JP2012026816A - 寸法測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのテレセントリックセンサを用いた寸法測定において、１つのテレセントリックセンサを用いた測定と同程度の精度で測定を行うことが可能な測定方法および装置を提供する。
【解決手段】測定対象７を照射した光６ａ、６ｂをテレセントリックレンズ４ａ、４ｂを用いて受光機３ａ、３ｂに結像させるテレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂを用い、受光機３ａ、３ｂで受光した光の輝度値の変化と受光機３ａ、３ｂの間の距離Ｌとに基づき、測定対象７の寸法を測定する。受光機３ａ、３ｂの受光素子の画素のうち、距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素１０ａ、１０ｂとする。間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光２０ａ、２０ｂを用いて、テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂの傾き、設置面からの距離、およびテレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂ間の距離を調整して、テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂの配置を決定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、寸法を測定する方法および装置に関し、より詳細には、複数の寸法測定機を用いた寸法測定方法および装置に関する。

近年、テレセントリック法を用いた非接触寸法測定機が実用化されている。テレセントリック法では、テレセントリックセンサを用い、接触プローブ式３次元寸法測定機より高速での寸法測定が可能である。

図１〜３を用いて、テレセントリック法による寸法測定方法について説明する。図１は、１つのテレセントリックセンサを用いる寸法測定方法の概略を示す図である。テレセントリック法は、ＬＥＤなどの光源１からの光を平行な投影光６にした後に、この投影光６で測定対象７を照射し、透過した光をテレセントリックレンズ４によってＣＣＤなどの受光機３上に結像させる。結像した光の明暗の境界の距離から、測定対象７によって遮られた投影光６の幅（測定対象７の影の幅）を求めることで、測定対象７の寸法（例えば、測定対象７が円筒の場合は直径）を求めることができる。

図２は、１つのテレセントリックセンサを用いて、大形の測定対象７の寸法を測定する場合を示す図である。図２に示すように、１つのテレセントリックセンサを用いた測定では、平行な投影光６の幅、またはテレセントリックレンズ４の視野よりも大きな測定対象７を測定することができない。このため、大形の測定対象７を測定する場合には、投影光６の幅を拡げ、且つ、テレセントリックレンズ４の視野を拡げる必要がある。しかしながら、投影光６の幅を拡げたり、テレセントリックレンズ４の視野を拡げたりする場合には、製造コストが著しく増加する。そこで、通常は、大形の測定対象７の寸法を測定する際には、２つのセンサで測定対象７を挟み込む構成が用いられる。

図３は、２つのテレセントリックセンサを用いる寸法測定方法の概略を示す図である。図３では、測定対象７を円筒とし、円筒の直径を測定する方法を示す。この際、円筒の周上の対向する点（測定対象端部）８ａ、８ｂを、各々個別のテレセントリックセンサで測定する。すなわち、一方の受光機３ａの受光素子における光の明暗の境界の位置を、受光素子の中心画素からの画素数としてサブピクセル精度で求める。同時に、他方の受光機３ｂの受光素子における光の明暗の境界の位置を、受光素子の中心画素からの画素数としてサブピクセル精度で求める。

このとき、両方の受光素子の中心画素の間の距離が予め分かっていれば、各受光素子上で決定された受光素子の中心画素からの画素数に各受光素子の画素サイズを掛け、さらにテレセントリックレンズ４ａ、４ｂの倍率で割って求めた計測空間での距離を足し合わせることによって、計測対象７の幅を求めることができる。この方法では、２つの受光素子の中心画素の間の距離を正確に求める、または調整しておく必要がある。さらに、２つの受光素子の中心画素の間の距離が正確に調整できたとしても、テレセントリックセンサが互いに平行に配置されていない場合、測定対象７が光軸方向に移動すると測定値が変わってしまい、正確な測定ができなくなる。

そこで、特許文献１には、相対位置が平行になるように配置された２組のテレセントリックセンサを用いて半導体ウェーハの直径を測定する際に、高精度な測定を実現するために、直径が既知のウェーハの測定値を基準として、測定対象のウェーハの測定値を補正する機能を備えた直径測定装置が開示されている。

また、特許文献２には、２つのテレセントリックセンサを用いて板材の長さを測定する際に、２つのセンサの間の距離を常に把握するような手段を予め設けておき、各センサの基準位置に端部位置がくるように、直径が既知のマスター材を配置し、マスター材の直径の測定値から２つのセンサの基準位置の間の距離を求める技術が記載されている。さらに、設定した基準位置の間の距離を用いて、測定対象の測定値を補正する機能を備えた装置について記載されている。

一方、複数のレーザビームの間隔を高精度に調整し、かつ、平行とする技術は、例えば、特許文献３に記載されている。特許文献３には、レーザビーム走査装置において、複数ビームを所望の間隔で、かつ、走査方向および走査方向に直交する方向の位置を調節する方法について記載されている。

