JP2013015490A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内径の異なる種々の穴形状を精度良く測定できる測定装置を提供すること。
【解決手段】被測定領域の少なくとも一部の面の法線方向とは異なる方向から前記被測定領域に照明光を照射することで被測定領域に帯状の照明領域を形成する照明系と、前記照明系による照射方向と前記帯状の照明領域における長手方向等を含む面からはずれた位置から照明領域の散乱光を受光する受光系と、受光系の受光結果に基づいて被検面の形状を算出する演算部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関する。

自動車部品等の穴形状の測定には内径測定装置が使用されている。この内径測定装置には、接触式測定装置と非接触式測定装置がある。接触式測定装置としては、例えば、ノギス、マイクロメータ等がある。接触式測定装置での測定の際、対象物にかかる圧力により測定に誤差が生じるという問題点があり、測定対象物に触れずに測定できる非接触式測定装置が研究、開発されている。

このような非接触式測定装置として、穴内部に円盤状に広がるレーザ光を照射して、穴の内部に当たった位置をカメラで撮像して、その中心からの距離を算出するという方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８５８９１号公報

ところで上記の測定装置は穴の内径が比較的小さいものを対象としているため、穴の内径が大きい部品の内径測定を精度良く行うことが考慮されていなかった。そこで、上記測定装置に代わり、種々の内径を有する穴を精度良く測定可能な新たな測定装置の提供が望まれている。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、内径の異なる種々の穴形状を精度良く測定できる測定装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、被測定領域の少なくとも一部の面の法線方向とは異なる方向から前記測定領域に照明光を照射することで該被測定領域に、帯状の照明領域を形成する照明系と、前記照明系による照明方向と前記帯状の照明領域における長手方向とを含む面からはずれた位置から前記照明領域の散乱光を受光する受光系と、前記受光系の受光結果に基づいて前記被検面の形状を算出する演算部と、を備える測定装置が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、穴の内面を測定する測定装置であって、前記穴の外部から照明光を照明することで該穴の深さ方向に沿って帯状の照明領域を形成する照明系と、前記穴の内部に配置されることで前記照明領域の散乱光を受光する受光系と、前記受光系の受光結果に基づいて前記穴の内面の形状を算出する演算部と、を備える測定装置が提供される。

本発明によれば、内径の異なる種々の穴形状を精度良く測定できる。

第１実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図。 測定部の外観を示す斜視図。 光学プローブの照明系の構成図。 照明領域に対する撮像系の位置関係を示す図。 撮像系が受光した画像データの一例を示す図。 第２実施形態に係る測定装置の要部構成を示す図。 第１撮像部及び第２撮像部の各撮像素子が撮像する光強度分布を示す図。 第１撮像部及び第２撮像部の各撮像素子における光強度の差分を示すグラフ。 測定部の螺旋回転動作を説明するための図。 第３実施形態に係る測定装置の要部構成を示す図。 第１撮像部の撮像素子が撮像する光強度分布を示す図。 第４実施形態に係る測定装置の要部構成を示す図。 照明系の変形例に係る構成を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、測定装置１００は、例えば、形状測定部１０と、制御部１９と、表示部１１０と有して構成される。

形状測定部１０は、載置台１５上に載置された測定対象として載置台１５上に載置される物体Ｍの穴Ｍａの形状を測定する。制御部１９は、この形状測定部１０から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被測定物体としての物体Ｍの穴Ｍａに関する形状情報を算出する。表示部１１０は、制御部１９により算出された形状情報を、例えば、３次元画像にして出力する。なお、被測定物体Ｍは、載置台１５上に載置されていなくても測定可能である。

形状測定部１０は、移動機構部１１と、測定部１２と、基台１３とを有して構成される。移動機構部１１は、複数のアーム部１１ａを複数の関節部（接続部）１１ｂで接続した多関節構造を有している。測定部１２は、この移動機構部１１の先端部（最も先端側に位置するアーム部１１ａの先端部）に対して取付部１４を介して着脱可能に構成されている。取付部１４は測定部１２を回転可能に保持する回転機構を含む。基台１３には、移動機構部１１の基端部（最も基端側に位置するアーム部１１ａの基端部）が取り付けられている。

関節部１１ｂは、アーム部１１ａ同士を繋ぎ、一方のアーム部１１ａに対して他方のアーム部１１ａを回転させる（揺動させる）ものや、基台１３に対して基端側のアーム部１１ａを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部１４に取り付けられた測定部１２を、先端側のアーム部１１ａに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。

関節部１１ｂの回転軸の各々には、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対して、この関節部１１ｂに接続された先端側に位置するアーム部１１ａ若しくは測定部１２のなす角度を検出するためにこの回転軸の回転量を計測するエンコーダ（不図示）が取り付けられている。これらのエンコーダによる計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は制御部１９に出力されるようになっている。

