JP2015169624A - 計測装置、計測方法及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物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】エッジを境界として区別される、高さの異なる２つの表面領域を含む被検物の形状を計測する計測装置であって、前記被検物を照明する照明系と、前記被検物によって反射された光により形成される前記被検物の像を撮像して画像を生成する撮像部と、前記被検物の形状を求める処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記２つの表面領域のうちの一方の表面領域が照明され、他方の表面領域が照明されない又は前記一方の表面領域よりも照度が小さくなるように前記他方の表面領域を照明する第１状態となるように前記照明系を制御し、前記第１状態で前記撮像部によって生成された第１画像に基づいて前記エッジの位置を求め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、計測装置、計測方法及び物品の製造方法に関する。

画像測定機は、被検物の形状（寸法）を計測する計測装置として知られている。このような計測装置は、被検物の画像を取得して、画像処理によってサブピクセル精度でエッジ（の位置）を検出し、かかるエッジの間の距離を求めることで被検物の形状を計測する。

計測装置は、一般に、被検物を照明する照明ユニットと、結像光学系や光検出器（撮像素子）などを含み、被検物の画像を取得する画像取得ユニットと、を有する。照明ユニットでは、結像光学系に対して、被検物を後方から照明する透過照明や被検物を前方から照明する反射照明が用いられている。反射照明には、被検物の上方から垂直に被検物を照明する同軸落射照明やリング状に被検物を照明するリング照明などが含まれる。

計測装置においては、被検物を照明する照明方法として、透過照明を用いた場合には被検物の形状を高精度に計測することができるが、反射照明を用いた場合には被検物の形状を高精度に計測することができないことが従来から知られている。これは、被検物の表面のテクスチャ（加工痕や粗さ）によって、画像の強度（強度分布）に大きなばらつきが生じ、画像処理によるエッジの検出誤差が大きくなるためである。但し、被検物の凹凸や非貫通孔などについては、透過照明を用いて照明することができないため、反射照明を用いらなければならず、その形状を高精度に計測することが困難である。

そこで、このような被検物の形状を計測する計測装置に関する技術が幾つか提案されている（特許文献１及び２参照）。例えば、特許文献１には、被検物のエッジと交差するようにストライプ状に被検物を照明する構造化照明を用いた計測装置が提案されている。また、特許文献２には、透過照明を用いて検出されたエッジの位置と落射照明を用いて検出されたエッジの位置とを比較して補正係数を決定し、かかる補正係数に基づいて、落射照明を用いて検出されたエッジの位置を補正する技術が提案されている。

特開２０１２−１３２９１０号公報 特開２０１２−１９８２０８号公報

しかしながら、特許文献１では、エッジを検出可能な領域がストライプの狭い照明領域に限られるため、広い範囲でエッジを検出するためには、ストライプの位置を変えて複数の画像を取得する必要があり、計測に時間を要してしまう。また、合焦した面のテクスチャによって、画像の強度に大きなばらつきが生じてしまうため、被検物のエッジを高精度に検出することが難しい。

また、特許文献２では、被検物の性質（素材や色など）や状態（被検物の加工痕、表面粗さ、厚さなど）によって、補正係数を変更しなければならず、ユーザの負担が大きくなってしまう。更に、補正係数を決定するための作業に多大な時間を要してしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被検物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、エッジを境界として区別される、高さの異なる２つの表面領域を含む被検物の形状を計測する計測装置であって、前記被検物を照明する照明系と、前記被検物によって反射された光により形成される前記被検物の像を撮像して画像を生成する撮像部と、前記被検物の形状を求める処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記２つの表面領域のうちの一方の表面領域が照明され、他方の表面領域が照明されない又は前記一方の表面領域よりも照度が小さくなるように前記他方の表面領域を照明する第１状態となるように前記照明系を制御し、前記第１状態で前記撮像部によって生成された第１画像に基づいて前記エッジの位置を求め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、被検物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。 第１の実施形態における計測処理を説明するためのフローチャートである。 第１の実施形態における計測処理を説明するための図である。 第１の実施形態における計測処理を説明するための図である。 被検物を照明する照明状態を説明するための図である。 第２の実施形態における計測処理を説明するためのフローチャートである。