特開２００７−３１５９６６号公報 特開２００７−１６３３４０号公報 特許第３０９９８７５号公報

寸法が既知の物体の測定値を基準として、測定対象の測定値を補正する技術では、用いる補正値には測定機の不確かさが含まれる。また、基準となる寸法が既知の測定体の測定値を用いて、２つのセンサの基準位置の間の距離（２つのセンサの間隔）を設定する技術では、設定する間隔の値には測定機の不確かさが含まれることになる。その結果、２つの測定システムの間隔には、１つの測定システムの２倍の測定不確かさが含まれることとなり、単一の測定システムでの測定に比べ、測定不確かさが増大する。

本発明の目的は、２つのテレセントリックセンサを用いた寸法測定において、１つのテレセントリックセンサを用いた測定と同程度の精度で測定を行うことが可能な測定方法および装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明による寸法測定方法は、基本的には次のような特徴を備える。

測定対象を照射した光をテレセントリックレンズと前記テレセントリックレンズの瞳の位置に配置した絞りとを用いて受光機に結像させるテレセントリックセンサを２つ用い、２つの前記受光機で受光した光の輝度値の変化と２つの前記受光機の間の距離Ｌとに基づき、前記測定対象の寸法を測定する寸法測定方法において、前記受光機の受光素子の画素のうち、前記距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素とする。間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光を用いて、前記テレセントリックセンサの傾き、前記テレセントリックセンサ間の距離、および前記テレセントリックセンサの設置面からの距離を調整することにより、前記テレセントリックセンサの配置を決定する。

また、本発明による寸法測定装置は、基本的には次のような特徴を備える。

光源とテレセントリックレンズと前記テレセントリックレンズの瞳の位置に配置された絞りと受光機とを有するテレセントリックセンサを２つ備え、２つの前記光源から測定対象に光を照射し、２つの前記受光機で受光した光の輝度値の変化と２つの前記受光機の間の距離Ｌとに基づき、前記測定対象の寸法を測定する寸法測定装置において、前記受光機は、受光素子の画素のうち、前記距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素として有する。前記テレセントリックセンサの配置を決定する際には、間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光を用いる間隔調整系が前記光源と前記テレセントリックレンズの間に設置され、前記間隔調整系により、前記テレセントリックセンサの傾き、前記テレセントリックセンサ間の距離、および前記テレセントリックセンサの設置面からの距離が調整される。

本発明によれば、２つのテレセントリックセンサを用いた寸法測定において、１つのテレセントリックセンサを用いた測定と同程度の高精度な測定を行うことが可能である。

１つのテレセントリックセンサを用いる寸法測定方法の概略図である。 １つのテレセントリックセンサを用いて、大形の測定対象の寸法を測定する場合を示す図である。 ２つのテレセントリックセンサを用いる寸法測定方法の概略図である。 本発明の実施例による寸法測定装置の全体構成を示す図である。 ２つのテレセントリックセンサを用いた寸法測定方法において、測定画像より測定対象の寸法を算出する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、間隔調整系を用いて、所望の間隔の２本の平行ビームを生成する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、所望の間隔に設定された２本の平行ビームを有する間隔調整系を用いて、２組のテレセントリックセンサの配置を調整する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、レーザ光を用いてテレセントリックセンサのｘ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、レーザ光を用いてテレセントリックセンサのｚ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、レーザ光を用いてテレセントリックセンサのｘ軸平行方向を調整する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、レーザ光を用いてテレセントリックセンサのｚ軸平行方向を調整する方法を説明するための図である。 本発明の実施例における、レーザ光を用いてテレセントリックセンサのｙ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。

本発明による寸法測定方法および装置は、２つのテレセントリックセンサを用いるものであり、概略は以下の通りである。なお、以下の説明では、測定対象の寸法とは、測定対象の寸法を求める方向（寸法測定方向）の長さのことをいう。

予め、間隔の調整された２本の平行ビーム（平行光）を設定し、この平行ビームがテレセントリックセンサの受光機の受光素子の特定画素（２つの受光機間の距離を定めるための基準画素）に入射して特定画素での輝度値が最大となるように、２つのテレセントリックセンサの配置を調整する。次いで、測定対象の寸法測定方向の端部２箇所に投影光を照射し、投影光による測定対象の影がそれぞれの受光機で撮像されるように、上記方法で調整した２つのテレセントリックセンサを配置する。各テレセントリックセンサの受光機によって撮像された画像から、測定対象の２箇所の端部の位置を求め、これら２箇所の端部の位置と２つのセンサ間の距離から測定対象の寸法を求める。

以下、図４から図１２を用いて、本発明の実施例による寸法測定方法および装置を説明する。

図４は、本発明の実施例による寸法測定装置の全体構成を示す図である。本寸法測定装置では、２つのテレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂを用いる。図４では、測定対象７の寸法を測定している。測定対象７の寸法測定方向（図４の上下方向）にテレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂが配置される。テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの配置の調整は、間隔調整系１０１を用いて行う。間隔調整系１０１は、レーザ光源１９、ハーフミラー２１、およびミラー２２を備え、ターゲット２４ａ、２４ｂ、およびミラー２５（図６参照、図４では示さず）を使用する。間隔調整系１０１について、および間隔調整系１０１を用いたテレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂの配置の調整については、後述する。

テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの計算機に接続される。

なお、測定対象７の寸法測定方向の２箇所の端部（最外部）を、測定対象端部８ａ、８ｂと称する。測定対象端部８ａは、テレセントリックセンサ１００ａ側の端部であり、測定対象端部８ｂは、テレセントリックセンサ１００ｂ側の端部である。

テレセントリックセンサ１００ａは、光源１ａ、ビームエキスパンダ２ａ、テレセントリックレンズ４ａ、受光機３ａ、および絞り５ａを備える。光源１ａで発生した光は、ビームエキスパンダ２ａを介して、ビーム径が拡大された投影光６ａに変換される。投影光６ａの一部は、測定対象７によって遮られる。測定対象７により遮られずに進んだ光は、テレセントリックレンズ４ａを経て受光機３ａに入射し、光電変換されて電気信号を発生させる。このとき、テレセントリックレンズ４ａに入射する光のうち非平行成分の大部分は、テレセントリックレンズ４ａの瞳の位置に設置された絞り５ａにより遮光され、受光機３ａに入射しない。

テレセントリックレンズ４ａは、光の入射方向に配置された２つのレンズから構成され、測定対象７側のレンズを物体側レンズ、受光機３ａ側のレンズを像側レンズと呼ぶ。

本実施例のテレセントリックセンサ１００ａでは、テレセントリックレンズ４ａと受光機３ａが一体となっているものとする。また、光源１ａと受光機３ａが一体となっており、光源１ａから発せられた光は受光機３ａの受光面に垂直に入射する。テレセントリックレンズ４ａと受光機３ａは一体でなくてもよく、光源１ａと受光機３ａも一体でなくてもよい。ただし、光源１ａからの光は受光機３ａの受光面に垂直に入射する必要がある。

ＰＣは、画像取り込みボード１３、バッファメモリ１４、微分処理部１５、および寸法算出部１６を備え、画像表示部１７およびデータ記憶手段１８と接続される。

受光機３ａからの電気信号は、画像取り込みボード１３を介してＰＣ内に取り込まれる。取り込まれた画像信号は、バッファメモリ１４に一時保存される。バッファメモリ１４に一時保存された画像は、微分処理部１５により、例えばｓｏｂｅｌフィルタなどの微分処理が施され、光が入射した部分と入射しない部分の境界部（以後、「エッジ」と称する）に対応した信号（エッジ信号）が抽出される。エッジは、投影光６ａが測定対象７によって遮られた部分と遮られなかった部分との境界であり、輝度値が大きく変化している箇所である。その後、抽出されたエッジ信号の重心（輝度値の変化が最大の位置）を検出することにより、サブピクセル精度でエッジ位置に対応した画素（重心画素）が決定される。

テレセントリックセンサ１００ｂの構成と動作は、テレセントリックセンサ１００ａと同様であるので、説明を省略する。図４に示したテレセントリックセンサ１００ｂにおいて、テレセントリックセンサ１００ａに対応する符号（符号の添え字「ａ」を「ｂ」に変えたもの）は、テレセントリックセンサ１００ａと同一の要素を示す。テレセントリックセンサ１００ｂでも、サブピクセル精度でエッジ位置に対応した画素（重心画素）が決定される。

間隔調整系１０１を用いてテレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂの配置を調整する際には、間隔調整系１０１を測定対象７の位置、すなわちビームエキスパンダ２ａ、２ｂとテレセントリックレンズ４ａ、４ｂとの間に設置する（後述する図７参照）。

なお、図４および以下の図において、座標系を次のように定める。測定対象７の寸法測定方向（図４の上下方向）をｘ軸方向、光源１ａ、１ｂで発生した光の進行方向（図４の左右方向）をｙ軸方向、ｘ軸とｙ軸に垂直な方向（図４の紙面方向）をｚ軸方向とする。テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂ、および間隔調整系１０１は、ｘｙ平面に設置されることになる。間隔調整系１０１のレーザ光源１９から発生したレーザ光は、ハーフミラー２１に向かってｙ軸方向に沿って進行する。

次に、寸法算出部１６により、各重心画素の位置および受光機３ａ、３ｂ間の距離から、測定対象７の寸法を算出する。図５を用いて、寸法の算出方法を説明する。

図５は、２つのテレセントリックセンサを用いた寸法測定方法において、測定画像より測定対象の寸法を算出する方法を説明するための図である。図５の上図は受光機３ａ、３ｂ上での画素を示しており、中図は各画素の輝度値を示すグラフであり、下図は各画素の輝度値の微分値を示すグラフである。

なお、本実施例では、受光機３ａ、３ｂには、画素がｘ軸方向だけの１列に配置されたラインセンサを用いている。受光機３ａ、３ｂは、ラインセンサに限られず、画素がｘ軸方向とｚ軸方向の２次元に配置されたエリアセンサを用いてもよい。また、受光機３ａと受光機３ｂは、画素サイズや画素数が異なるなど、仕様の異なるものであってもよい。

図５の上図において、受光機３ａおよび３ｂには、それぞれ特定画素１０ａおよび１０ｂが定められている。特定画素は、受光機３ａおよび３ｂの受光素子の画素のうち、２つの受光機間の距離を定めるための基準画素である。受光機の中での位置が特定されており、２つの受光機間で対応する位置にある画素を、特定画素とすることができる。本実施例では、受光機３ａ、３ｂの中心にある画素を、特定画素１０ａ、１０ｂとしている。特定画素１０ａ、１０ｂ間の距離をＬとすると、受光機３ａ、３ｂ間の距離もＬとなる。なお、受光機３ａの画素サイズをｄ１、受光機３ｂの画素サイズをｄ２とする。

