。特に、図5は被測定物109の内面位置が基準寸法より大きい場合を示し、図6は被測定物109の内面位置が基準寸法より小さい場合を示している。また、光制限スリット104を透過して投光される光の照明NAは、光学系の設計値などから既知であるものとする。従って、図1の光制限スリット104を透過して投光される光は、図5および図6において、照明NAにより線152から線154の角度αを持って披測定物109の内面に照射される。ここで、線152は図1の点線152に対応する光束の外側エッジで、線154は図1の一点鎖線154に対応する光束の内側エッジである。また、図2で説明したように、光制限スリット104のフィルタ104bとフィルタ104cにより、線154から線155の間の光束はフィルタ104bの色が付いており、線155から線152の間の光束はフィルタ104cの色が付いている。尚、線155は、フィルタ104bによって作られる照明NAである。また、線156は線154の平行線で、線154と垂線401は直角に交わる。   5 and 6 show the case where the inner surface 402 of the DUT 109 has an inclination of an angle θ with respect to the perpendicular 401. In particular, FIG. 5 shows a case where the inner surface position of the DUT 109 is larger than the reference dimension, and FIG. 6 shows a case where the inner surface position of the DUT 109 is smaller than the reference dimension. Further, the illumination NA of the light transmitted through the light limiting slit 104 is assumed to be known from the design value of the optical system. Therefore, the light projected through the light limiting slit 104 in FIG. 1 is irradiated on the inner surface of the measurement object 109 with an angle α from the line 152 to the line 154 by the illumination NA in FIGS. 5 and 6. The Here, the line 152 is the outer edge of the light beam corresponding to the dotted line 152 in FIG. 1, and the line 154 is the inner edge of the light beam corresponding to the one-dot chain line 154 in FIG. Further, as described in FIG. 2, the light flux between the line 154 and the line 155 is colored by the filter 104b by the filters 104b and 104c of the light limiting slit 104, and the light flux between the line 155 and the line 152. Is colored in the filter 104c. The line 155 is the illumination NA created by the filter 104b. The line 156 is a parallel line of the line 154, and the line 154 and the perpendicular 401 intersect at a right angle.

図5において、披測定物109の内面402が垂線401に対して角度θだけ傾いているので、線154の法線位置からの光線が被測定物109の内面402の点P2で反射した光は仮想スクリーン301上の位置O2に投影される。この時、点P2での入射角および反射角はそれぞれ角度θに等しいので、線分O0−P2と線分O2−P2とが為す角度は2θとなる。同様に、線152の角度からの光線が被測定物109の内面402の点P1で反射した光は仮想スクリーン301上の位置O3に投影される。この時、被測定物109の内面の傾きは、垂線401に対して時計回りを正、反時計回りを負とすると、図5のθはマイナスの値を持つ。従って、線152の角度からの光線の点P1での入射角および反射角はそれぞれ角度(α+θ)と書けるので、線分O0−P1と線分O3−P1とが為す角度は2(α+θ)となる。今、線154と平行線である線156と線分O0−P1とが為す角度はαなので、線156と線153’とが為す角度はα+2θとなる。   In FIG. 5, since the inner surface 402 of the measured object 109 is inclined by the angle θ with respect to the normal 401, the light reflected from the point P <b> 2 on the inner surface 402 of the measured object 109 is reflected by the light beam from the normal position of the line 154. Projected to a position O 2 on the virtual screen 301. At this time, since the incident angle and the reflection angle at the point P2 are respectively equal to the angle θ, the angle formed by the line segment O0-P2 and the line segment O2-P2 is 2θ. Similarly, the light reflected from the angle of the line 152 at the point P 1 on the inner surface 402 of the object to be measured 109 is projected onto the position O 3 on the virtual screen 301. At this time, the inclination of the inner surface of the object 109 to be measured has a negative value for θ in FIG. 5 when the clockwise direction is positive with respect to the vertical line 401 and the counterclockwise direction is negative. Accordingly, since the incident angle and the reflection angle at the point P1 of the light ray from the angle of the line 152 can be written as an angle (α + θ), the angle formed by the line segment O0−P1 and the line segment O3−P1 is 2 (α + θ). Become. Since the angle formed between the line 154 and the line 156 that is a parallel line and the line segment O0-P1 is α, the angle formed between the line 156 and the line 153 ′ is α + 2θ.

ところが、角度θや角度αの値や基準寸法からのずれ量Lの値によっては、位置O2と位置O3との関係が判別できないことがある。例えば、図5のように被測定物109の内面位置が基準寸法より大きい場合と、図6のように被測定物109の内面位置が基準寸法より小さい場合とでは、仮想スクリーン301に投影される像の位置O2と位置O3との位置関係が上下逆になる。このため、仮想スクリーン301に投影される像の両端位置が、光制限スリット104を透過した光束の外側エッジによるものか内側エッジによるものかを判別することができない。   However, the relationship between the position O2 and the position O3 may not be determined depending on the value of the angle θ, the angle α, or the value of the deviation L from the reference dimension. For example, when the inner surface position of the object to be measured 109 is larger than the reference dimension as shown in FIG. 5 and when the inner surface position of the object to be measured 109 is smaller than the reference dimension as shown in FIG. The positional relationship between the image position O2 and the position O3 is upside down. For this reason, it is impossible to determine whether the both end positions of the image projected on the virtual screen 301 are due to the outer edge or the inner edge of the light beam transmitted through the light limiting slit 104.

そこで、本実施形態に係る中空形状測定装置101では、光制限スリット104のスリット104aを透過する光束はフィルタ104bおよびフィルタ104cを通るので、仮想スクリーン301上に投影される像の色を検出することにより(実際には撮像部111にカラーカメラ等色判別可能な撮像素子を用いることにより)、光制限スリット104の外側エッジを透過した光束か内側エッジを透過した光束かを判別することが可能になる。この結果、内側エッジを透過した光束の像の位置O2と外側エッジを透過した光束の像の位置O3とを正確に見分けることができる。尚、位置O2と位置O3の位置検出は、撮像素子111で撮影した画像を画像処理部112でエッジ検出の画像処理を行うことで実現できる。例えば、フィルタ104bまたはフィルタ104cの色毎に撮影像に微分をかけ、そのピークを検出することにより明暗の境界を求め、撮像面の座標から位置O2,位置O3の位置を読み取ることができる。   Therefore, in the hollow shape measuring apparatus 101 according to the present embodiment, since the light beam passing through the slit 104a of the light limiting slit 104 passes through the filter 104b and the filter 104c, the color of the image projected on the virtual screen 301 is detected. (Actually, by using an imaging device capable of discriminating colors such as a color camera in the imaging unit 111), it is possible to determine whether the light beam has passed through the outer edge or the inner edge of the light limiting slit 104. Become. As a result, it is possible to accurately distinguish the position O2 of the image of the light beam transmitted through the inner edge and the position O3 of the image of the light beam transmitted through the outer edge. The position detection of the positions O2 and O3 can be realized by performing image processing for edge detection on the image captured by the image sensor 111 by the image processing unit 112. For example, it is possible to differentiate the photographic image for each color of the filter 104b or the filter 104c, detect the peak thereof to obtain a light / dark boundary, and read the positions O2 and O3 from the coordinates of the imaging surface.