測定部１２は光切断の三角測量法に基づく帯状の照明領域を用いて被検面の形状測定を行う光学プローブから構成されるものであって、アーム部１１ａに対して取付部１４を介して回転することで載置台１５上の物体Ｍに設けられた穴Ｍａの内側の情報を測定可能となっている。なお、取付部１４には、アーム部１１ａに対する回転軸の回転量を計測するエンコーダ（不図示）が取り付けられている。これらのエンコーダによる計測値（角度情報）は制御部１９に出力されるようになっている。これにより制御部１９は測定部１２の回転動作を制御可能となっている。

本実施形態においては、制御部１９が複数の関節部１１ｂを介して各アーム部１１ａがなす角度を種々に変化させることで載置台１５上に保持された物体Ｍに対する測定部１２の相対位置を制御可能となっている。これにより、測定装置１００は測定部１２を物体Ｍに対して所定の位置に配置することが可能とされ、物体Ｍの穴Ｍａの内部に測定部１２の一部を進退可能となっている。

測定装置１００は測定部１２を用いて物体Ｍの穴Ｍａの内側の情報を測定することができる。本実施形態において、穴Ｍａの内側の情報とは、穴Ｍａの内周面の少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、及び表面粗さの少なくとも１つを含む。

測定対象の物体Ｍは、穴Ｍａの内側を測定時に、例えば穴Ｍａの開口をＺ方向側に向けるように載置台１５上に保持される。本実施形態において、穴の深さ方向（延在方向）は、穴が物体を貫通している場合に、穴の内側に沿って穴の一方の開口と他方の開口とを結ぶ方向である。また、穴の深さ方向は、穴Ｍａが物体Ｍを貫通していない場合に、穴の内側に沿って穴の開口と底部とを結ぶ方向である。本実施形態において、穴Ｍａの開口をＺ方向に向けて載置台１５に保持されている物体Ｍの穴の深さ方向は、Ｚ軸方向とほぼ平行であるとする。

次に、測定部１２の構成について説明する。図２は測定部１２の外観を示す斜視図であり、図３は第１実施形態の測定部１２の照明系の構成を示す図である。
図２に示すように測定部１２は、本体部３と、穴Ｍａの内周面に照明光Ｌを照明する照明系５と、該照明系５による照明領域を撮像する撮像系６と、光吸収部材７とを備える。照明系５は、図３に示すように光源２０と、光源２０から発せられた光Ｌを縦長の平行ビームとするコリメートレンズ２１と、コリメートレンズ２１を介した光をスリット光に成形するスリット（光束変換手段）２２と、スリット２２を介した光を穴Ｍａの内周面に投影する投影レンズ２３とを備える。照明系５の光源２０は制御部１９と電気的に接続されており、その駆動が制御部１９により制御されるようになっている。
このような構成により、穴Ｍａの内周面である被検面の測定領域内において、その少なくとも一部の領域での法線方向に対して異なる方向から被検面に照明光を照射することで被検面の第一方向に沿って帯状の照明領域を形成している。具体的には、測定領域において入射角が大きくなる照射方向で照明光を照射することで帯状の照明領域を形成する。特に、測定面が円筒面や円錐面など、方向によって曲率半径がかわるような曲面の場合は、曲率半径が大きい面内に入射面を設定し、入射角がなるべく大きくなるように照明系を配置することで、帯状の照明領域を形成している。なお、照射方向とは、照明光束の中心の光線の伝搬方向か、または照明光束を構成する各光線の伝搬方向について、平均したときの方向であってもよい。そして、照明系の被検面に最も近い光学部材から、前記照明系で照明される被検面までの距離が、前記第一方向の各位置で異なるように前記照明系が配置されている。したがって、穴Ｍａの内周面の近傍に照明系５を近づけずとも、スリットパターン状の光束を照明することができる。

測定部１２は回転軸Ｃを中心として穴Ｍａの内面に対して回転可能とされている。照明系５及び撮像系６の各々は、本体部３に固定されているため、照明系５が回転する場合であっても、照明系５及び撮像系６は各々の位置関係が変化することは無い。

本実施形態の光源２０は、半導体レーザー素子を含んで構成されている。光源２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源、ハロゲンランプ等のランプ光源、ファイバー光源等の各種光源の１種又は２種以上を含んで構成されていてもよい。

照明系５からの照明光Ｌは、穴Ｍａの内面に沿って略平行に近い角度で入射されることで帯状の照明領域Ａを穴Ｍａの内面に形成する。ここで、穴Ｍａの内部への照明系５からの光の入射角が小さ過ぎると、穴Ｍａの内面に帯状の照明領域Ａを形成することができなくなってしまう。そのため、光の入射角は被検面である穴Ｍａに水平に近い大きな角度、例えば８９°程度に設定するのが望ましい。なお、入射角は上記値に限定されることはない。照明系５は本体部３に取り付けられており、穴Ｍａの内側の情報を測定する場合、撮像系６及び光吸収部材７のみが穴Ｍａの中に挿入されるようになっている。なお、穴Ｍａの内径が大きい場合、本体部８を穴Ｍａの内部に挿入するようにしても構わない。