なお、特定画素１０ａ、１０ｂは、受光機３ａ、３ｂの中心にある画素でなくてもよく、受光機３ａ、３ｂ間で対応する位置にある画素であればよい。例えば、受光機３ａ、３ｂの中心から同方向で等距離にある画素を特定画素としてもよい。

また、図５の上図に示したように、受光機３ａ、３ｂ上には、測定対象７の端部８ａおよび８ｂに対応した画素３０ａおよび３０ｂが存在する。画素３０ａおよび３０ｂは、サブピクセル精度で求めたエッジ位置に対応した画素（重心画素）である。すなわち、重心画素３０ａおよび３０ｂは、図５の中図において輝度値が最も大きく変化している画素であり、下図において輝度値の微分値が最大となっている画素である。

重心画素３０ａについて、特定画素１０ａからの画素数ΔＬ１をサブピクセル単位で求める。求めた画素数ΔＬ１に受光機３ａの画素サイズｄ１を掛け、さらにテレセントリックレンズ４ａの倍率Ｍ１で割ることで、測定対象７の位置での特定画素１０ａに対応する位置と測定対象端部８ａとの距離が求まる。同様に、重心画素３０ｂについても、特定画素１０ｂからの画素数ΔＬ２をサブピクセル単位で求める。求めた画素数ΔＬ２に受光機３ｂの画素サイズｄ２を掛け、さらにテレセントリックレンズ４ｂの倍率Ｍ２で割ることで、測定対象７の位置での特定画素１０ｂに対応する位置と測定対象端部８ｂとの距離が求まる。

なお、テレセントリックレンズ４ａの倍率Ｍ１と、テレセントリックレンズ４ｂの倍率Ｍ２は、テレセントリックレンズ４ａ、４ｂの物体側レンズと像側レンズの位置によって決まり、次式で表される。
Ｍ１＝（絞り５ａから像側レンズまでの距離）／（絞り５ａから物体側レンズまでの距離）
Ｍ２＝（絞り５ｂから像側レンズまでの距離）／（絞り５ｂから物体側レンズまでの距離）
従って、特定画素１０ａと特定画素１０ｂの間の距離Ｌ（受光機３ａと受光機３ｂの間の距離Ｌ）が既知であれば、次式により測定対象７の寸法（寸法測定方向の長さ）Φを求めることができる。

算出された寸法は、画像表示部１７およびデータ記憶手段１８に送られ、数値の表示およびデータの保存が行われる。

次に、図６を用いて、特定画素１０ａおよび１０ｂの間の距離Ｌ（受光機３ａおよび３ｂの間の距離Ｌ）を調整する方法について説明する。

図６は、間隔調整系１０１を用いて、所望の間隔（例えば、距離Ｌ）の２本の平行ビーム（平行光）を生成する方法を説明するための図である。図６において、ｘｙ平面を基準面２６とする。基準面２６は、間隔調整系１０１が設置される平面である。

まず、基準面２６に対して水平で、かつ、基準面２６からｚ軸方向に同じ距離だけ離れた２本の平行なビームの仮想的な光路２０ａおよび２０ｂを設定する。

光路２０ａおよび２０ｂに合わせて、ハーフミラー２１、ミラー２２、ミラー２５を配置する。ハーフミラー２１は、光路２０ａに対して入射面が垂直で、かつ反射光が基準面２６に水平となるように設置する。ミラー２２は、ハーフミラー２１の反射光を光路２０ｂと平行に反射するように設置する。また、ミラー２２は、ｘ軸方向に平行移動できるようにする。ミラー２５は、光路２０ａと垂直になるように設置する。このように設置すると、ハーフミラー２１を通ってミラー２５に向かう光と、ハーフミラー２１で反射されてミラー２２でさらに反射された光とを平行にすることができる。

その後、レーザ光源１９を設置してハーフミラー２１の入射面にレーザ光を入射し、レーザ光が光路２０ａを通ってミラー２５に入射したとき、ミラー２５の入射光軸と反射光軸が一致するように、ｘ軸を回転軸とする回転方向（ｘ軸回転方向）と、ｚ軸を回転軸とする回転方向（ｚ軸回転方向）の調整を行う。

次に、ミラー２５を撤去し、代わりにターゲット２４ａを設置する。ターゲット２４ａには、２本の平行ビームの間隔を所望の間隔（距離Ｌ）に合わせるための基準点が設けられている。図６では、ターゲット２４ａの中央部の十字が、基準点を示している。レーザ光源１９からのレーザ光が光路２０ａを通ってこの基準点に当たるように、ターゲット２４ａを設置する。

次に、ターゲット２４ｂを、ターゲット２４ａとの距離が所望の距離Ｌとなるように設置する。ターゲット２４ａとターゲット２４ｂとの距離を定めるのには、例えば、マイクロステージなど、数μｍ単位で位置の調整が可能な機構を用いる。