画像処理により求められた像の位置O2と位置O3と、既知の照明NAによる角度αとにより、披測定物109の内面位置の基準寸法からのずれ量L、披測定物109の内面の傾きθ、θにより実際の測定位置ΔZは、以下の式の関係を持っている。尚、各式において、O2およびO3の値は、位置O2および位置O3の位置O0に対する距離を示すものとする。また、以下の各式において、被測定物109の内面の傾きは、垂線401に対して時計回りを正、反時計回りを負としているので、先に説明したように、図5のθはマイナスの値を持ち、同様に変位ΔLもマイナスの値を持つ。   The deviation L from the reference dimension of the inner surface position of the measured object 109 and the inclination θ of the inner surface of the measured object 109 based on the position O2 and the position O3 of the image obtained by the image processing and the angle α by the known illumination NA. , Θ, the actual measurement position ΔZ has the following relationship: In each equation, the values of O2 and O3 indicate the distances of the position O2 and the position O3 to the position O0. Further, in each of the following expressions, the inclination of the inner surface of the DUT 109 is positive in the clockwise direction with respect to the vertical line 401 and negative in the counterclockwise direction, and as described above, θ in FIG. Similarly, the displacement ΔL also has a negative value.

図5において、O2の値は式1により求めることができる。
O2=(L−ΔL)・tan(2θ) ・・・式1
また、O3の値は式2により求めることができる。
O3=L・tan(α+2θ)+L・tan(α) ・・・式2
ここで、ΔZは式3で表すことができ、ΔLは式3を用いて式4で表すことができる。
ΔZ=L・tan(α) ・・・式3
ΔL=ΔZ・tan(θ)= L・tan(θ)・tan(α) ・・・式4
また、式2からLの値は、式5のように求めることができる。
In FIG. 5, the value of O2 can be obtained from Equation 1.
O2 = (L-.DELTA.L) .tan (2.theta.) Equation 1
Further, the value of O3 can be obtained by Equation 2.
O 3 = L · tan (α + 2θ) + L · tan (α) Equation 2
Here, ΔZ can be expressed by Equation 3, and ΔL can be expressed by Equation 4 using Equation 3.
ΔZ = L · tan (α) Equation 3
ΔL = ΔZ · tan (θ) = L · tan (θ) · tan (α) Equation 4
Also, the values of L from Equation 2 can be obtained as in Equation 5.

L=O3/(tan(α+2θ)+tan(α)) ・・・式5
上記の式1,式4,式5において、先に述べたように、O2の値とO3の値と角度αとは既知なので、式1と式4と式5の連立方程式を解けば、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、ずれ量Lが分かれば、式3より実際の垂線方向(Z軸方向)の測定位置のずれ量ΔZが求まる。尚、照明NA値の算出は、基準寸法からの水平方向のずれ量Lが既知で、且つ被測定物109として内面の傾きがない校正用被測定物を用いることにより、式5から角度αとして求めることができる。また、先に説明したように、上記の各式は等倍のテレセントリック光学系の場合を示し、実際の撮像部111に投影される像は等倍とは限らないため、拡大率または縮小率に応じた係数を掛ける必要がある。
L = O3 / (tan (α + 2θ) + tan (α)) Equation 5
As described above, since the values of O 2, O 3 and angle α are already known in the above equations 1, 4 and 5, solving the simultaneous equations of equations 1, 4 and 5, Three variables can be obtained: a deviation L from the reference position of the measured object 109, an inclination θ of the inner surface of the measured object 109, and a displacement ΔL. If the deviation amount L is known, the deviation amount ΔZ of the actual measurement position in the perpendicular direction (Z-axis direction) can be obtained from Equation 3. Note that the illumination NA value is calculated by using the calibration object to be measured having a known deviation L in the horizontal direction from the reference dimension and having no inclination of the inner surface as the object 109 to obtain the angle α from Equation 5. Can be sought. In addition, as described above, each of the above formulas shows a case of an equal magnification telecentric optical system, and an image projected on the actual imaging unit 111 is not necessarily an equal magnification. It is necessary to multiply by the corresponding coefficient.

同様に、図6に示した被測定物109の内面位置が基準寸法より小さい場合においても、式1から式5は成立するので、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔL,Z軸方向の測定位置のずれ量ΔZを求めることができる。尚、図6において、図5と同符号のものは同じものを示す。図6が図5と異なるのは、仮想スクリーン301が被測定物109の内面401より外側に位置することである。   Similarly, even when the position of the inner surface of the object 109 to be measured shown in FIG. 6 is smaller than the reference dimension, Expressions 1 to 5 hold, so that the deviation L from the reference position of the object 109 to be measured, the object to be measured It is possible to obtain the inclination θ of the inner surface 109, the displacement ΔL, and the shift amount ΔZ of the measurement position in the Z-axis direction. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same components. FIG. 6 differs from FIG. 5 in that the virtual screen 301 is located outside the inner surface 401 of the DUT 109.

図6において、披測定物109の内面402が垂線401に対して角度θだけ傾いているので、線154の法線位置からの光線が被測定物109の内面402の点P3で反射した光(線154’)は仮想スクリーン301上の位置O2に投影されるのと等価である。このため、線分O0−P3と線分O2−P3とが為す角度は2θとなる。同様に、線152の角度からの光線が被測定物109の内面402の点P4で反射した光(線153’)は仮想スクリーン301上の位置O3に投影されるのと等価である。この時、被測定物109の内面402の傾きは、垂線401に対して時計回りを正、反時計回りを負とすると、図6のθはマイナスの値を持つので、線152の方向から到来する光線の点P4での入射角および反射角はそれぞれ角度(α+θ)と書けるので、線分O0−P4と線分O3−P4とが為す角度は2(α+θ)となる。今、線154と平行線である線156と線分O0−P4とが為す角度はαなので、線156と線153’とが為す角度はα+2θとなる。   In FIG. 6, the inner surface 402 of the measured object 109 is inclined by the angle θ with respect to the perpendicular 401, so that the light beam from the normal position of the line 154 is reflected by the point P 3 on the inner surface 402 of the measured object 109 ( Line 154 ′) is equivalent to being projected at position O 2 on the virtual screen 301. Therefore, the angle formed by the line segment O0-P3 and the line segment O2-P3 is 2θ. Similarly, the light (line 153 ′) reflected by the point P 4 on the inner surface 402 of the object 109 to be measured from the angle of the line 152 is equivalent to being projected onto the position O 3 on the virtual screen 301. At this time, the inclination of the inner surface 402 of the DUT 109 comes from the direction of the line 152 since θ in FIG. 6 has a negative value when the clockwise direction is positive with respect to the vertical line 401 and the counterclockwise direction is negative. Since the incident angle and the reflection angle at the point P4 of the light ray to be written can be written as an angle (α + θ), the angle formed by the line segment O0−P4 and the line segment O3−P4 is 2 (α + θ). Since the angle formed by the line 154 and the line 156 that is a parallel line and the line segment O 0 -P 4 is α, the angle formed by the line 156 and the line 153 ′ is α + 2θ.