また、上記スリット２２は照明光Ｌの形を成形するスリット口２２ａを有する。スリット口２２ａは、穴Ｍａの内面に照射された照明光Ｌによって生じる照明領域Ａの短手方向における幅が穴Ｍａの深さ方向（Ｚ方向）の全域に亘って一様とするような開口形状となっている。照明光Ｌは、通常光源２０から距離が離れるに従い、その幅が拡がる。これに対し、本実施形態においては、穴Ｍａの深さ方向の手前側（光源２０側）に対応するスリット口２２ａの開口幅を穴Ｍａの深さ方向の奥側（光源２０と反対側）に対応する開口幅よりも小さくするようにスリット口２２ａを形成している。このような構成に基づき、照明系５は穴Ｍａの内面に略一様な幅の帯状の照明領域Ａを生じさせることができる。

撮像系６は、撮像素子８と、該撮像素子８の受光領域に照明光による像を結像させる光学部材９とを備える。本実施形態の撮像素子８は、二次元的に配列された複数の画素を有し、各画素に入射した光の光量を画素ごとに検出することができる。以下の説明において、撮像素子８の複数の画素が配列されている領域を受光領域という。撮像素子８は、例えば照明領域Ａの長手方向及び短手方向に沿って複数の画素が配置された、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを含んで構成される。この撮像系６は、照明系５の照明方向と照明系５による帯状の照明領域Ａの長手方向とを含む面からはずれた位置から、帯状の照明領域Ａを観察している。好ましくは、照明系５の照明方向と照明系５による照明領域Ａの長手方向を含む面に対して、光学部材９の光軸方向とのなす角度が９０度未満であり、かつ光学部材９の光軸方向に対する、照明方向と帯状の照明領域Ａの長手方向とを含む面の交点は、照明領域Ａとなるように設定することが好ましい。
更には、撮像素子８は、照明領域Ａの長手方向と同じ方向に並んだ画素数が、照明領域Ａの短手方向に沿って配列された画素数よりも多くしていることがこの好ましい。

光学部材９としては、例えば正立屈折率分布型レンズ（セルフォックレンズ：登録商標）アレイを使用するのが好ましい。セルフォックレンズアレイは屈折率分布によりレンズ作用を持たせた光学素子であって、その長さを制御することにより等倍正立像を形成することができる。セルフォックレンズアレイは穴Ｍａ上に形成された照明領域Ａの散乱光を撮像素子８の各画素に結像させることができる。セルフォックレンズアレイは小型であるため、光学部材９を含む撮像系６を小型化できる。

制御部１９は、撮像素子８が撮像した画像データが送信される演算処理部１９ａを含む。演算処理部１９ａは撮像素子８から送信される画像データに基づき、光切断法によって穴Ｍａの内面の凹凸形状を算出するようになっている。また、制御部１９は、測定装置１００の各部の制御に要する各種処理を実行するＡＳＩＣ等の論理回路を含んでいてもよく、コンピュータシステムを含んでいなくてもよい。制御部１９は、制御部１９へ信号を入力可能な入力装置が接続されていてもよい。上記の入力装置は、キーボード、マウス等の入力機器、あるいはコンピュータシステムの外部の装置からのデータを入力可能な通信装置のうちの１種又は２種以上でもよい。制御部１９は、形状測定時の処理に使用するデータ等を記録するためのハードディスクあるいはメモリを含んでいてもよい。制御部１９は、測定装置１００の外部の装置であってもよい。

光吸収部材７は光源２０から照射される光を吸収する特性を有している。光吸収部材７は、撮像系６における光源２０と反対の端部に取り付けられており、撮像系６の下面よりも突出した状態とされている。穴Ｍａが物体Ｍを貫通していない場合、光源２０による穴Ｍａの内側面での正反射成分が穴Ｍａの底部分で再度反射されることでフレア光となってしまい、撮像系６（撮像素子８）の撮像結果の信頼性が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態では、光吸収部材７が照明領域Ａの正反射成分を吸収するため、穴Ｍａの底部分による光の反射を防止することができる。

一方、穴Ｍａが物体Ｍを貫通している場合、光源２０による穴Ｍａの内側面での正反射成分は撮像系６の撮像に影響しない方向へ照射されるため、上記光吸収部材７を取り付けなくてもよいし、取り付けられていても構わない。光吸収部材７が取り付けられていれば、穴Ｍａの外部に光源２０から照射された正反射光（レーザ光）が漏れ出すのを防止できる。また、本実施形態においては光吸収部材７を着脱可能な構成としている。これにより測定対象となる穴Ｍａが貫通穴か否かによって光吸収部材７を必要に応じて取り外すことができる。