ターゲット２４ｂには、ターゲット２４ａと同様に、２本の平行ビームの間隔を所望の間隔（距離Ｌ）に合わせるための基準点が設けられている。レーザ光源１９からのレーザ光が光路２０ｂを通ってターゲット２４ｂの基準点に当たるように、ミラー２２をｘ軸に平行な方向（ｘ軸平行方向）に移動させて調整する。これにより、光路２０ａを通る光と光路２０ｂを通る光との間隔を、距離Ｌに設定することができる。

以上の手順によって調整された、所望の間隔（距離Ｌ）の２本の平行ビームを有する光学系（間隔調整系１０１）を用い、２組のテレセントリックセンサの配置を調整する。

図７は、所望の間隔に設定された２本の平行ビームを有する間隔調整系１０１を用いて、２組のテレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの配置を調整する方法を説明するための図である。テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂは、受光機３ａおよび３ｂの間隔が所望の間隔（距離Ｌ）になり、受光機３ａおよび３ｂに入射する光が平行になるように、間隔調整系１０１を用いて配置が調整される。

図７に示すように、間隔調整系１０１は、テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂのビームエキスパンダ２ａ、２ｂとテレセントリックレンズ４ａ、４ｂとの間に設置する。テレセントリックレンズ４ａ、４ｂは、間隔調整系１０１のレーザ光が入射するように配置する。

テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの配置の決定には、各テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂのｘ軸回転方向、ｙ軸回転方向（ｙ軸を回転軸とする回転方向）、ｚ軸回転方向、ｘ軸平行方向、およびｚ軸平行方向（ｚ軸に平行な方向）という５つの自由度を調整する必要がある。ｘ軸回転方向、ｙ軸回転方向、およびｚ軸回転方向の自由度により、それぞれの軸のまわりのテレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの傾きを調整する。ｘ軸平行方向の自由度により、テレセントリックセンサ１００ａとテレセントリックセンサ１００ｂとの間の距離を調整する。ｚ軸平行方向の自由度により、テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂのｘｙ平面（テレセントリックセンサ１００ａ、１００ｂ、および間隔調整系１０１が設置される面）からの距離を調整する。テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂは、これら５つの自由度に対して、角度調整機構や位置調整機構を用いて、各軸を回転方向とする傾きやｘ軸方向とｚ軸方向の位置が調整されて、配置が決定される。

図８から図１２を用いて、各自由度の調整方法を説明する。以下では、テレセントリックセンサ１００ａに対する調整方法について説明する。テレセントリックセンサ１００ｂに対しても、テレセントリックセンサ１００ａと同様の方法で調整する。なお、画素がｘ軸方向とｚ軸方向の２次元に配置されたエリアセンサを用いた場合でも、以下に説明する方法を利用して各自由度を調整することができる。

まず、図８および図９を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸回転方向およびｚ軸回転方向の調整方法を説明する。ｘ軸回転方向とｚ軸回転方向の調整は、どちらを先に行ってもよい。

図８は、間隔調整系１０１のレーザ光を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。図８では、ｘ軸方向から見たテレセントリックセンサ１００ａのテレセントリックレンズ４ａ、絞り５ａ、および受光機３ａを示している。

テレセントリックセンサ１００ａがｘ軸回転方向に傾いていない場合（受光機３ａの受光面と光路２０ａが垂直である場合）には、光路２０ａで表される間隔調整系１０１のレーザ光は、テレセントリックレンズ４ａと絞り５ａを通って、受光機３ａに入射する。

しかし、図８に示すように、テレセントリックセンサ１００ａがｘ軸回転方向に傾いている場合（受光機３ａの受光面と光路２０ａが垂直でない場合）には、レーザ光の光路２０ａは、絞り５ａによって遮られ、受光機３ａに入射しない。そこで、受光機３ａにレーザ光が入射するようにテレセントリックセンサ１００ａの位置を調整することにより、ｘ軸回転方向の位置を決定する。具体的には、ｘ軸を回転軸としてテレセントリックセンサ１００ａを回転させて、絞り５ａを通過した光が受光機３ａに入射するようにする。

図９は、間隔調整系１０１のレーザ光を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｚ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。図９では、ｚ軸方向から見たテレセントリックセンサ１００ａのテレセントリックレンズ４ａ、絞り５ａ、および受光機３ａを示している。

テレセントリックセンサ１００ａがｚ軸回転方向に傾いていない場合（受光機３ａの受光面と光路２０ａが垂直である場合）には、光路２０ａで表される間隔調整系１０１のレーザ光は、テレセントリックレンズ４ａと絞り５ａを通って、受光機３ａに入射する。

しかし、図９に示すように、テレセントリックセンサ１００ａがｚ軸回転方向に傾いている場合（受光機３ａの受光面と光路２０ａが垂直でいない場合）には、レーザ光の光路２０ａは、絞り５ａによって遮られ、受光機３ａに入射しない。そこで、受光機３ａにレーザ光が入射するようにテレセントリックセンサ１００ａの位置を調整することにより、ｚ軸回転方向の位置を決定する。具体的には、ｚ軸を回転軸としてテレセントリックセンサ１００ａを回転させて、絞り５ａを通過した光が受光機３ａに入射するようにする。

