JP2014173901A

JP2014173901A - 計測装置及び物品の製造方法

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Publication number: JP2014173901A
Application number: JP2013044715A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Yamazaki; 剛資山崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-22
Also published as: US20140253723A1

Abstract

【課題】計測対象物の内面の形状を計測するのに有利な計測装置を提供する。
【解決手段】計測対象物の内面の形状を計測する計測装置であって、光源と、前記光源から射出された光を、複数の波長のそれぞれについて前記内面の互いに異なる位置に照射する照射部と、前記内面で反射した光を前記波長ごとに撮像して撮像データを生成する撮像部と、前記撮像部で撮像された前記複数の波長のそれぞれに対応する撮像データに基づいて、前記内面の形状を算出する算出部と、を有することを特徴とする計測装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測対象物の内面の形状を計測する計測装置及び物品の製造方法に関する。

パイプやギアなどの工業製品においては、その内面の形状を計測することが要求されている。また、口腔内や胃などの人体の生体器官においても、その内面の形状を計測することが要求されている。そこで、計測対象物の内面の形状の計測に関する技術が従来から提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示された技術では、半導体レーザからの光を、円錐ミラーによってリング状にして計測対象物の内面に照射し、その内面で反射された光から三角測量法を用いて１つの断面形状を求めている。

特開２００７−２８５８９１号公報

しかしながら、工業製品の生産現場、特に、製造ラインでは、計測対象物の内面の形状を高速に（即ち、短時間で）計測可能な技術が必要であり、更に、熱や衝突による構造変形も高速に計測することが要求されている。また、固定することが困難な人体の生体器官においても、その内面の形状を高速に計測することが要求されている。

特許文献１に開示された技術は、リング状の光の径方向に対して、計測対象物の内面の１つの断面形状を高速に（一括して）計測することが可能であるが、その内面の全体（即ち、リング状の光の径方向に直交する方向）を一括して計測することができない。また、特許文献１では、半導体レーザや内面で反射された光を検出するセンサなどを含むユニットを、リング状の光の径方向に直交する方向に高精度に移動させる機構が必要であるため、装置コストの増加や装置の大型化を招いてしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測対象物の内面の形状を計測するのに有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、計測対象物の内面の形状を計測する計測装置であって、光源と、前記光源から射出された光を、複数の波長のそれぞれについて前記内面の互いに異なる位置に照射する照射部と、前記内面で反射した光を前記波長ごとに撮像して撮像データを生成する撮像部と、前記撮像部で撮像された前記複数の波長のそれぞれに対応する撮像データに基づいて、前記内面の形状を算出する算出部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、計測対象物の内面の形状を計測するのに有利な計測装置を提供することができる。

本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。図１に示す計測装置の算出部による計測対象物の内面の形状の算出を説明するための図である。図１に示す計測装置の回折光学素子の具体的な構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての計測装置１０の構成を示す概略図である。計測装置１０は、パイプやギアなどの工業製品、或いは、口腔内や胃などの人体の生体器官などの計測対象物の内面の形状を計測する。計測装置１０は、光源１と、選択部２と、回折光学素子３と、結像光学系４と、撮像部５と、算出部６とを有する。

光源１は、本実施形態では、複数の波長を含む光を射出する多波長光源で構成され、例えば、ＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの広帯域な光を射出する光源で構成されている。

選択部２は、光源１から射出された光から、複数の波長のうち少なくとも１つの波長の光を選択的に射出する機能を有する。選択部２は、例えば、ガルバノミラーと回折格子とを組み合わせた機構や波長可変フィルターなどで構成されている。選択部２からの光（即ち、選択部２で選択された波長の光）は、回折光学素子３に入射する。選択部２は、射出する光の波長を変更することができる。

回折光学素子３は、計算機ホログラム（ＣＧＨ）などで構成され、光源１から射出された光を、波長ごとに計測対象物の内面Ｗの互いに異なる位置に照射する照射部として機能する。回折光学素子３は、光源１から射出された光から、波長ごとにリング状の光を形成して計測対象物の内面Ｗの互いに異なる位置のそれぞれに照射する。また、回折光学素子３は、互いに異なる波長の光が回折光学素子３に入射した場合に、その光と光軸ＡＸとのなす角（回折角）θが波長によって異なるように設計されている。従って、選択部２で選択された互いに異なる波長の光のそれぞれは、回折光学素子３に入射することによって、計測対象物の内面Ｗの異なる位置にリング状の光として照射される。任意の波長の光が回折光学素子３に入射することで形成されたリング状の光は、輪帯状の光切断面Ｒ１（又はＲ２）を形成する。

結像光学系４は、回折光学素子３と撮像部５との間に配置され、計測対象物の内面Ｗで反射した光（回折光学素子３によって形成されたリング状の光）を撮像部５に結像する。

撮像部５は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどで構成され、計測対象物の内面Ｗで反射した光（結像光学系４によって結像される光）を波長ごとに撮像して撮像データを生成する。