図４は照明領域Ａに対する撮像系６の位置関係を示す図である。なお、図４においては、説明の便宜上、照明系５の光源２０が照射する照明光Ｌの光入射面をＸＺ平面内に設定し、穴Ｍａの照明領域Ａが形成される面をＹＺ平面内に設定する。

撮像系６は、図４に示すように照明光Ｌの光入射面（ＸＺ平面）を含まない方向から照明領域Ａに対して所定の角度θをなす位置から撮像するように本体部３に取り付けられている。これにより帯状の照明領域Ａ内での穴Ｍａの表面の凹凸情報（高さ情報）を良好に検出することができる。

図５は撮像系６が受光した画像データの一例を示すものである。図５の横軸はＺ軸方向（穴Ｍａの深さ方向）における位置座標を示し、縦軸はＺ座標に対応する位置での穴Ｍａの凹凸の程度を示している。

本実施形態では、制御部１９の演算処理部１９ａが撮像素子８から送信される画像データに基づいて穴Ｍａの凹凸の程度を算出する。撮像素子８は照明領域Ａが照射する光の位置に対応する画素Ｇが輝度情報を取得する。演算処理部１９ａは、照明領域Ａの短手方向（同図の縦軸方向）に配置された画素Ｇから取得された輝度情報に対して加重平均等の手法を用いて輝度重心を算出する。この輝度重心に対応した座標をプロットしたものを図５に示す。図５に示す各点（輝度重心）は基準位置からの穴Ｍａの表面の凹凸状態を示すものである。すなわち、演算処理部１９ａは、図５に示す輝度重心のプロットから穴Ｍａの内面における照明領域Ａの長さ方向に沿った凹凸形状を算出するようになっている。

測定装置１００は、穴Ｍａの内面の凹凸形状を測定する際、制御部１９が複数の関節部１１ｂを介して各アーム部１１ａがなす角度を種々に変化させつつ、測定部１２の回転軸と穴Ｍａの中心軸とを一致させるようにして該測定部１２の先端を穴Ｍａに挿入する。制御部１９は照明系５の光源２０を駆動し、スリット２２を経て成形された照明光Ｌを投影レンズ２３を介して穴Ｍａの内周面に投影する。これにより、穴Ｍａの内面には帯状の照明領域Ａが生じる。

撮像系６は、図４に示したように照明光Ｌの光入射面（ＸＺ平面）を含まない方向から照明領域Ａを撮像する。これにより、撮像素子８は、穴Ｍａの凹凸状態により種々の形状に湾曲した照明領域Ａの散乱光を確実に撮像することで穴Ｍａの深さ方向の全域に亘って凹凸に起因した高さ情報を取得できる。

制御部１９は取付部１４を介して測定部１２を回転させることで照明領域Ａの位置を穴Ｍａの内面における周方向に３６０度に亘って移動させつつ、照明領域Ａの画像を撮像系６で順次撮像する。これにより、測定部１２は穴Ｍａの深さごとの内径、すなわち穴Ｍａの凹凸情報を全周に亘って測定することができる。

本実施形態に係る測定装置１００によれば、照明系５が穴Ｍａの内面に該穴Ｍａの深さ方向に沿う帯状の照明領域Ａを形成し、穴Ｍａ内に配置された撮像系６の撮像素子８が照明領域Ａの散乱光を撮像するので、穴Ｍａの内面の凹凸形状を精度良く測定できる

また、測定装置１００は例えば測定部１２を回転させる際にアーム部１１ａ及び関節部１１ｂの駆動を制御することで穴Ｍａの内面に対する測定部１２の相対位置を変化させることが無いように穴Ｍａの内面に沿って測定部１２を回転させることができる。つまり、穴Ｍａに測定部１２を倣い動作をすることにより、測定装置１００は、種々の内径を有する穴Ｍａの内面形状を測定できる。すなわち、本実施形態によれば、少なくとも撮像系６を挿入可能とする内径よりも大きな穴Ｍａについて凹凸形状を良好に測定できる汎用性の高い測定装置１００を提供できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。

図６は、第２実施形態に係る測定装置の要部構成を示す図である。図６は穴Ｍａの深さ方向（Ｚ方向）から視た場合の測定部１１２の構成を示すものである。なお、図６では図を見易くするため、本体部３、照明系５の図示を省略している。また、図６では説明を分かり易くするため、照明系５から照明光Ｌの光入射面をＸＺ平面に設定し、穴Ｍａの照明領域Ａが形成される面をＹＺ平面に設定する。