次に、図１０を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸平行方向の調整方法を説明する。テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸回転方向とｚ軸回転方向の調整が終了したら、ｘ軸平行方向の調整を行う。図１０は、間隔調整系１０１のレーザ光を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸平行方向を調整する方法を説明するための図である。図１０の左図では、ｚ軸方向から見たテレセントリックセンサ１００ａのテレセントリックレンズ４ａ、絞り５ａ、および受光機３ａを示しており、右図では、受光機３ａを図６と同じ斜め方向から見ている。

間隔調整系１０１のレーザ光は、テレセントリックレンズ４ａと絞り５ａを通って、受光機３ａに入射する。図１０の左図に示すように、受光機３ａの画素のうち、光路２０ａを通ったレーザ光が当たった画素は、他の画素よりも輝度値が大きい。従って、テレセントリックセンサ１００ａがｘ軸平行方向にずれていない場合（特定画素１０ａ、１０ｂ間の距離がＬである場合）には、光路２０ａを通ったレーザ光が特定画素１０ａに当たり、特定画素１０ａで輝度値が最大になる。

しかし、テレセントリックセンサ１００ａがｘ軸平行方向にずれている場合には、図１０の右図に示すように、特定画素１０ａと異なる位置の画素４０で輝度値が最大となる。そこで、特定画素１０ａの輝度値が他の画素の輝度値より大きくなるように、テレセントリックセンサ１００ａの位置を調節することにより、ｘ軸平行方向の位置を決定する。具体的には、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸方向に平行移動させていき、受光機３ａの画素のうち、特定画素１０ａにおいて輝度値が最大となるようにする。

次に、図１１を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｚ軸平行方向の調整方法を説明する。テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸平行方向の調整が終了したら、ｚ軸平行方向の調整を行う。図１１は、間隔調整系１０１のレーザ光を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｚ軸平行方向を調整する方法を説明するための図である。図１１の左図では、ｘ軸方向から見たテレセントリックセンサ１００ａのテレセントリックレンズ４ａ、絞り５ａ、および受光機３ａを示しており、右図では、受光機３ａを図６と同じ斜め方向から見ている。

図１１の左図に示すように、間隔調整系１０１のレーザ光は、テレセントリックレンズ４ａと絞り５ａを通って、受光機３ａに入射する。光路２０ａを通ったレーザ光は、受光機３ａの特定画素１０ａに当たっている。テレセントリックセンサ１００ａがｚ軸平行方向にずれていない場合には、特定画素１０ａの中心にレーザ光が当たり、特定画素１０ａの輝度値は、特定画素１０ａの中心以外にレーザ光が当たる場合よりも大きくなる。

しかし、テレセントリックセンサ１００ａがｚ軸平行方向にずれている場合には、図１１の右図に示すように、光路２０ａを通ったレーザ光は、特定画素１０ａの中心に当たらない。従って、特定画素１０ａでの輝度値は、特定画素１０ａの中心にレーザ光が当たる場合に比べて減少する。そこで、特定画素１０ａに当たるレーザ光の輝度値が最大となるように（すなわち、特定画素１０ａの中心にレーザ光が当たるように）、テレセントリックセンサ１００ａの位置を調節することにより、ｚ軸平行方向の位置を決定する。具体的には、テレセントリックセンサ１００ａをｚ軸方向に平行移動させて特定画素１０ａにおける輝度値を変えていき、特定画素１０ａでの輝度値が最大値をとるようにする。

次に、図１２を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｙ軸回転方向の調整方法を説明する。テレセントリックセンサ１００ａのｚ軸平行方向の調整が終了したら、ｙ軸回転方向の調整を行う。図１２は、間隔調整系１０１のレーザ光を用いて、テレセントリックセンサ１００ａのｙ軸回転方向を調整する方法を説明するための図である。図１２の上図では、ｚ軸方向から見たテレセントリックセンサ１００ａのテレセントリックレンズ４ａ、絞り５ａ、および受光機３ａを示しており、中図では受光機３ａを図６と同じ斜め方向から見ている。図１２の下図は、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させたときの、受光機３ａの各画素の輝度値を示すグラフである。

上述したｘ軸平行方向およびｚ軸平行方向の位置の調整により、光路２０ａを通るレーザ光は、特定画素１０ａの中心に当たっている。この後、図１２の上図に示すように、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させる。図１２の上図では、テレセントリックセンサ１００ａを−ｘ方向（図の上方向）に移動させている。このとき、特定画素１０ａおよび特定画素１０ａ以外の任意の画素について、各々輝度値を測定する。特定画素１０ａ以外の任意の画素としては、例えば、特定画素１０ａから数画素離れた１つまたは複数の画素を選ぶことができる。

テレセントリックセンサ１００ａがｙ軸回転方向に傾いていない場合には、図１２の中左図に示すように、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させても、光路２０ａで表されるレーザ光は、受光機３ａのいずれかの画素の中心に当たる。従って、図１２の下左図に示すように、受光機３ａに入射するレーザ光の各画素での最大輝度値は、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させても変化しない。すなわち、特定画素１０ａと特定画素１０ａ以外の画素とで、最大輝度値は変化しない。