このようにして、図5で説明した場合と同様に、仮想スクリーン301と同じ像を撮像部111で撮影して、画像処理部112で位置O2および位置O3を求めることができる。また、照明NAから角度αは既知なので、式1と式4と式5の連立方程式を解けば、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、ずれ量Lが分かれば、式3より実際の垂線401方向(Z軸方向)の測定位置のずれ量ΔZが求まる。以降、図5および図6で説明した方法で、被測定物109の全周方向の内面402の位置を求め、そのZ軸位置での被測定物109の内側形状を測定できる。例えば、図7は被測定物109の穴径が基準内径(点線円)より大きい場合に、45度毎に被測定物109の内面位置を求める場合を示しており、像が広がっている光リング(網掛け部分)の中央位置としてポイント8点(×印)が求まる。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測定誤差を排除し、被測定物の中心や被測定物の内径を算出する。   In this manner, as in the case described with reference to FIG. 5, the same image as the virtual screen 301 can be taken by the imaging unit 111, and the position O 2 and the position O 3 can be obtained by the image processing unit 112. Further, since the angle α is known from the illumination NA, solving the simultaneous equations of Equations 1, 4 and 5, the deviation L from the reference position of the object 109 to be measured, the inclination θ of the inner surface of the object 109 to be measured, and the displacement Three variables of ΔL can be obtained. If the deviation amount L is known, the deviation amount ΔZ of the measurement position in the actual perpendicular 401 direction (Z-axis direction) can be obtained from Equation 3. Thereafter, the position of the inner surface 402 in the entire circumferential direction of the object to be measured 109 can be obtained by the method described with reference to FIGS. 5 and 6, and the inner shape of the object to be measured 109 at the Z-axis position can be measured. For example, FIG. 7 shows a case where the inner surface position of the object to be measured 109 is obtained every 45 degrees when the hole diameter of the object to be measured 109 is larger than the reference inner diameter (dotted line circle). Eight points (x marks) are obtained as the center position of the (shaded portion). Thereafter, the measurement error is eliminated from these points using a mathematical method such as a least square method, and the center of the object to be measured and the inner diameter of the object to be measured are calculated.

次に、画像処理部112は、ケーブル117を介して接続されているZ軸駆動部本体113に指令を送り、円錐型ミラー108を保持する移動部114をZ軸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ー108との相対位置を変化させる。以降同様に、移動部114のZ軸方向の所定位置毎に撮像部111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、Z軸方向の所定位置における被測定物109の内側形状をZ軸方向の位置毎に求めていく。   Next, the image processing unit 112 sends a command to the Z-axis drive unit main body 113 connected via the cable 117 and moves the moving unit 114 holding the conical mirror 108 up and down at a predetermined pitch in the Z-axis direction. That is, the relative position between the measurement optical system and the conical mirror 108 is changed. Thereafter, similarly, image data is input from the imaging unit 111 at each predetermined position in the Z-axis direction of the moving unit 114, the input image data is processed, and the inner shape of the DUT 109 at the predetermined position in the Z-axis direction is processed. It is obtained for each position in the Z-axis direction.

次に、撮像部111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8を用いて説明する。同図(a)は、光制限スリット104が無い場合に、被測定物109の内側のある点を撮像部111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111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109の内径によってピントがずれるが、合焦位置の内径を基準穴径と定義し、中空形状測定装置101の光学系は、この基準穴径でピントがぴったり合うように予め校正されているものとする。   Next, an image of points constituting an image formed on the light receiving surface of the imaging unit 111 will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a diagram showing a state when a certain point inside the object to be measured 109 is photographed by the imaging unit 111 when there is no light limiting slit 104, and in the case where the hole diameters are different at the measurement position. A change in the spread of the light beam, that is, a change in focus (blurred image) in the imaging unit 111 is depicted. Here, the focus is shifted depending on the inner diameter of the object 109 to be measured, but the inner diameter at the in-focus position is defined as the reference hole diameter, and the optical system of the hollow shape measuring apparatus 101 is preliminarily adjusted so that the focus is exactly at this reference hole diameter. It shall be calibrated.

同図(a)の451および451aから451fは撮像部111で撮像される像を示しており、直線401で示した部分が基準穴径の場合を示し、直線401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っ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451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451a,451bおよび451c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451d,451eおよび451f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、穴径が大きくなっても小さくなっても基準穴径の合焦位置を通る軸C4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ったのか小さくなったのか判別できない。   451 and 451a to 451f in FIG. 5A show images picked up by the image pickup unit 111, where the portion indicated by the straight line 401 is the reference hole diameter, and the hole diameter from the straight line 401 toward the upper side of the paper surface. On the contrary, the hole diameter decreases toward the lower side of the drawing. For example, when the reference hole diameter is photographed, the image is not blurred as the light beam 451, but the light beam spreads as the light beams 451a, 451b, and 451c as the hole diameter becomes larger than the reference hole diameter. Similarly, as the hole diameter becomes smaller than the reference hole diameter, the light beam spreads as light beams 451d, 451e, and 451f. That is, the magnitude of deviation from the reference hole diameter can be measured from the amount of spread of the light beam. However, at this time, the light beam spreads in the same way on both sides of the axis C4 passing through the focus position of the reference hole diameter regardless of whether the hole diameter increases or decreases. Cannot determine whether it has become smaller or smaller.

これに対して、本実施形態の場合は光制限スリット104によって被測定物109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8(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452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452a,452bおよび452cのように点線C5に沿って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452d,452eおよび452fのように点線C5に沿って光束が広がっていく。ところが、図8(a)の場合とは異なり、光束452a,452bおよび452cの光束の広がり方は軸C4の紙面右側の点線C5の方向だけであり、同様に、光束452d,452eおよび452fの光束の広がり方は軸C4の紙面左側の点線C5の方向だけである。つまり、点線C5が軸C4より右側方向に広がっているか左側方向に広がっているかによって、被測定物109の穴径が基準穴径より大きくなっ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112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109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。   On the other hand, in the case of the present embodiment, half of the light beam irradiated to the object to be measured 109 is shielded by the light limiting slit 104, so the change in the spread of the light beam when the hole diameter is different is shown in FIG. become that way. In the figure, when the reference hole diameter is photographed, the image is not blurred as the light beam 452, but as the hole diameter becomes larger than the reference hole diameter, along the dotted line C5 as the light beams 452a, 452b and 452c. The luminous flux spreads. Similarly, as the hole diameter becomes smaller than the reference hole diameter, the light beam spreads along the dotted line C5 as light beams 452d, 452e and 452f. However, unlike the case of FIG. 8A, the light beams 452a, 452b and 452c are spread only in the direction of the dotted line C5 on the right side of the axis C4, and similarly, the light beams 452d, 452e and 452f. Is spread only in the direction of the dotted line C5 on the left side of the paper surface of the axis C4. That is, it is possible to determine whether the hole diameter of the DUT 109 is larger or smaller than the reference hole diameter depending on whether the dotted line C5 extends to the right or left from the axis C4. The image processing unit 112 measures the magnitude of the deviation from the reference hole diameter from the determination result and the amount of spread of the light beam, and determines how large or small the inner shape of the DUT 109 is with respect to the reference hole diameter. Can be sought.

図8では撮像部111の受光面に結像された光束の様子について説明したが、図8は被測定物109の内面の傾きθが0の場合を示している。先に図5および図6で説明したように、被測定物109の内面の傾きθが0でない場合は、図9に示したように撮像部111の受光面に結像される。尚、図9(a)はθがマイナスの場合の図8(b)の図面に対応し、図9(b)はθがプラスの場合の図8(b)の図面に対応する。尚、図9において、図8と同符号のものは同じものを示し、θが0の場合は図8と同様に一点鎖線C4と点線C5とで挟まれた部分に穴径に応じた幅の像が広がっていく。これに対して、図9(a)のθがマイナスの場合は、実線C2と実線C3とで挟まれた部分に像が広がっていく。同様に、図9(b)のθがプラスの場合は、実線C2’と実線C3’とで挟まれた部分に像が広がっていく。尚、像が広がる方向は、θが0の場合と同様に、穴径が大きい場合は実線C2または実線C2’を基準として右側方向に像が広がり、穴径が小さい場合は実線C2または実線C2’を基準として左側方向に像が広がる。このようにして、画像処理部112は、撮像部111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109の内側形状が基準穴径よりも大きいか小さいかを判別することができる。   Although the state of the light beam imaged on the light receiving surface of the imaging unit 111 has been described with reference to FIG. 8, FIG. 8 illustrates a case where the inclination θ of the inner surface of the DUT 109 is zero. As described above with reference to FIGS. 5 and 6, when the inclination θ of the inner surface of the DUT 109 is not 0, an image is formed on the light receiving surface of the imaging unit 111 as illustrated in FIG. 9. 9A corresponds to the drawing of FIG. 8B when θ is negative, and FIG. 9B corresponds to the drawing of FIG. 8B when θ is positive. In FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same components. When θ is 0, the width corresponding to the hole diameter is formed in the portion sandwiched between the dashed line C4 and the dotted line C5 as in FIG. The statue spreads. On the other hand, when θ in FIG. 9A is negative, the image spreads in a portion sandwiched between the solid line C2 and the solid line C3. Similarly, when θ in FIG. 9B is positive, the image spreads in a portion sandwiched between the solid line C2 'and the solid line C3'. As in the case where θ is 0, the image spreads in the right direction with reference to solid line C2 or solid line C2 ′ when the hole diameter is large, and solid line C2 or solid line C2 when the hole diameter is small. The image spreads to the left with 'as the reference. In this way, when the image processing unit 112 receives the image data imaged on the light receiving surface of the imaging unit 111, whether the inner shape of the DUT 109 is larger or smaller than the reference hole diameter from the direction in which the light beam spreads. Can be determined.