図６に示すように、本実施形態に係る測定部１１２は、第１撮像部３０及び第２撮像部３１を有している。第１撮像部３０及び第２撮像部３１は不図示の本体部３に取り付けられている。第１撮像部３０は、撮像素子３２と照明領域Ａの散乱光を撮像素子３２に集光させるレンズアレイ３３とを含む。レンズアレイ３３は、第１の実施例で用いたセルフォックレンズアレイまたは後述のピンホールアレイと同じピッチで配列されたレンズアレイでもよい。第２撮像部３１は、第１撮像部３０と同様の構成からなり、撮像素子３２と光学部材３３とを備えるものである。各撮像素子３２の受光面の近傍にはピンホールアレイＰＡが設けられている。ピンホールアレイＰＡは、各撮像素子３２の各画素に対応するピッチでピンホールが複数形成されたものである。なお、本実施形態においては、上記第１実施形態と異なり、撮像素子３２として穴Ｍａの深さ方向にのみ画素が１列配置されたライン状ＣＣＤが用いられる。また、撮像素子３２の画素が十分小さい場合には、画素の大きさをピンホールと見てピンホールアレイＰＡと撮像素子３２とが一体になったものと考えてよい。

図６に示すように、第１撮像部３０は被検面である穴Ｍａに設定した基準面（同図中、破線で示す面）よりも一方に（図６の＋Ｘ方向に）ずれた第１の位置Ｐ１から照射される光（散乱光）にピントが合うように設定されている。ここで、基準面とは例えば穴Ｍａの内径の平均値や、穴加工を行う際の目標値等に基づいて設定されるものである。また、第２撮像部３１は被検面である穴Ｍａに設定した基準面よりも他方に（図６の−Ｘ方向に）ずれた第２の位置Ｐ２から照射される光にピントが合うように設定されている。

本実施形態では、例えば、後述する所定距離ｄの半分、すなわちｄ／２だけ基準面から＋Ｘ方向にずれた位置を上記第１の位置Ｐ１とし、ｄ／２だけ基準面から−Ｘ方向にずれた位置を上記第２の位置Ｐ２とした。

第１撮像部３０及び第２撮像部３１は、各レンズアレイ３３の各光軸がなす面が照明系５の光入射面を含む面に対して同一の例えば角度θをなし、かつ第１の位置及び第２の位置が所定距離ｄだけ離間するように配置されている。ここで、所定距離ｄは穴Ｍａの設計寸法に対する加工時の交差の範囲内で設定される。すなわち、穴Ｍａの内面は凹凸の大きさによって基準面と異なる位置に存在するが、常に所定距離ｄで規定される範囲内に位置することとなる。

ここで、第１撮像部３０及び第２撮像部３１では、ピンホールアレイＰＡを介した非常に小さい光が各々の撮像素子３２の撮像面上に入射する。ここで撮像素子３２の撮像面上での光強度分布を考える。デフォーカス量をΔとしたとき、デフォーカスによる波面収差は下式（１）で表される。また、ピンホール径を十分に小さいものとした場合の光強度分布Ｉ（Δ）は、下式（２）で表される。

ただし、ＮＡ（開口率）は第１撮像部３０及び第２撮像部３１のＮＡを表し、ｋは測定波長をλとしたとき、ｋ＝２π／λで表される。上記式（２）は下式（３）で近似することができる。式（３）において、Δが−ｄ／２のときと、ｄ／２のときの強度をそれぞれ求め、差分を取ったものを下式（４）に示す。

式（４）が示す内容を、図７、図８を用いて説明する。図７は第１撮像部３０及び第２撮像部３１の各撮像素子３２が撮像する光強度分布を示す図であり、各々のピントがずれる（Ｘ方向にデフォーカス）ことにより光強度Ｉの変化を示す図である。本実施形態においては、後述のように第１撮像部３０及び第２撮像部３１のデフォーカス範囲内で照明領域Ａの散乱光を撮像し、各々の撮像素子３２が撮像した光量の差分を利用して穴Ｍａの凹凸形状を取得するものである。

図７に示すように、ある点Ｐにおける第１撮像部３０及び第２撮像部３１の各撮像素子３２における光強度の値は、それぞれ点Ｅ、点Ｆで表される。点Ｅでの値と点Ｆでの値の差を取る。それを−ｄ/２から＋ｄ/２の範囲、即ち距離ｄの範囲内の各点で行い、グラフにしたものが図８である。図８において、２つのグラフの値が一致しているところ（点Ｑ）は、差分が０（ゼロ）になる。そのため、図８において点Ｑでの値は０（ゼロ）となる。なお、点Ｑは図６に示した基準面に対応する。

なお、図７の光強度分布を示す２つのグラフが離れすぎている（所定距離ｄが大きすぎる）と、式（４）の差分が求められなくなってしまう。そこで、距離ｄの範囲内においては、各々のグラフは強度Ｉの最大値を１としたとき、０．１以上の値（すなわち最大強度の１０％以上の強度）を持つように設定している。