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。

＜第１の実施形態＞
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、被検物の画像を取得して、画像処理によってエッジ（の位置）を検出し、かかるエッジの間の距離を求めることで被検物の形状を計測する画像測定機である。計測装置１０は、被検物１０１を照明する照明系１１０と、被検物１０１の画像を取得するための画像取得部１２０とを有する。

照明系１１０は、光源１１１と、空間光変調器１１２と、レンズ１１３とを含む。光源１１１には、例えば、ＬＥＤ、ランプ、蛍光灯などを用いることができる。空間光変調器１１２は、例えば、液晶、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などを含む。空間光変調器１１２は、制御部１３２に制御され、光源１１１から供給された光の強度、即ち、被検物１０１を照明する光の強度を空間的に調整する。レンズ１１３は、空間光変調器１１２によって空間的に強度が調整された光をコリメートする。

画像取得部１２０は、被検物１０１によって反射又は散乱された光を受光する光検出器１２１と、被検物１０１の像を光検出器１２１に結像する結像光学系１２２とを含む。光検出器１２１は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどを含み、被検物１０１によって反射又は散乱された光により形成される被検物１０１の像を撮像して画像を生成する撮像部として機能する。結像光学系１２２は、第１レンズ群１２２ａと、第２レンズ群１２２ｂとを含む。但し、第１レンズ群１２２ａ及び第２レンズ群１２２ｂは、全ての光学素子がレンズである必要はなく、部分的にミラーを含んでいてもよいし、或いは、全ての光学素子がミラーであるミラー群に置換されてもよい。第１レンズ群１２２ａと第２レンズ群１２２ｂとの間には、ハーフミラー１２３が配置されている。

照明系１１０からの光は、ハーフミラー１２３によって部分的に反射され、第１レンズ群１２２ａによって集光されて被検物１０１を照明する。被検物１０１によって反射又は散乱された光は、結像光学系１２２に入射し、ハーフミラー１２３を透過して、光検出器１２１に結像する（即ち、被検物１０１の像が形成される）。

被検物１０１は、ステージ１３４に保持（載置）される。ステージ１３４は、アクチュエータ１３３によって結像光学系１２２の光軸１２４と平行な方向に駆動可能に構成されている。これにより、被検物１０１の表面にピント（焦点）を合わせることができる。また、ステージ１３４は、結像光学系１２２の視野よりも大きな被検物１０１を計測するために、光軸１２４と平行な方向だけではなく、光軸１２４に垂直な方向（ＸＹ方向）に駆動可能に構成されていてもよい。

光検出器１２１によって撮像（生成）された被検物１０１の画像は、制御部１３２に転送される。制御部１３２では、被検物１０１の画像から画像処理によってエッジ（の位置）を検出し、寸法や幾何公差などの被検物１０１の形状（形状情報）を求める。本実施形態では、制御部１３２は、被検物１０１の形状を求める処理を行う処理部として機能する。制御部１３２は、例えば、液晶モニタやブラウン管などの表示装置を有し、かかる表示装置に被検物１０１の形状（形状情報）を表示する。また、制御部１３２は、ハードディスクやＳＳＤなどの記憶装置（記憶部）も有し、かかる記憶装置に被検物１０１の形状データを記憶したり、かかる記憶装置に記憶した被検物１０１の形状データを読み出したりすることができる。

図２乃至図４を参照して、計測装置１０における被検物１０１の形状の計測処理について説明する。かかる計測処理は、制御部１３２が計測装置１０の各部を統括的に制御することで行われる。

図２は、第１の実施形態における被検物１０１の形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。ここでは、被検物１０１として、図１に示すような凸型形状の部品を例に説明する。但し、被検物１０１は、このような単純な形状の部品に限定されるものではなく、任意の形状の部品、例えば、複雑な形状の部品であってもよい。