次に、中空形状測定装置101の測定の流れについて、図10のフローチャートを用いて説明する。
(ステップS201)先ず、被測定物109を移動部114の下にセットする。
(ステップS202)次に、移動部114のZ軸方向の測定レンジ(移動範囲)やZ軸方向の測定ピッチ(移動ピッチ)などの測定仕様をパソコン115から入力する。パソコン115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112に出力され、画像処理部112はケーブル117を介してZ軸駆動部本体113に移動部114を測定開始位置に移動するよう指令する。
(ステップS203)移動部114の現在位置で光源系102から光を照射し、撮像部111で画像を撮影する。
(ステップS204)撮像部111で受光した画像をケーブル116を介して画像処理部112に出力する。
(ステップS205)画像処理部112は、被測定物109の内径(形状)を求める。この時、図5および図6で説明したように、被測定物109の内面の傾きθによる誤差を補正した内径を求める。
(ステップS206)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114が設定されたZ軸方向の移動範囲の終了位置に達していない場合はステップS207に進み、終了位置に達している場合はステップS208に進む。
(ステップS207)移動部114を設定されたZ軸方向の測定ピッチに従って、次の測定位置までZ軸方向に移動してステップS203に戻り、当該位置での測定を行う。
(ステップS208)移動部114が設定されたZ軸方向の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。
Next, the measurement flow of the hollow shape measuring apparatus 101 will be described with reference to the flowchart of FIG.
(Step S201) First, the DUT 109 is set under the moving unit 114.
(Step S202) Next, measurement specifications such as a measurement range (movement range) in the Z-axis direction and a measurement pitch (movement pitch) in the Z-axis direction of the moving unit 114 are input from the personal computer 115. The measurement specification input by the personal computer 115 is output to the image processing unit 112 via the cable 118, and the image processing unit 112 moves the moving unit 114 to the measurement start position on the Z-axis drive unit main body 113 via the cable 117. Command.
(Step S <b> 203) Light is emitted from the light source system 102 at the current position of the moving unit 114, and an image is captured by the imaging unit 111.
(Step S <b> 204) The image received by the imaging unit 111 is output to the image processing unit 112 via the cable 116.
(Step S205) The image processing unit 112 obtains the inner diameter (shape) of the DUT 109. At this time, as described with reference to FIGS. 5 and 6, the inner diameter obtained by correcting the error due to the inclination θ of the inner surface of the DUT 109 is obtained.
(Step S206) It is determined whether the measurement is completed according to the measurement specification. For example, if the moving unit 114 has not reached the end position of the set movement range in the Z-axis direction, the process proceeds to step S207, and if it has reached the end position, the process proceeds to step S208.
(Step S207) According to the set measurement pitch in the Z-axis direction, the moving unit 114 moves to the next measurement position in the Z-axis direction, returns to Step S203, and performs measurement at the position.
(Step S208) When the movement unit 114 reaches the end position of the set movement range in the Z-axis direction and finishes the measurement, the inner height of the object to be measured 109 (relative position with respect to the measurement optical system) Shapes are obtained, and these shapes are synthesized to create hollow shape data.

ここで、中空形状データの作成方法について、図11を用いて説明する。同図において、701から706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109によっては半径が異なる凹凸のある形状になる。また、面の傾きによりΔZの位置ずれが各ポイントに生じるので、各高さ毎にΔZを加味した上で内側形状701から706を合成することによって、被測定物109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109a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109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。   Here, a method of creating hollow shape data will be described with reference to FIG. In the figure, reference numerals 701 to 706 denote inner shapes when the height is varied from the height (n) to (n + 5) for each predetermined pitch in the Z-axis direction (height direction). In the drawing, the inner shape is shown as a circle for easy understanding. However, depending on the object to be measured 109, the shape has irregularities with different radii. Further, since the position shift of ΔZ occurs at each point due to the inclination of the surface, the hollow shape data of the object to be measured 109 is obtained by synthesizing the inner shapes 701 to 706 with ΔZ taken into account for each height. The three-dimensional hollow shape 109a can be constructed from the hollow shape data. In addition, it is preferable that the center of the measurement light coincides with the center of the object to be measured 109 at the time of measurement.

さて、図10のフローチャートに戻って説明を続ける。
(ステップS209)画像処理部112で作成された中空形状データは、ケーブル118を介してパソコン115に出力され、パソコン115の画面に表示される。
(ステップS210)必要に応じて、パソコン115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112から受け取った被測定物109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S211)全ての計測を終了する。
Now, returning to the flowchart of FIG.
(Step S209) The hollow shape data created by the image processing unit 112 is output to the personal computer 115 via the cable 118 and displayed on the screen of the personal computer 115.
(Step S210) If necessary, the personal computer 115 operates the keyboard or mouse to specify an arbitrary position of the device 109 displayed on the screen, and the device under test received from the image processing unit 112. The size and length of each part designated from 109 hollow shape data are displayed.
(Step S211) All measurements are terminated.

このようにして、所定ピッチで移動部114をZ軸方向に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109の中空形状を測定することができる。測定した被測定物109の中空形状データは、ケーブル118を介してパソコン115に送られ、パソコン115で被測定物109の中空形状を表示することができる。   In this way, by extracting the inner shape of the portion where the light hits the object to be measured while moving the moving unit 114 up and down in the Z-axis direction at a predetermined pitch, and synthesizing these as the inner shape for each predetermined position, The hollow shape of the DUT 109 can be measured. The measured hollow shape data of the measured object 109 is sent to the personal computer 115 via the cable 118, and the personal computer 115 can display the hollow shape data of the measured object 109.

特に、本実施形態では、中空筒状の被測定物109の内面402が傾いている場合であっても、傾きθに応じてずれ量ΔZを補正するので、被測定物109の内側形状を高精度で測定することができる。   In particular, in this embodiment, even when the inner surface 402 of the hollow cylindrical object 109 is inclined, the shift amount ΔZ is corrected according to the inclination θ, so that the inner shape of the object 109 is increased. It can be measured with accuracy.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態に係る中空形状測定装置101は、図1に示した第1の実施形態に係る中空形状測定装置101と基本的には同じ構造であるが、光制限スリット104が異なる。本実施形態では、第1の実施形態の図2の光制限スリット104の代わりに、例えば、図12(b)および(c)に示した光制限スリット104’を用いる。尚、図12(a)は図2(a)と同じ円形スリット103を示している。ここで、図1および図12の一点鎖線154は、リング状の光束の中央位置を示す。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The hollow shape measuring apparatus 101 according to the present embodiment has basically the same structure as the hollow shape measuring apparatus 101 according to the first embodiment shown in FIG. 1, but the light limiting slit 104 is different. In the present embodiment, for example, the light limiting slit 104 ′ shown in FIGS. 12B and 12C is used instead of the light limiting slit 104 of FIG. 2 of the first embodiment. FIG. 12A shows the same circular slit 103 as FIG. Here, an alternate long and short dash line 154 in FIGS. 1 and 12 indicates the center position of the ring-shaped light beam.