本実施形態では、図８に示すグラフを予め算出しておき制御部１９の演算処理部１９ａ内の記憶部に記憶しておく。制御部１９は第１撮像部３０及び第２撮像部３１から送信された画像から光強度（光量の差分）を算出し、この値から記憶部に記憶される図８のグラフに基づき、任意の測定点Ｐにおける凹凸の程度が基準面（図８における点Ｑ）からどれだけ離れているか（即ち図８での点Ｑと点Ｐとの距離ｄ１）を算出することができる。

制御部１９は穴Ｍａの内面は上述のように常に所定距離ｄで規定される範囲に収まっている場合は、図８に示すグラフを用いることで穴Ｍａの内面の凹凸形状を確実に算出することができる。すなわち、穴Ｍａの凹凸が所定距離ｄの範囲でばらついても基準面からの距離を確実に算出することができる。したがって、測定部１１２は照明領域Ａの散乱光を確実に撮像することで穴Ｍａの深さ方向の全域に亘って凹凸に起因した高さ情報を取得できる。なお、穴Ｍａの内面が所定距離ｄの範囲に収まらない場合は、第１および第２の撮像部３０、３１からの信号強度が前述の規定値を下回り、測定範囲外であることを知ることができる。部品検査などの用途では、測定範囲外になっている場合は規格外であることから不良品の検出には測定できない場合でも支障はない。

なお、所定距離ｄは、測定部１１２における穴Ｍａの測定可能精度を表すものであると換言できる。例えば測定部１１２が１０μｍの精度で穴Ｍａの形状測定を行う場合、ｄ＝１０μｍを上記式（３）のΔに代入し、測定波長λ＝０．６２７μｍとして、式（３）が０．１となるようなＮＡを求める。すると、ＮＡ＝０．０２３と算出される。したがって、測定部１１２は、ＮＡが０．０２３以上に設計した第１撮像部３０及び第２撮像部３１を備えたものであれば、穴Ｍａの内面の凹凸形状を１０μｍの精度で測定することができる。

制御部１９は取付部１４を介して測定部１１２を回転させることで照明領域Ａの位置を穴Ｍａの内面における周方向に３６０度に亘って移動させつつ、照明領域Ａの画像を撮像系３０，３１で順次撮像する。これにより、測定部１１２は穴Ｍａの深さごとの内径、すなわち穴Ｍａの凹凸情報を全周に亘って測定することができる。

ところで、本実施形態では、第１撮像部３０及び第２撮像部３１の撮像素子３２が画素ピッチに対応して形成されたピンホールごとに計測を行うので、穴Ｍａの内面における測定点はピンホールのピッチと同等となるため、測定位置が離散的となってしまい、要求される測定点密度を満足できないおそれもある。

これに対し、本実施形態では、穴Ｍａの内面に沿って測定部１１２を回転させる際、図９に示すように測定部１１２を螺旋状に回転させるようにしている。なお、図９では測定部１１２の全体を穴Ｍａの内部に挿入した状態を示している。このようにすれば、穴Ｍａの深さ方向においてピンホールの位置を変化させつつ、撮像素子３２が照明領域Ａの散乱光を撮像することができる。よって、螺旋回転を行わない場合においてピンホール間に位置することで測定できなかった穴Ｍａの内面の凹凸情報についても確実に取得することができる。したがって、穴Ｍａの凹凸形状を精度良く測定することができる。なお、測定部１１２の回転数は穴Ｍａの形状測定に要求される精度に応じて適宜設定される。測定部１１２は、例えばピンホールピッチ（画素ピッチ）分だけ穴Ｍａの深さ方向に移動する間に１回転、或いは複数回転することができる。

本実施形態によれば、第１撮像部３０及び第２撮像部３１が撮像する光量（差分）に基づいて穴Ｍａの凹凸形状を算出することができる。また、演算処理部１９ａは画素が一列に配置された撮像素子３２から送信される情報のみを処理すればよいため、演算処理を簡略化できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態において、第２実施形態と同様の構成要素については、第２実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。

図１０は、第３実施形態に係る測定装置の要部構成を示す図である。図１０は穴Ｍａの深さ方向から視た場合の測定部２１５の構成を示すものである。図１０に示すように、本実施形態に係る測定装置は、第２実施形態と異なり、第１撮像部３０のみを有している。すなわち、本実施形態は、第１撮像部３０の撮像素子３２が撮像した光量のみに基づいて穴Ｍａの凹凸形状を算出するものである。なお、図１０では図を見易くするため、本体部３、照明系５の図示を省略している。また、図１０では説明を分かり易くするため、照明系５から照明光Ｌの光入射面をＸＺ平面に設定し、穴Ｍａの照明領域Ａが形成される面をＹＺ平面に設定する。