被検物１０１は、本実施形態では、エッジを境界として区別される、高さの異なる２つの表面領域を含み、具体的には、被検物１０１は、高さの異なる表面１０１ａ及び１０１ｂを含む。ここでは、被検物１０１の形状として、エッジの間の寸法、即ち、側面１０１ｃと側面１０１ｄとの間の寸法を計測するものとする。かかる部分は、被検物１０１の下方から照明しても光が遮られるため、透過照明を用いることができず、被検物１０１を上方から照明する必要がある。

Ｓ１０１では、制御部１３２は、被検物１０１の表面１０１ａ及び１０１ｂが照明される第１照明状態（第２状態）となるように照明系１１０を制御する。具体的には、制御部１３２は、図３（ａ）に示すように、空間光変調器１１２を構成する全ての画素１１２ａが光を透過する状態になるように、空間光変調器１１２を制御（設定）する。このように、第１照明状態では、被検物１０１の表面１０１ａ及び１０１ｂの両方（２つの表面領域）が照明系１１０によって照明される。

Ｓ１０２では、制御部１３２は、アクチュエータ１３３を介してステージ１３４を上下方向に駆動し、被検物１０１にピントを合わせるオートフォーカスを行う。オートフォーカスには、当業界で周知のいかなる技術をも適用することが可能である。被検物１０１の側面１０１ｃと側面１０１ｄとの間の寸法を計測する場合、図３（ｂ）に示すように、画像取得部１２０（光検出器１２１）のフォーカス面１２５と被検物１０１の表面１０１ａとが一致するようにピントが合わせられる。

Ｓ１０３では、第１照明状態において、光検出器１２１によって被検物１０１の第１画像１４０（第２画像）を取得する。図３（ｃ）は、第１照明状態において、光検出器１２１によって取得された被検物１０１の第１画像１４０の一例を示す図である。図３（ｃ）に示す第１画像１４０において、領域１４１ａは、被検物１０１の表面１０１ａに対応する画像領域であり、領域１４１ｂは、被検物１０１の表面１０１ｂに対応する画像領域である。

図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示す破線Ａにおける画像の断面強度プロファイルを示す図である。領域１４３ａに対応する断面強度プロファイルは、被検物１０１の表面１０１ａで反射又は拡散された光の強度分布に対応し、領域１４３ｂに対応する断面強度プロファイルは、被検物１０１の表面１０１ｂで反射又は拡散された光の強度分布に対応する。図３（ｄ）に示す破線は、被検物１０１のエッジに対応する位置を表している。

図３（ｄ）を参照するに、領域１４３ａでは、強度の変動（ばらつき）が非常に大きくなっている。これは、被検物１０１の表面１０１ａのテクスチャ（加工痕や粗さ）の影響によって、表面１０１ａの場所に応じて反射又は散乱される光の強度が大きく変化するためである。被検物１０１の表面１０１ｂについても同様に、テクスチャの影響によって、表面１０１ｂの場所に応じて反射又は散乱される光の強度は大きく変化する。但し、被検物１０１の表面１０１ｂに対応する断面強度プロファイルの領域１４３ｂでは、強度の変動が小さくなっている。これは、被検物１０１の表面１０１ｂが表面１０１ａよりもフォーカス面１２５から遠い位置にあり、ピントが外れることによって画像がぼやけてテクスチャの影響が平滑化されるためである。

図３（ｄ）に破線で示す被検物１０１のエッジに対応する位置では、画像の強度が小さくなる。これは、被検物１０１の面取り、コーナーＲ、側面などで形成される影によって、反射又は散乱されて結像光学系１２２に入射する光の強度が低下するためである。被検物１０１のエッジに対応する画像の強度は、面取りやコーナーＲの大きさに依存する。例えば、面取りが大きい場合には、かかる面取りの部分で反射された光の殆どは、結像光学系１２２に入射しないため、画像の強度が著しく低下する。一方、面取りがされていない場合には、画像の強度は殆ど低下しない。