算出部６は、ＣＰＵやメモリなどを含み、撮像部５で撮像された複数の波長のそれぞれに対応する撮像データ（撮像画像）に基づいて、計測対象物の内面Ｗの形状（内面座標）を算出する。

図２を参照して、算出部６による計測対象物の内面Ｗの形状の算出、即ち、撮像部５で撮像された光切断面Ｒ１又はＲ２に対応する撮像画像に基づく計測対象物の内面Ｗの形状の算出について説明する。ここでは、光切断面Ｒ１に対応する波長λに関して説明する。

図２を参照するに、計測対象物の内面Ｗに照射された半径Ｒ（λ）のリング状の光が、焦点距離ｆを有する結像光学系４を介して、撮像部５に結像している。結像光学系４の倍率Ｍ（λ）は、以下の式（１）で表される。

式（１）において、ｌ_０は、回折光学素子３の位置Ｌ１から結像光学系４の位置Ｌ２までの光軸ＡＸに沿った距離である。また、ｌ（λ）は、回折光学素子３の位置Ｌ１から波長λのリング状の光が照射される照射位置Ｗ１までの光軸ＡＸに沿った距離、即ち、回折光学素子３の位置Ｌ１から照射位置Ｗ１に対応する光軸ＡＸ上の位置Ｌ４までの距離である。

光軸ＡＸからリング状の光の照射位置Ｗ１までの距離Ｒ（ｒ）、及び、位置Ｌ１から位置Ｌ４までの距離ｌ（λ）は、倍率Ｍ（λ）を用いて、以下の式（２）で表される。

式（２）において、ｒ（λ）は、波長λのリング状の光（照射位置Ｗ１に照射されるリング状の光）の照射位置Ｗ１から撮像部５の光軸ＡＸ上の位置Ｌ３までに対応する光跡の距離である。また、θ（λ）は、計測対象物の内面Ｗに照射されたリング状の光の照射位置Ｗ１と回折光学素子３の位置Ｌ１とを結ぶ線分と光軸ＡＸとのなす角（回折光学素子３の回折角（回折光学素子３から射出される光の仰角））である。式（２）を整理すると、以下の式（３）に示す関係式が得られる。

ここで、回折光学素子３の回折角θ（λ）、結像光学系４の焦点距離ｆ、及び、回折光学素子３の位置Ｌ１から結像光学系４の位置Ｌ２までの光軸ＡＸに沿った距離ｌ_０は、設計上の値として既知であるとする。

また、光切断面Ｒ１に対応する撮像画像を解析することで得られる距離ｒ（λ）と式（３）に示す関係式とを用いることで、光軸ＡＸからリング状の光の照射位置Ｗ１までの距離Ｒ（ｒ）及び位置Ｌ１から位置Ｌ４までの距離ｌ（λ）を算出することが可能となる。

従って、光源１から射出される光の波長λを選択部２で掃引又は変更することで、回折光学素子３の回折角θ（λ）が変化する（計測対象物の内面Ｗの異なる位置を照射することができる）。これにより、計測装置１０は、高精度な駆動機構や回転機構を必要とすることなく、各波長λの光における撮像画像を解析することで得られる距離ｒ（λ）及び式（３）に示す関係式に基づいて、計測対象物の内面Ｗの形状（内面全体の形状）を求めることができる。

次に、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、回折光学素子３の具体的な構成について説明する。図３（ａ）は、回折光学素子３の上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す回折光学素子３のＡ−Ａ断面図である。但し、回折光学素子３は、以下に説明する構成に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

回折光学素子３は、図３に示すように、回折格子を軸周りに回転対称に配列して（即ち、同心円状に配列して）構成されている。一般的に、回折格子は、入射光に対して、同一平面内のみに１次回折光を形成する。但し、図３に示すような回折光学素子３を用いることで、１次回折光が回転軸に対して回転したリング状の光を形成することが可能となる。回折光学素子３の回折角は、上述したように、波長によって変化する。一般的に、平行光が回折光学素子３に入射したときの回折角θ（λ）は、以下の式（４）で表される。

式（４）において、Ｎは、単位長さ当たりの溝の数であり、ｍは、回折次数であり、λは、波長である。従って、回折角θ（λ）は、長波長にすれば大きくなり、短波長にすれば小さくなる。

このように、回折光学素子３を通過した光はリング状の光を形成する。また、回折光学素子３に入射する光の波長λを変更することで回折角θ（λ）を変化させることができるため、リング状の光を光軸ＡＸに沿って移動させる（走査する）ことが可能となる。

次いで、結像光学系４の具体的な構成について説明する。図１では、結像光学系４は、波長依存性を有していない光学系（結像レンズ）として説明した。但し、上述したように、回折光学素子３に入射する光の波長を変更することで回折光学素子３の回折角θ（λ）が変化する。ここで、回折光学素子３に入射する光の波長が短波長であるほど回折角θ（λ）が大きくなり、回折光学素子３に入射する光の波長が長波長であるほど回折角θ（λ）が小さくなるように、回折光学素子３を設定し、計測対象物が円筒である場合を考える。この場合、結像光学系４から物体面までの距離が波長によって異なるため、波長依存性を有していない結像光学系４を用いると、結像関係が特定の１つの波長のみでしか成り立たず、他の波長では、撮像部５での結像性能が低下する可能性がある。