しかし、図１２の中右図に示すように、テレセントリックセンサ１００ａがｙ軸回転方向に傾いている場合には（傾き角度θ）、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させていくと、受光機３ａの各画素では、光路２０ａで表されるレーザ光の入射する位置が、ｚ軸方向（図１２では＋ｚ方向）に移動していく（すなわち、画素の中心から離れていく）。従って、図１２の下右図に示すように、受光機３ａに入射するレーザ光の各画素での最大輝度値は、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させていくと変化する。すなわち、特定画素１０ａ以外の画素の最大輝度値は、特定画素１０ａの最大輝度値より小さくなる。

そこで、特定画素１０ａ以外の画素の最大輝度値が、特定画素１０ａの最大輝度値と等しくなるように、テレセントリックセンサ１００ａの位置を調節することにより、ｙ軸回転方向の位置を決定する。具体的には、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させていったときに、特定画素１０ａの最大輝度値と特定画素１０ａ以外の画素（例えば、特定画素１０ａから数画素離れた１つまたは複数の画素）の最大輝度値とが等しくなるように、ｙ軸を回転軸としてテレセントリックセンサ１００ａを回転させる。

以上のようにして、テレセントリックセンサ１００ａのｙ軸回転方向の位置を決定した後、再び、特定画素１０ａで輝度値が最大となるように、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させる（光路２０ａを通ったレーザ光が特定画素１０ａの中心に当たるようにする）。

なお、上記の図１２を用いた説明では、テレセントリックセンサ１００ａをｘ軸平行方向に移動させたが、ｚ軸平行方向に移動させてもよい。ｚ軸平行方向に移動させた場合でも、ｘ軸平行方向に移動させた場合と同様にして、テレセントリックセンサ１００ａのｙ軸回転方向を調整できる。ただし、テレセントリックセンサ１００ａをｚ軸平行方向に移動させた場合には、最後にテレセントリックセンサ１００ａをｚ軸平行方向に移動させて、光路２０ａを通ったレーザ光が特定画素１０ａの中心に当たるようにする。

テレセントリックセンサ１００ａの配置の決定後、同様の手順で、テレセントリックセンサ１００ｂの配置を決定する。

テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの配置を決定した後、間隔調整系１０１を図４に示すように退避させ、測定対象７を配置し、測定対象７の寸法を測定する。

以上説明したような方法と装置を用いることで、２つのテレセントリックセンサを用いる寸法測定において、１つのテレセントリックセンサを用いた測定と同程度の精度で、測定対象の寸法を測定することが可能である。

なお、以上の実施例では、受光機３ａ、３ｂに、画素がｘ軸方向の１列に配置されたラインセンサを用いた場合について説明した。受光機３ａ、３ｂが、画素がｘ軸方向とｚ軸方向の２次元に配置されたエリアセンサを用いた場合でも、上述した５つの自由度（ｘ軸回転方向、ｚ軸回転方向、ｘ軸平行方向、ｚ軸平行方向、およびｙ軸回転方向）の調整方法を利用して、テレセントリックセンサ１００ａおよび１００ｂの配置を決定することができる。この場合には、テレセントリックセンサ１００ａのｘ軸平行方向とｚ軸平行方向の調整方法に、図１０を用いて説明した調整方法を利用することができる。エリアセンサを用いた場合でも、特定画素１０ａとしてエリアセンサの最外周の画素を選んだ場合には、図１１を用いて説明した調整方法も利用することができる。

１，１ａ，１ｂ…光源、２ａ，２ｂ…ビームエキスパンダ、３，３ａ，３ｂ…受光機、４，４ａ，４ｂ…テレセントリックレンズ、５ａ，５ｂ…絞り、６，６ａ，６ｂ…投影光、７…測定対象、８ａ，８ｂ…測定対象端部、１０ａ，１０ｂ…特定画素、１３…画像取り込みボード、１４…バッファメモリ、１５…微分処理部、１６…寸法算出部、１７…画像表示部、１８…データ記憶手段、１９…レーザ光源、２０ａ，２０ｂ…光路、２１…ハーフミラー、２２…ミラー、２４ａ，２４ｂ…ターゲット、２５…ミラー、２６…基準面、３０ａ，３０ｂ…重心画素、４０…特定画素と異なる位置の画素、１００ａ，１００ｂ…テレセントリックセンサ、１０１…間隔調整系。

Claims (11)