Ｓ１０４では、制御部１３２は、Ｓ１０３で取得された第１画像に基づいて、被検物１０１のエッジ（少なくとも１つのエッジ）を検出する。被検物１０１のエッジの検出には、キャニー法などのサブピクセル精度が得られるアルゴリズムが用いられる。一般的なエッジの検出のアルゴリズムでは、ガウシアンフィルターなどによって画像を平滑化し、その後、微分演算を行うことによって、エッジの位置を求める。エッジの位置の検出精度は、エッジのコントラスト及びエッジ周辺の画像のノイズ（強度のばらつき）に依存する。例えば、被検物１０１に面取りがされていない場合、被検物１０１のエッジでそれほど強度が低下しないため、高いコントラストが得られない。また、第１画像１４０の領域１４１ｂで強度のばらつきが大きいことも、エッジの検出精度を低下させる要因となる。従って、Ｓ１０３で取得された第１画像からは、被検物１０１のエッジの位置を高い精度で求めることができない。

Ｓ１０５では、制御部１３２は、Ｓ１０４で検出されたエッジを境界として区別（分割）される被検物１０１の２つの表面領域（表面１０１ａ及び１０１ｂ）のうち、どちらにピントが合っているかを判定する（即ち、フォーカスの判定を行う）。本実施形態では、図３（ｃ）に示す第１画像１４０において、領域１４１ａはピントが合っており、領域１４１ｂと領域１４２とはピントが外れている。

Ｓ１０６では、制御部１３２は、被検物１０１の表面１０１ｂが照明され、表面１０１ａが照明されない第２照明状態（第１状態）となるように照明系１１０を制御する。具体的には、制御部１３２は、図４（ａ）に示すように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａのうち、被検物１０１の表面１０１ａに対応する領域にある画素が光を透過しない状態になるように、空間光変調器１１２を制御（設定）する。また、制御部１３２は、図４（ａ）に示すように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａのうち、被検物１０１の表面１０１ｂに対応する領域にある画素が光を透過する状態になるように、空間光変調器１１２を制御（設定）する。これにより、被検物１０１のエッジを境界として区別される被検物１０１の２つの表面領域のうち、フォーカス面１２５から遠い領域（表面１０１ｂ）が選択的に照明される。換言すれば、図４（ｂ）に破線で示す被検物１０１の表面１０１ａを照明する光が遮光される。なお、第１状態では、表面１０１ａを僅かな照度で照明する、即ち、表面１０１ｂよりも照度が小さくなるように表面１０１ａを照明してもよい。

Ｓ１０７では、第２照明状態において、光検出器１２１によって被検物１０１の第２画像１５０（第１画像）を取得する。図４（ｃ）は、第２照明状態において、光検出器１２１によって取得された被検物１０１の第２画像１５０の一例を示す図である。図４（ｃ）に示す第２画像１５０において、領域１５１ａは、被検物１０１の表面１０１ａに対応する画像領域であり、照明系１１０によって照明されていないため、画像は暗くなる。一方、図４（ｃ）に示す第２画像１５０において、領域１５１ａを除く被検物１０１の表面１０１ｂ及びステージ１３４に対応する領域（画像領域）１４２は、照明系１１０によって選択的に照明されているため、画像は明るくなる。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）に示す破線Ａにおける画像の断面強度プロファイルを示す図である。領域１５３ａに対応する断面強度プロファイルは、被検物１０１の表面１０１ａで反射又は拡散された光の強度分布に対応し、領域１５３ｂに対応する断面強度プロファイルは、被検物１０１の表面１０１ｂで反射又は拡散された光の強度分布に対応する。図４（ｄ）に示す破線は、被検物１０１のエッジに対応する位置を表している。