このような場合には、結像光学系４は、波長λ_０での焦点距離がｆ_０であるときに、他の波長λでの焦点距離ｆ（λ）が以下の式（５）で表されるような回折光学素子を含むとよい。

式（５）は、焦点距離ｆ（λ）が波長λに対して逆比例することを示し、焦点距離ｆ（λ）が短波長ほど長く、長波長ほど短いことを表している。従って、物体面と結像光学系４との間の距離が短波長ほど長く、長波長ほど短くなるため、物体面を撮像部５に結像する際の撮像部５での結像性能の低下を抑制することができる。なお、波長λにおける光軸ＡＸからリング状の光の照射位置までの距離Ｒ（λ）、及び、位置Ｌ１から位置Ｌ４までの距離ｌ（λ）は、結像光学系４の焦点距離ｆ（λ）を用いて算出することができる。

計測装置１０によれば、光源１からの光の波長を選択部２で掃引又は変更することで回折光学素子３の回折角θ（λ）を変化させる。そして、各波長λに対応する撮像画像から得られる距離ｒ（λ）及び式３に示す関係式に基づいて、計測対象物の内面Ｗの形状を求めることができる。例えば、ＳＯＡ、回折格子及びＭＥＭＳミラーを用いれば、波長５０ｎｍ以上の掃引速度が１００ｋＨｚ以上となり、更に、撮像部５においては数十Ｋｆｐｓ以上で撮像することが可能である。従って、計測装置１０は、撮像部５で撮像する撮像画像の数に依存するものの、従来技術よりも高速に計測対象物の内面Ｗの形状（内面全体の形状）を計測することができる。

また、本実施形態では、光源１を多波長光源で構成しているが、射出する単一波長の光の波長を変更可能な波長可変光源で構成してもよい。この場合には、光源１において波長を掃引又は変更することが可能であるため、光源１から射出される光から少なくとも１つの波長の光を選択する選択部２は不要となる。

また、本実施形態では、光源１からの光を計測対象物の内面Ｗに照射する前に、選択部２が、計測対象物の内面Ｗに照射する光の波長を選択している（即ち、計測対象物よりも光源側で波長を選択している）。但し、計測対象物の内面Ｗを複数の波長の光で照射し、選択部が、内面Ｗで反射された各波長の光から撮像部５に結像すべき光の波長を選択してもよい（即ち、計測対象物よりも撮像部側に選択部を配置して波長を選択してもよい）。この際、選択部は撮像部に入射させる光の波長を変更することができる。

＜物品の製造方法の実施形態＞
本実施形態における物品の製造方法は、例えば、パイプやギアなどの工業製品の物品を加工する際に用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、計測装置１０を用いて、物品の内面の形状を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて内面を加工する工程とを含む。例えば、内面の形状を計測装置１０を用いて計測し、その計測結果に基づいて、内面の形状が設計値などの所望の形状になるように内面を加工する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims

計測対象物の内面の形状を計測する計測装置であって、
光源と、
前記光源から射出された光を、複数の波長のそれぞれについて前記内面の互いに異なる位置に照射する照射部と、
前記内面で反射した光を前記波長ごとに撮像して撮像データを生成する撮像部と、
前記撮像部で撮像された前記複数の波長のそれぞれに対応する撮像データに基づいて、前記内面の形状を算出する算出部と、
を有することを特徴とする計測装置。
前記照射部は、前記光源から射出された光から、前記波長ごとにリング状の光を形成して前記内面の互いに異なる位置のそれぞれに照射することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記照射部は、前記内面の互いに異なる位置のそれぞれに対応して前記リング状の光を形成する回折光学素子を含むことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
前記光源は、前記複数の波長を含む光を射出する多波長光源を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記光源から射出された光から、前記複数の波長のうち１つの波長の光を射出し、射出する光の波長を変更可能な選択部を更に有し、
前記照射部は、前記選択部からの１つの波長の光を、前記内面の互いに異なる位置のうちの１つの位置に照射することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
前記光源は、射出する単一波長の光の波長を変更可能な波長可変光源を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記照射部と前記撮像部との間に配置され、前記内面で反射した光を前記撮像部に結像する結像光学系を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記結像光学系は、前記波長ごとに異なる焦点距離を有する回折光学素子を含むことを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
前記照射部は、前記多波長光源からの複数の波長の光で前記内面の互いに異なる位置を照射し、
前記内面で反射された複数の波長の光のうち１つの波長の光を前記撮像部に入射させ、前記撮像部に入射させる光の波長を変更可能な選択部を有することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置を用いて物品の内面の形状を計測する工程と、
計測された形状に基づいて前記内面を加工する工程と、
を有することを特徴とする物品の製造方法。