本実施形態における光制限スリット104’の特徴は、スリット幅を同心円上に可変できることである。図12(b)はスリット幅を狭くした場合を示し、図12(c)はスリット幅を広くした場合を示している。   The feature of the light limiting slit 104 'in this embodiment is that the slit width can be varied concentrically. FIG. 12B shows a case where the slit width is narrowed, and FIG. 12C shows a case where the slit width is widened.

図12(b)の場合の光制限スリット104’は、円形スリット103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104’dが設けられている。光制限スリット104’の特徴は、一点鎖線C2およびC3で示したように、リング状のスリット104’dの内径がリング状の光束の中央位置を示す一点鎖線154の位置に対応しているため、リング状のスリット104’dは光束の外側の一部しか透過しない。   The light limiting slit 104 ′ in the case of FIG. 12B is provided with a ring-shaped slit 104 ′ d that shields half of the light beam transmitted through the circular slit 103 and transmits the remaining half. The feature of the light limiting slit 104 ′ is that the inner diameter of the ring-shaped slit 104′d corresponds to the position of the alternate long and short dash line 154 indicating the center position of the ring-shaped light beam as indicated by the one-dot chain lines C2 and C3. The ring-shaped slit 104′d transmits only a part of the outside of the light beam.

同様に、図12(c)の場合の光制限スリット104’は、円形スリット103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104’eが設けられている。図12(c)の光制限スリット104’は、一点鎖線C2およびC3で示したように、リング状のスリット104’eの内径は図12(b)のリング状のスリット104’dの内径と変わらないが、リング状のスリット104’eの外側エッジC11およびC12は図12(b)のリング状のスリット104’dの外側エッジC9およびC10より広くなっている。   Similarly, the light limiting slit 104 ′ in the case of FIG. 12C is provided with a ring-shaped slit 104 ′ e that shields half of the light beam transmitted through the circular slit 103 and transmits the remaining half. In the light limiting slit 104 ′ in FIG. 12C, the inner diameter of the ring-shaped slit 104′e is equal to the inner diameter of the ring-shaped slit 104′d in FIG. Although not changed, the outer edges C11 and C12 of the ring-shaped slit 104′e are wider than the outer edges C9 and C10 of the ring-shaped slit 104′d of FIG.

このように、光制限スリット104’を透過する光束の外側エッジの位置を可変することができる。尚、光制限スリット104’のスリット幅を可変する方法として、例えば、カメラの絞りの構造を応用することができる。このような可動部を光制限スリット104’に設け、画像処理部112またはパソコン115から光制限スリット104’の可動部を制御することによって、測定中に任意に光制限スリット104’のスリット幅を可変することができる。   In this way, the position of the outer edge of the light beam passing through the light limiting slit 104 'can be varied. As a method for changing the slit width of the light limiting slit 104 ', for example, the structure of a camera diaphragm can be applied. By providing such a movable part in the light restricting slit 104 ′ and controlling the movable part of the light restricting slit 104 ′ from the image processing unit 112 or the personal computer 115, the slit width of the light restricting slit 104 ′ can be arbitrarily set during measurement. Can be variable.

次に、本実施形態に係る中空形状測定装置101の測定方法について説明する。本実施形態においても、第1の実施形態の図5および図6で説明した測定方法と同じようにして、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔL,Z軸方向の測定位置のずれ量ΔZを求めることができる。   Next, the measuring method of the hollow shape measuring apparatus 101 according to the present embodiment will be described. Also in this embodiment, in the same manner as the measurement method described in FIGS. 5 and 6 of the first embodiment, the deviation L from the reference position of the object 109 to be measured, the inclination θ of the inner surface of the object 109 to be measured. , Displacement ΔL, displacement amount ΔZ of the measurement position in the Z-axis direction can be obtained.

但し、第1の実施形態では、光制限スリット104に設けたフィルタ104bおよびフィルタ104cによって、図5および図6の位置O2と位置O3を区別するようにしたが、本実施形態では図12で説明した光制限スリット104’によって位置O2と位置O3を区別する。本実施形態に係る中空形状測定装置101は、測定中に光制限スリット104’は光束の外側エッジの位置を狭くしたり広くしたりできるので、例えば図5において、光束の外側エッジを示す線152の位置が線154に対して広がったり狭まったりする。この結果、仮想スクリーン301に投影される位置O3が仮想スクリーン301上を動く。画像処理部112は、撮像部111から入力する画像を解析して、動いている方のエッジを位置O3であると識別する。逆に動いていない方のエッジはO2であることがわかる。図6においても、動いている方のエッジを位置O3、動いていない方のエッジを位置O2であると識別することができる。   However, in the first embodiment, the position O2 and the position O3 in FIGS. 5 and 6 are distinguished by the filter 104b and the filter 104c provided in the light limiting slit 104, but in the present embodiment, description will be given with reference to FIG. The position O2 and the position O3 are distinguished by the light limiting slit 104 '. In the hollow shape measuring apparatus 101 according to this embodiment, the light limiting slit 104 ′ can narrow or widen the position of the outer edge of the light beam during measurement. For example, in FIG. Is expanded or narrowed with respect to the line 154. As a result, the position O 3 projected on the virtual screen 301 moves on the virtual screen 301. The image processing unit 112 analyzes the image input from the imaging unit 111 and identifies the moving edge as the position O3. On the contrary, it can be seen that the edge not moving is O2. Also in FIG. 6, it is possible to identify the moving edge as the position O3 and the non-moving edge as the position O2.

位置O2および位置O3を求めることができれば、第1の実施形態と同様に、式1と式4と式5の連立方程式より、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、式3よりZ軸方向の測定位置のずれ量ΔZも求まる。   If the position O2 and the position O3 can be obtained, the deviation L from the reference position of the object 109 to be measured, the measured object 109 from the simultaneous equations of Expressions 1, 4 and 5 as in the first embodiment. The three variables of the inner surface inclination θ and displacement ΔL can be obtained. Further, the deviation amount ΔZ of the measurement position in the Z-axis direction can also be obtained from Equation 3.

上記以外の処理は、第1の実施形態の図10のフローチャートと同じなので重複する説明は省略する。   Since processing other than the above is the same as that of the flowchart of FIG. 10 of the first embodiment, redundant description is omitted.

このようにして、所定ピッチで移動部114をZ軸方向に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109の中空形状を測定することができる。測定した被測定物109の中空形状データは、ケーブル118を介してパソコン115に送られ、パソコン115で被測定物109の中空形状を表示することができる。   In this way, by extracting the inner shape of the portion where the light hits the object to be measured while moving the moving unit 114 up and down in the Z-axis direction at a predetermined pitch, and synthesizing these as the inner shape for each predetermined position, The hollow shape of the DUT 109 can be measured. The measured hollow shape data of the measured object 109 is sent to the personal computer 115 via the cable 118, and the personal computer 115 can display the hollow shape data of the measured object 109.