第１撮像部３０は、撮像素子３２と照明領域の光を集光させるレンズアレイ３３とを含み、撮像素子３２の受光面の近傍にはピンホールアレイＰＡが設けられている。

図１０に示すように、第１撮像部３０は第２実施形態において被検面である穴Ｍａの凹凸形状の測定可能範囲精度を規定する第２実施形態で示した所定距離ｄで規定される領域よりも手前（＋Ｘ方向）にずれた位置Ｐ３から照射される光（散乱光）にピントが合うように設定されている。

図１１は第１撮像部３０の撮像素子３２が撮像する光強度分布を示す図であり、ピントがずれる（デフォーカス）ことで光強度が変化する状態を示している。本実施形態においては、穴Ｍａの内面（凹凸面）における散乱光が第１撮像部３０の撮像素子３２の画素上でピントが常に合わない状態とされるため、穴Ｍａの凹凸面による照明領域Ａの散乱光の強度は図１１の太線で示されるグラフ上に必ず位置することとなる。従って、演算処理部１９ａは予めグラフ上の光強度の値と基準面からの位置を算出しておくことで、撮像素子３２の画素が算出した光量（光強度）の値から凹凸の程度を算出することができる。

このように本実施形態においては、第１撮像部３０の撮像素子３２で撮像した照明領域Ａの散乱光の光量に基づいて穴Ｍａの凸凹形状を算出することができる。穴Ｍａの形状測定を行う際、制御部１９は第１撮像部３０側の撮像素子３２に関する光強度のみを処理すればよいので、処理系の構成を大幅に簡略化できる。なお、本実施形態では測定部２１５が第１撮像部３０のみを備えた場合を例に説明したが、第２撮像部３１のみを備えたものであっても構わない。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態において、第２実施形態と同様の構成要素については、第２実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。

図１２は、第４実施形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。図１２は穴Ｍａの深さ方向から視た場合の測定部３１５の構成を示すものである。図１２に示すように、本実施形態に係る測定装置は、第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２を有している。

本実施形態に係る第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２は、それぞれ撮像素子３２を有しており、各々の撮像素子３２に対して照明領域の光を集光させるレンズアレイ１３７を共通化したものである。各撮像素子３２の受光面の近傍にはピンホールアレイＰＡが設けられている。すなわち、本実施形態は第２実施形態に係る測定部１１２において照明領域Ａの散乱光を第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２の各撮像素子３２に集光させる光学系を共通にした点が異なっている。

図１２に示すように、第１撮像部１３１は被検面である穴Ｍａに設定した基準面（同図中、破線で示される面）よりも一方（図１２の＋Ｘ方向に）にずれた第１の位置Ｐ１から照射される光（散乱光）にピントが合うように設定されている。また、第２撮像部１３２は被検面である穴Ｍａに設定した基準面よりも他方（図１２の−Ｘ方向に）にずれた第２の位置から照射される光にピントが合うように設定されている。

光学系１３５はピンホールアレイＰＡのピッチに合わせて個々のレンズの光軸が形成されているレンズアレイ１３７と、照明領域の光を第１撮像部１３１側の撮像素子３２及び第２撮像部１３２側の撮像素子３２に向けて分岐する分岐手段としてのプリズム１３６とを含む。なお、光を分岐する分岐手段としては、ハーフミラー、ビームスプリッター等を用いても構わない。

本実施形態ではレンズアレイ１３７を共通化することで撮像素子を穴Ｍａに垂直に配置することができ、照明光学系５と同一の平面内に配置することができる。

本実施形態においては、第２実施形態と同様、照明領域Ａから照射される光を２つに分岐することで第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２における各々の撮像素子３２が撮像した画像の輝度の差分値に基づき、穴Ｍａの内面における凹凸の程度を算出することができる。撮像素子３２は上述のように穴Ｍａの深さ方向に沿って複数の画素を有するため、測定部１２は穴Ｍａの深さ方向における全ての画素について基準点Ｑからの凹凸の程度を算出することができる。本実施形態の測定装置は、測定部３１５を穴Ｍａの内面に沿って３６０度回転させることで穴Ｍａの内面の全周に亘る凹凸形状を取得することができる。

本実施形態によれば、第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２における光学系１３５が共通化されるので、撮像部１３１、１３２の各々に光学系を別途設ける構成に比べて穴Ｍａ内に挿入される部分の構成（第１撮像部１３１及び第２撮像部１３２）を小型化できる。

なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態あるいは変形例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。

例えば、上記実施形態では測定部１２を物体Ｍに対して移動することで穴Ｍａの内側の情報を測定する場合について説明したが、アクチュエータ等を含んで構成された駆動部を設けた載置台１５を用いることで載置台１５上の物体Ｍを測定部１２に対して移動させることで穴Ｍａの内面と測定部１２とを相対移動させる構成であっても構わない。