1. 測定対象を照射した光をテレセントリックレンズと前記テレセントリックレンズの瞳の位置に配置した絞りとを用いて受光機に結像させるテレセントリックセンサを２つ用い、２つの前記受光機で受光した光の輝度値の変化と２つの前記受光機の間の距離Ｌとに基づき、前記測定対象の寸法を測定する寸法測定方法において、
   前記受光機の受光素子の画素のうち、前記距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素とし、
   間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光を用いて、前記テレセントリックセンサの傾き、前記テレセントリックセンサ間の距離、および前記テレセントリックセンサの設置面からの距離を調整することにより、前記テレセントリックセンサの配置を決定する、
   ことを特徴とする寸法測定方法。
2. 前記テレセントリックセンサの傾きのうち、２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向を軸とする傾きは、
   前記軸を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させ、前記レーザ光が前記絞りを通過して前記受光機に入射するように調整する、請求項１記載の寸法測定方法。
3. 前記テレセントリックセンサの傾きのうち、前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向を軸とする傾きは、
   前記軸を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させ、前記レーザ光が前記絞りを通過して前記受光機に入射するように調整する、請求項１記載の寸法測定方法。
4. 前記テレセントリックセンサ間の距離は、
   前記テレセントリックセンサを２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向に移動させ、前記特定画素において前記レーザ光の輝度値が最大となるように調整する、請求項１記載の寸法測定方法。
5. 前記テレセントリックセンサの設置面からの距離は、前記受光機の受光素子の画素の配列に応じて、
   前記特定画素に前記レーザ光を照射し、前記テレセントリックセンサを前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させて前記特定画素における前記レーザ光の輝度値を変えていったとき、前記特定画素での前記輝度値が最大値をとるように調整する、
   または、前記テレセントリックセンサを前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させ、前記特定画素において前記レーザ光の輝度値が最大となるように調整する、請求項１記載の寸法測定方法。
6. 前記テレセントリックセンサの傾きのうち、前記レーザ光の進行方向を軸とする傾きは、
   前記テレセントリックセンサを２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向または前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させていったときに、前記受光機において、前記レーザ光の前記特定画素での最大輝度値と前記特定画素以外の任意の画素での最大輝度値とが等しくなるように、前記軸を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させて調整する、請求項１記載の寸法測定方法。
7. 測定対象を照射した光をテレセントリックレンズと前記テレセントリックレンズの瞳の位置に配置した絞りとを用いて受光機に結像させるテレセントリックセンサを２つ用い、２つの前記受光機で受光した光の輝度値の変化と２つの前記受光機の間の距離Ｌとに基づき、前記測定対象の寸法を測定する寸法測定方法において、
   前記受光機の受光素子の画素のうち、前記距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素とし、
   間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光を用いて、前記テレセントリックセンサの配置を決定し、
   前記テレセントリックセンサの配置の決定は、
   ２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させ、前記レーザ光が前記絞りを通過して前記受光機に入射するように調整するステップと、
   前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させ、前記レーザ光が前記絞りを通過して前記受光機に入射するように調整するステップと、
   前記２つのステップの後に、前記テレセントリックセンサを２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向に移動させ、前記特定画素において前記レーザ光の輝度値が最大となるように、前記テレセントリックセンサ間の距離を調整するステップと、
   次に、前記受光機の受光素子の画素の配列に応じて、前記特定画素に前記レーザ光を照射し、前記テレセントリックセンサを前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させて前記特定画素における前記レーザ光の輝度値を変えていったとき、前記特定画素での前記輝度値が最大値をとるように、または、前記テレセントリックセンサを前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させ、前記特定画素において前記レーザ光の輝度値が最大となるように、前記テレセントリックセンサの設置面からの距離を調整するステップと、
   次に、前記テレセントリックセンサを２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向または前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向に移動させていったときに、前記受光機において、前記レーザ光の前記特定画素での最大輝度値と前記特定画素以外の任意の画素での最大輝度値とが等しくなるように、前記軸を回転軸として前記テレセントリックセンサを回転させて、前記テレセントリックセンサの傾きのうち、前記レーザ光の進行方向を軸とする傾きを調整するステップと、
   を備えることを特徴とする寸法測定方法。
8. 前記特定画素は、前記受光機の中心にある画素である請求項１〜７のいずれか１項記載の寸法測定方法。
9. 光源とテレセントリックレンズと前記テレセントリックレンズの瞳の位置に配置された絞りと受光機とを有するテレセントリックセンサを２つ備え、２つの前記光源から測定対象に光を照射し、２つの前記受光機で受光した光の輝度値の変化と２つの前記受光機の間の距離Ｌとに基づき、前記測定対象の寸法を測定する寸法測定装置において、
   前記受光機は、受光素子の画素のうち、前記距離Ｌを定めるための基準画素を特定画素として有し、
   前記テレセントリックセンサの配置を決定する際には、間隔がＬで平行に設定された２本のレーザ光を用いる間隔調整系が前記光源と前記テレセントリックレンズの間に設置され、
   前記間隔調整系により、前記テレセントリックセンサの傾き、前記テレセントリックセンサ間の距離、および前記テレセントリックセンサの設置面からの距離が調整される、
   ことを特徴とする寸法測定装置。
10. ２つの前記テレセントリックセンサの間の距離方向をｘ軸とし、前記レーザ光の進行方向をｙ軸とし、前記テレセントリックセンサの設置面に垂直な方向をｚ軸とし、
    これら３軸を回転方向とする前記テレセントリックセンサの傾きをそれぞれ調整する機構と、
    前記ｘ軸方向の前記テレセントリックセンサの位置を調整する機構と、
    前記ｚ軸方向の前記テレセントリックセンサの位置を調整する機構を備える、請求項９記載の寸法測定装置。
11. 前記テレセントリックレンズと前記受光機とが一体となっている請求項９または１０記載の寸法測定装置。

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