特に、本実施形態では、光制限スリット104’の外側エッジの位置を可変するので、撮像部111から入力する画像において、光制限スリット104’のスリットを透過した光束の外側エッジと内側エッジとを容易に判別することが可能になる。この結果、中空筒状の被測定物109の内面402が傾いている場合であっても、傾きθに応じてずれ量ΔZを補正するので、被測定物109の内側形状を高精度で測定することができる。   In particular, in this embodiment, since the position of the outer edge of the light limiting slit 104 ′ is variable, the outer edge and the inner edge of the light flux that has passed through the slit of the light limiting slit 104 ′ are displayed in the image input from the imaging unit 111. It becomes possible to easily discriminate. As a result, even when the inner surface 402 of the hollow cylindrical object 109 is inclined, the shift amount ΔZ is corrected according to the inclination θ, so that the inner shape of the object 109 is measured with high accuracy. be able to.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について図13を用いて説明する。本実施形態に係る中空形状測定装置101は、図1に示した第1の実施形態に係る中空形状測定装置101と基本的には同じ構造であるが、撮像部111の配置が異なる。第1の実施形態の撮像部111は、被測定物109を設置する基準位置とは光学的に共役の位置にあったが、本実施形態に係る中空形状測定装置101’の撮像部111’は被測定物109を設置する基準位置と光学的な共役位置よりも上方に平行移動した位置に配置してある。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. The hollow shape measuring apparatus 101 according to the present embodiment has basically the same structure as the hollow shape measuring apparatus 101 according to the first embodiment shown in FIG. 1, but the arrangement of the imaging unit 111 is different. Although the imaging unit 111 of the first embodiment is optically conjugate with the reference position where the object 109 is set, the imaging unit 111 ′ of the hollow shape measuring apparatus 101 ′ according to the present embodiment is The reference object 109 is placed at a position translated parallel to the reference position and the optical conjugate position.

このため、図14および図15に示したように、被測定物109の内面形状を求めることができる。尚、図14は、第1の実施形態の図5に相当し、被測定物109の内面位置が基準寸法より大きい場合を示し、図15は、第1の実施形態の図6に相当し、被測定物109の内面位置が基準寸法より小さい場合を示している。また、図5および図6と同符号のものは同じものを示す。図14および図15において、図5および図6と異なるのは仮想スクリーン302の位置で、仮想スクリーン301の位置に対してΔXだけずれている。この理由は、先に説明したように、撮像部111’の位置が撮像部111の位置からずらして配置されているからである。この仮想スクリーンのずれΔXによって、位置O2および位置O3が投影される位置が位置O2’および位置O3’の位置にずれる。   For this reason, as shown in FIGS. 14 and 15, the inner surface shape of the DUT 109 can be obtained. 14 corresponds to FIG. 5 of the first embodiment, showing a case where the inner surface position of the DUT 109 is larger than the reference dimension, and FIG. 15 corresponds to FIG. 6 of the first embodiment. The case where the inner surface position of the DUT 109 is smaller than the reference dimension is shown. 5 and 6 denote the same components. 14 and 15, the difference from FIGS. 5 and 6 is the position of the virtual screen 302, which is shifted from the position of the virtual screen 301 by ΔX. This is because, as described above, the position of the imaging unit 111 ′ is shifted from the position of the imaging unit 111. Due to the deviation ΔX of the virtual screen, the positions at which the positions O2 and O3 are projected are shifted to the positions O2 'and O3'.

次に、位置O2’および位置O3’から被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面402の傾きθ,変位ΔL,Z軸方向の測定位置のずれ量ΔZの求め方について説明する。   Next, the shift amount L from the reference position of the object 109 to be measured from the position O2 ′ and the position O3 ′, the inclination θ of the inner surface 402 of the measured object 109, the displacement ΔL, and the shift amount ΔZ of the measurement position in the Z-axis direction are obtained. Will be explained.

画像処理により求められた像の位置O2’と位置O3’と、既知の照明NAによる角度αとにより、披測定物109の内面位置の基準寸法からのずれ量L、披測定物109の内面の傾きθ、θによる測定位置のずれ量ΔZは、以下の式の関係を持っている。尚、各式において、O2’およびO3’の値は、位置O2’および位置O3’の位置O0’に対する距離を示すものとする。また、以下の各式において、被測定物109の内面402の傾きは、垂線401に対して時計回りを正、反時計回りを負としているので、図5のθはマイナスの値を持つ。同様に、変位ΔLもマイナスの値を持つ。また、ΔXもマイナスの値を持つ。   The deviation L of the inner surface position of the measured object 109 from the reference dimension, the inner surface position of the measured object 109, based on the position O2 ′ and position O3 ′ of the image obtained by the image processing and the angle α by the known illumination NA. The shift amount ΔZ of the measurement position due to the inclinations θ and θ has the following relationship. In each equation, the values of O2 'and O3' indicate the distance between the position O2 'and the position O3' with respect to the position O0 '. In the following equations, the inclination of the inner surface 402 of the DUT 109 is positive in the clockwise direction with respect to the normal 401 and negative in the counterclockwise direction, and therefore θ in FIG. 5 has a negative value. Similarly, the displacement ΔL has a negative value. ΔX also has a negative value.

図14において、O2’の値は式6により求めることができる。
O2’=(L−ΔL+ΔX)・tan(2θ) ・・・式6
また、O3’の値は式7により求めることができる。
O3’=(L+ΔX)・tan(α+2θ)+(L+ΔX)・tan(α) ・・・式7
ここで、ΔZは式8で表すことができ、ΔLは式8を用いて式9で表すことができる。
ΔZ=L・tan(α) ・・・式8
ΔL=ΔZ・tan(θ)= L・tan(θ)・tan(α) ・・・式9
また、式7からLの値は、式10のように求めることができる。
L=O3’/(tan(α+2θ)+tan(α)) ・・・式10
上記の式6,式9,式10において、O2’の値とO3’の値と角度αとは既知なので、式6と式9と式10の連立方程式を解けば、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、ずれ量Lが分かれば、式8より実際の垂線方向(Z軸方向)の測定位置のずれ量ΔZが求まる。尚、照明NAの値の算出は、基準寸法からの水平方向のずれ量Lが既知で、且つ被測定物109として内面の傾きがない校正用被測定物を用いることにより、式10より角度αとして求めることができる。また、上記の各式は等倍のテレセントリック光学系の場合を示し、実際の撮像部111’に投影される像は等倍とは限らないため、拡大率または縮小率に応じた係数を掛ける必要がある。
In FIG. 14, the value of O2 ′ can be obtained from Equation 6.
O2 '= (L-.DELTA.L + .DELTA.X) .tan (2.theta.) Equation 6
Further, the value of O3 ′ can be obtained by Expression 7.
O3 ′ = (L + ΔX) · tan (α + 2θ) + (L + ΔX) · tan (α) Equation 7
Here, ΔZ can be expressed by Equation 8, and ΔL can be expressed by Equation 9 using Equation 8.
ΔZ = L · tan (α) Equation 8
ΔL = ΔZ · tan (θ) = L · tan (θ) · tan (α) Equation 9
Further, the values of L from Equations 7 can be obtained as in Equation 10.
L = O3 ′ / (tan (α + 2θ) + tan (α)) Equation 10
In the above Equation 6, Equation 9, and Equation 10, since the values of O2 ′, O3 ′, and angle α are known, solving the simultaneous equations of Equation 6, Equation 9, and Equation 10 provides a reference for the object 109 to be measured. Three variables can be obtained: a deviation amount L from the position, an inclination θ of the inner surface of the measured object 109, and a displacement ΔL. If the deviation amount L is known, the deviation amount ΔZ of the actual measurement position in the perpendicular direction (Z-axis direction) can be obtained from Equation 8. Note that the value of the illumination NA is calculated by using the calibration object to be measured having a known deviation L in the horizontal direction from the reference dimension and having no inner surface tilt as the object to be measured 109. Can be obtained as In addition, each of the above formulas shows a case of an equal magnification telecentric optical system, and an actual image projected on the imaging unit 111 ′ is not necessarily an equal magnification, so it is necessary to multiply by a coefficient corresponding to an enlargement ratio or a reduction ratio. There is.