なお、本実施形態では穴Ｍａの内径を測定する際、取付部１４を介して測定部１２を穴Ｍａに対して直接回転させる場合について説明したが、例えば穴Ｍａの深さ方向をＺ軸方向に一致させるように物体Ｍを載置台１５上に配置し、該載置台１５の載置面を回転することで穴Ｍａ自体を測定部１２に対して回転させる構成であっても構わない。

また、図１３に示すように、照明系５としては、光源２０と、シリンドリカルレンズ２４とを備えたものを用いることができる。なお、光源２０はシリンドリカルレンズ２４のほぼ前側焦点位置に配置される。シリンドリカルレンズ２４を介した光は、円筒面方向の光束が略平行となるため、母線方向には屈折作用がないことから穴Ｍａの内側面上で帯状に照明されることなる。また、光源２０の光を帯状に成形するためには、上記シリンドリカルレンズ２４に代えてアナモルフィックプリズムを採用してもよい。

５…照明系、６…撮像系、７…光吸収部材、８…撮像素子、９…光学部材、Ａ…照明領域、Ｇ…画素、Ｌ…照明光、Ｍ…物体、１２，１１２，２１２，３１５…測定部、１６…制御部、２０…光源、２２…スリット、３０…第１撮像部、３１…第２撮像部、３２…撮像素子、３３…光学部材、Ｍａ…穴、Ｐ１…第１の位置、Ｐ２…第２の位置、１００…測定装置、１３１…第１撮像部、１３２…第２撮像部、１３５…光学系

Claims (15)

1. 被測定領域の少なくとも一部の面の法線方向とは異なる方向から前記測定領域に照明光を照射することで該被測定領域に沿って帯状の照明領域を形成する照明系と、
   前記照明系による照射方向と前記帯状の照明領域における長手方向とを含む面からはずれた位置から前記照明領域の散乱光を受光する受光系と、
   前記受光系の受光結果に基づいて前記被検面の形状を算出する演算部と、を備える測定装置。
2. 穴の内面を測定する測定装置であって、
   前記穴の外部から照明光を照明することで該穴の深さ方向に沿って帯状の照明領域を形成する照明系と、
   前記穴の内部に配置されることで前記照明領域の散乱光を受光する受光系と、
   前記受光系の受光結果に基づいて前記穴の内面の形状を算出する演算部と、を備える測定装置。
3. 前記受光系は、前記照明系における前記照明光の光入射面を含まない方向から前記散乱光を受光する請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記演算部は、前記受光系が受光した像の形状に基づいて前記穴の内面の形状を算出する請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記受光系は、前記第一方向及び該第一方向に直交する第二方向に沿って配置される複数の画素を含む受光素子を有する請求項４に記載の測定装置。
6. 前記演算部は、前記受光系が受光した光量に基づいて前記穴の内面の形状を算出する請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
7. 前記受光系は、前記第一方向に沿って配置される複数の画素を含む受光素子を有する請求項６に記載の測定装置。
8. 前記受光系は、前記受光素子をそれぞれ有する第１撮像部及び第２撮像部を含み、
   前記第１撮像部は照明領域に対して設定される基準面よりも一方側にずれた第１の位置から照射される前記散乱光にピントが合うように設定されるとともに、前記第２撮像部は前記基準面よりも他方側にずれた第２の位置から照射される前記散乱光にピントが合うように設定されており、
   前記演算部は、前記第１撮像部及び前記第２撮像部の前記受光素子の各々が受光した光量の差分に基づいて形状を算出する請求項７に記載の測定装置。
9. 前記第１撮像部及び前記第２撮像部は、各々の光軸が前記照明光の入射面に対して同じ角度をなすように配置される請求項８に記載の測定装置。
10. 前記受光系は、前記受光素子を有する第１撮像部を含み、
    前記第１撮像部は照明領域の散乱光に対して前記受光素子のピントが合わないように設定されており、
    前記演算部は、前記受光素子が受光した光量に基づいて形状を算出する請求項７に記載の測定装置。
11. 前記第１撮像部及び前記第２撮像部は、各々の前記受光素子の受光面上に対して前記散乱光を集光させる共通の光学系を含む請求項８に記載の測定装置。
12. 前記受光系は、前記散乱光を受光する受光素子と、該受光素子の受光面上に前記散乱光を集光させる光学部材とを含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 前記受光系の前記第一方向における前記照明系と反対側に前記照明光を吸収可能な光吸収部材が設けられる請求項１〜１２のいずれか一項に記載の測定装置。
14. 前記照明系は、光源と、該光源から照射される光を帯状に成形する光束可変手段と、を含む請求項１〜１３のいずれか一項に記載の測定装置。
15. 前記照明系及び前記受光系を一体に保持する本体部と、該本体部を回転させることで前記照明領域を移動可能な回転機構を備える請求項１〜１４のいずれか一項に記載の測定装置。

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