ここで、被測定物109の内面位置が基準位置に等しい場合、つまりL=0の場合、第1の実施形態で説明した式1から式5では、位置O3を特定できないので被測定物109の内面の傾きθを求めることはできないが、本実施形態の場合は以下のように算出できる。
O2’=ΔX・tan(2θ)
O3’=ΔX・tan(2θ+α)+ΔX・tan(α)
となり、O2’の値とO3’の値を算出できる。
Here, when the position of the inner surface of the object to be measured 109 is equal to the reference position, that is, when L = 0, the position O3 cannot be specified by the equations 1 to 5 described in the first embodiment, so Although the inclination θ of the inner surface cannot be obtained, in the case of the present embodiment, it can be calculated as follows.
O2 '= ΔX · tan (2θ)
O3 ′ = ΔX · tan (2θ + α) + ΔX · tan (α)
Thus, the value of O2 ′ and the value of O3 ′ can be calculated.

また、L=ΔXの時も式6および式7より、
O3’=0
O2’=−ΔL・tan(2θ)
=L・tan(θ)・tan(α)・L・tan(2θ)
=ΔX・tan(θ)・tan(α)・L・tan(2θ)
となり、O2’の値とO3’の値を算出できる。
Also, when L = ΔX, from Equation 6 and Equation 7,
O3 '= 0
O2 ′ = − ΔL · tan (2θ)
= L · tan (θ) · tan (α) · L · tan (2θ)
= ΔX · tan (θ) · tan (α) · L · tan (2θ)
Thus, the value of O2 ′ and the value of O3 ′ can be calculated.

このようにして、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔL,Z軸方向の測定位置のずれ量ΔZを求めることができる。   In this way, the deviation amount L from the reference position of the DUT 109, the inclination θ of the inner surface of the DUT 109, the displacement ΔL, and the deviation ΔZ of the measurement position in the Z-axis direction can be obtained.

本実施形態に係る中空形状測定装置101’の測定方法は、基本的には第1の実施形態の図10のフローチャートと同じであるが、ステップS205において被測定物109の内面の傾きθを求める際の処理が異なり、図14および図15で説明した方法により傾きθを求める。これ以外の処理は第1の実施形態と同じなので重複する説明は省略する。   The measuring method of the hollow shape measuring apparatus 101 ′ according to the present embodiment is basically the same as the flowchart of FIG. 10 of the first embodiment, but the inclination θ of the inner surface of the DUT 109 is obtained in step S205. The processing at this time is different, and the inclination θ is obtained by the method described with reference to FIGS. Since other processes are the same as those in the first embodiment, a duplicate description is omitted.

このようにして、所定ピッチで移動部114をZ軸方向に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精度良く抽出し、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109の中空形状を測定することができる。測定した被測定物109の中空形状データは、ケーブル118を介してパソコン115に送られ、パソコン115で被測定物109の中空形状を表示することができる。特に、本実施形態では、被測定物109の内面位置が基準位置に等しい場合、つまりL=0の場合でも被測定物109の内面402の傾きθを求めることができるので、より正確に被測定物109の中空形状を測定することができる。尚、撮像部111’を基準位置と光学的に共役位置よりも下方に平行移動しても同様に処理できる。   In this way, the inner shape of the portion where the light hits the object to be measured is accurately extracted while moving the moving unit 114 up and down in the Z-axis direction at a predetermined pitch, and these are synthesized as the inner shape for each predetermined position. Thus, the hollow shape of the DUT 109 can be measured. The measured hollow shape data of the measured object 109 is sent to the personal computer 115 via the cable 118, and the personal computer 115 can display the hollow shape data of the measured object 109. In particular, in the present embodiment, the inclination θ of the inner surface 402 of the object to be measured 109 can be obtained even when the position of the inner surface of the object to be measured 109 is equal to the reference position, that is, when L = 0, so that the object to be measured can be measured more accurately. The hollow shape of the object 109 can be measured. Note that the same processing can be performed even if the imaging unit 111 ′ is translated downward from the conjugate position optically with respect to the reference position.

以上、各実施形態において説明してきたように、本発明の中空形状測定装置101は、中空筒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ったが、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、従来の触診式の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きる。   As described above, in each embodiment, the hollow shape measuring apparatus 101 of the present invention obtains the inner shape from the deviation from the reference hole diameter for each predetermined height of the hollow cylindrical object, and the height is variable. The hollow shape of the object can be three-dimensionally constructed by synthesizing the inner shape for each predetermined position measured. In particular, since the inner shape is obtained from the deviation from the reference hole diameter, it is not necessary to perform complicated calculations with a simple configuration. Further, the moire method for obtaining all the contour lines at once has a problem that an error becomes large due to the difference in height of the object. However, in the hollow shape measuring apparatus and the measuring method according to the present embodiment, the inner shape is obtained for each height. Therefore, highly accurate measurement is possible regardless of the height difference of the object. Further, since the inner shape over the entire circumference can be obtained by one imaging, three-dimensional measurement can be performed at a very high speed as compared with the conventional palpation-type three-dimensional measurement.

尚、第1および第3の実施形態では光制限スリット104をカラーフィルタで構成し、第2の実施形態では光制限スリット104’を外側エッジを機械的に可変する用にしたが、光制限スリットを透過する光束の両端、つまり外側エッジ側(第1エッジ側)と内側エッジ側(第2エッジ側)とで異なる変調をかける手段であれば、例えば光制限スリットを液晶素子で構成し、外側エッジと内側エッジとで開口タイミングを変えて時間的変調を与えても、上記の実施例と同様の効果が得られることは明らかである。   In the first and third embodiments, the light limiting slit 104 is configured by a color filter, and in the second embodiment, the light limiting slit 104 ′ is used for mechanically changing the outer edge. For example, the light limiting slit is formed of a liquid crystal element and the outer edge side (first edge side) and the inner edge side (second edge side) are differently modulated. It is clear that the same effect as the above-described embodiment can be obtained even if time modulation is applied by changing the opening timing between the edge and the inner edge.

また、各実施形態では、画像処理を行う画像処理部112と、中空形状測定装置101全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン115とを別々に設けたが、パソコン115に画像処理部112のハードウェアおよびソフトウェ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112に操作部や表示部を設けて、中空形状測定装置101専用の制御部としても構わない。   In each embodiment, the image processing unit 112 that performs image processing and the personal computer 115 that displays the entire operation of the hollow shape measuring apparatus 101 and the measurement results are separately provided. You may make it incorporate hardware and software. Or, conversely, an operation unit or a display unit may be provided in the image processing unit 112 to be a control unit dedicated to the hollow shape measuring apparatus 101.

第1の実施形態に係る中空形状測定装置101の構成図である。It is a lineblock diagram of hollow shape measuring device 101 concerning a 1st embodiment. 中空形状測定装置101の円形スリット103および光制限スリット104の構成図である。It is a block diagram of the circular slit 103 and the light limiting slit 104 of the hollow shape measuring apparatus 101. 中空形状測定装置101の円錐型ミラー108の構成図である。2 is a configuration diagram of a conical mirror 108 of the hollow shape measuring apparatus 101. FIG. 中空形状測定装置101の光学系を示す補助図である。3 is an auxiliary diagram showing an optical system of the hollow shape measuring apparatus 101. FIG. 測定原理を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a measurement principle. 測定原理を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a measurement principle. 測定原理を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a measurement principle. 穴径と像の広がりを説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a hole diameter and the breadth of an image. 穴径と像の広がりを説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a hole diameter and the breadth of an image. 中空形状測定装置101の測定手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement procedure of the hollow shape measuring apparatus 101. FIG. 中空形状の構築を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating construction of a hollow shape. 第2の実施形態に係る中空形状測定装置101の光制限スリット104’を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for explaining light limiting slit 104 'of hollow shape measuring device 101 concerning a 2nd embodiment. 第3の実施形態に係る中空形状測定装置101’の構成図である。It is a block diagram of the hollow shape measuring apparatus 101 'which concerns on 3rd Embodiment. 測定原理を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a measurement principle. 測定原理を説明するための補助図である。It is an auxiliary figure for demonstrating a measurement principle.

符号の説明Explanation of symbols

101・・・中空形状測定装置;102・・・光源系;103・・・円形スリット;104・・・光制限スリット;105・・・照明レンズ;106・・・ハーフミラー;107・・・対物レンズ;108・・・円錐型ミラー;109・・・被測定物;110・・・結像レンズ;111・・・撮像部;112・・・画像処理部;113・・・Z軸駆動部本体;114・・・移動部;115・・・パソコン DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Hollow shape measuring apparatus; 102 ... Light source system; 103 ... Circular slit; 104 ... Light restricting slit; 105 ... Illumination lens; 106 ... Half mirror; 108: Conical mirror; 109 ... Object to be measured; 110 ... Imaging lens; 111 ... Imaging unit; 112 ... Image processing unit; 113 ... Z-axis drive unit body 114: moving unit; 115 ... personal computer

Claims (14)

中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、
前記中空筒状の軸方向である第1の方向に光を送光する送光部と、
前記光を前記第1の方向と略直交する方向に前記光の進行方向を変換する変換部と、
前記変換部で変換された前記光が前記第1の方向において区別可能に物理的変調を与える変調部と、
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の合焦情報と前記物理的変調の情報と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。
A measuring device for measuring the inner shape of a hollow cylindrical object to be measured,
A light transmitting section for transmitting light in a first direction which is the axial direction of the hollow cylinder;
A converter that converts the traveling direction of the light into a direction substantially orthogonal to the first direction;
A modulation unit that applies physical modulation so that the light converted by the conversion unit is distinguishable in the first direction;
A detection unit for detecting focusing information of the light reflected inside the object to be measured and light information of the physical modulation among the light whose direction is converted by the conversion unit;
A measuring apparatus comprising: 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.
請求項1に記載の測定装置において、
前記検出部は、前記物理的変調を受けた光の第1の方向における一方の端部である第1エッジ位置と他方の端部である第2エッジ位置とを検出可能であること
を特徴とする測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1,
The detection unit is capable of detecting a first edge position that is one end and a second edge position that is the other end in the first direction of the light subjected to the physical modulation. Measuring device.
請求項1または請求項2に記載の測定装置において、
前記変換部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、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置にお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。
In the measuring apparatus according to claim 1 or 2,
A moving unit that relatively moves the conversion unit and the object to be measured in the first direction;
The shape measuring unit measures an inner shape of the measurement object at a plurality of relative positions with the conversion unit and the measurement object.
請求項1から請求項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から光軸方向に平行移動した非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。
In the measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The light transmission 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 the light source side of the first optical system with respect to the focal point. A first light limiting member disposed at a position conjugate with the focal point and having an opening of a predetermined shape;
A second optical system for imaging the light returned from the object to be measured,
The detection unit is disposed on a non-imaging plane that is translated in the optical axis direction from 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 detects light from the light source. A measuring apparatus, comprising: a light receiving unit having a conjugate relationship with the reference position for receiving light.
請求項4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。
The measuring apparatus according to claim 4, wherein
A measuring apparatus, comprising: a second light limiting member having an opening having a predetermined shape that blocks a part of a light beam irradiated to the object to be measured from the first light limiting member.
請求項5に記載の測定装置において、
前記第2の光制限部材を透過する光束の両端の第1エッジ側と第2エッジ側とで異なる変調をかける色フィルタを設けたこと
を特徴とする測定装置。
The measuring apparatus according to claim 5, wherein
A measuring apparatus comprising: a color filter that performs different modulation on the first edge side and the second edge side of both ends of the light beam transmitted through the second light limiting member.
請求項5に記載の測定装置において、
前記第2の光制限部材を透過する光束の両端の第1エッジ側と第2エッジ側との少なくとも一方のエッジ形状を同心円状に任意に変更する形状可変機構を設けたこと
を特徴とする測定装置。
The measuring apparatus according to claim 5, wherein
A shape variable mechanism for arbitrarily changing at least one edge shape of the first edge side and the second edge side of both ends of the light beam passing through the second light limiting member into a concentric shape is provided. apparatus.
請求項6に記載の測定装置において、
前記検出部は、前記色フィルタを透過した光束が前記被測定物の内側で反射して投影される光束の色検出を行って前記第1エッジ位置と前記第2エッジ位置とを検出すること
を特徴とする測定装置。
The measuring apparatus according to claim 6, wherein
The detection unit detects the first edge position and the second edge position by performing color detection of a light beam that is projected when the light beam that has passed through the color filter is reflected inside the object to be measured. Characteristic measuring device.
請求項1から請求項8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。
In the measuring device according to any one of claims 1 to 8,
The light transmitting unit is disposed at a position for transmitting light from a direction different from the first direction,
Reflecting the light transmitted by the light transmitting unit in the first direction between the measured object and the light transmitting unit, and returning light returning from the measured object to the light receiving unit side A measuring device characterized in that a half mirror is provided.
請求項1から請求項9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。
In the measuring device according to any one of claims 1 to 9,
The measuring device is characterized in that the conversion unit is constituted by a conical mirror.
請求項1から請求項10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。
In the measuring device according to any one of claims 1 to 10,
The first light limiting member is configured by a circular slit.
中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、
送光部が前記中空筒状の軸方向である第1の方向に送光する光を前記第1の方向と略直交する方向に前記光の進行方向を変換し、進行方向が変換された前記光は変調部で前記第1の方向において区別可能に物理的変調を与えられ、前記物理的変調を与えられた光のうち前記被測定物の内側で反射した光の合焦情報と前記物理的変調の情報とを検出部で検出した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こと
を特徴とする測定方法。
A measuring method for measuring the inner shape of a hollow cylindrical object to be measured,
The light transmitting unit converts the light transmitted in the first direction which is the axial direction of the hollow cylindrical shape, the traveling direction of the light is converted into a direction substantially orthogonal to the first direction, and the traveling direction is converted The light is physically modulated in the first direction by the modulation unit so as to be distinguishable, and the focusing information of the light reflected on the inside of the object to be measured among the light subjected to the physical modulation and the physical A measurement method comprising measuring an inner shape of the object to be measured by obtaining a deviation from a predetermined reference position based on a detection result obtained by detecting a modulation information by a detection unit.
請求項12に記載の測定方法において、
前記物理的変調を受けた光の第1の方向における一方の端部である第1エッジ位置と他方の端部である第2エッジ位置とを検出すること
を特徴とする測定方法。
The measurement method according to claim 12, wherein
A measurement method comprising: detecting a first edge position which is one end portion and a second edge position which is the other end portion in the first direction of the light subjected to the physical modulation.
請求項12または請求項13に記載の測定方法において、
前記変換部と前記被測定物とを前記第1の方向に相対移動させながら前記検出を行い、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置において前記被測定物の内側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
The measurement method according to claim 12 or claim 13,
Performing the detection while relatively moving the conversion unit and the device under test in the first direction, and measuring an inner shape of the device under measurement at a plurality of relative positions with the conversion unit and the device under test. Measuring method characterized by
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