図４（ｄ）を参照するに、領域１５３ａでは、強度がほぼゼロである。これは、被検物１０１の表面１０１ａが照明系１１０によって照明されていないためである。一方、領域１５３ｂでは、強度は大きな値となる。これは、被検物１０１の表面１０１ｂが照明系１１０によって選択的に照明されているためである。また、領域１５３ｂでは、強度の変動が小さくなっている。これは、被検物１０１の表面１０１ｂが表面１０１ａよりもフォーカス面１２５から遠い位置にあり、ピントが外れることによって画像がぼやけてテクスチャの影響が平滑化されるためである。

Ｓ１０８では、制御部１３２は、Ｓ１０７で取得された第２画像に基づいて、被検物１０１のエッジ（少なくとも１つのエッジ）を検出する。上述したように、エッジの位置の検出精度は、エッジのコントラスト及びエッジ周辺の画像のノイズ（強度のばらつき）に依存する。図４（ｃ）に示す第２画像１５０において、領域１５２ａでは強度がほぼゼロであるが、領域１５２ｂでは強度が大きな値となっている。従って、第２画像１５０では、エッジにおいて、高いコントラストが得られる。更に、Ｓ１０７で取得された第２画像は、Ｓ１０３で取得された第１画像とは異なり、被検物１０１の表面１０１ａに対応する領域１５１ａでは強度がほぼゼロで強度のばらつきが小さいため、被検物１０１のエッジの位置を高い精度で求めることができる。従って、Ｓ１０７で取得された第２画像から求められる被検物１０１のエッジの位置の精度は、Ｓ１０３で取得された第１画像から求められる被検物１０１のエッジの位置の精度よりも高い（高精度である）。

Ｓ１０９では、制御部１３２は、Ｓ１０８で検出された被検物１０１のエッジの位置に基づいて、被検物１０１の形状を算出する。本実施形態では、領域１５１ａと領域１５１ｂとの境界に対応するエッジの位置に基づいて、被検物１０１の側面１０１ｃと側面１０１ｄとの間の寸法が算出される。

Ｓ１１０では、制御部１３２は、被検物１０１の別の部分の形状を計測するかどうかを判定する。かかる判定は、その旨を表示装置に表示してユーザが選択できるようにしてもよいし、予め設定されたティーチングプログラムから判定してもよい。被検物１０１の別の部分の形状を計測する場合には、Ｓ１０１に移行し、被検物１０１の別の部分の形状を計測しない場合には、計測処理を終了する。

このように、本実施形態では、被検物１０１の２つの表面領域が照明される状態で被検物１０１の画像を取得し、かかる画像に基づいて、被検物１０１の２つの表面領域のうちの一方が照明され、他方の表面領域が照明されない状態で被検物１０１の画像を取得する。そして、被検物１０１の２つの表面領域のうちの一方が照明され、他方の表面領域が照明されない状態で被検物１０１の画像に基づいて、被検物１０１のエッジの位置を検出して、被検物１０１の形状を求める。従って、被検物１０１の照明状態を変更して２つの画像を取得するだけで、広い領域でエッジの位置を検出することができ、被検物１０１の形状を短時間で、且つ、高精度に計測することができる。

また、本実施形態では、被検物１０１の表面１０１ａにピントを合わせて被検物１０１の表面１０１ｂを選択的に照明しているが、被検物１０１の表面１０１ｂにピントを合わせて被検物１０１の表面１０１ａを選択的に照明することも可能である。但し、実際には、本実施形態のように、被検物１０１の表面１０１ａにピントを合わせて被検物１０１の表面１０１ｂを選択的に照明する方が有利である。この理由について、図５を参照して説明する。

図５（ａ）は、被検物１０１の表面１０１ａにピントを合わせて被検物１０１の表面１０１ｂを選択的に照明する場合の照明状態を示す図である。図５（ａ）に示すように、被検物１０１の表面１０１ａが照明されないように、フォーカス面１２５において一定のマージンΔ_１を設けて、それよりも外側の領域だけが選択的に照明されるように、照明系１１０は制御される。換言すれば、フォーカス面１２５において、被検物１０１のエッジから外側（照明される表面領域側）に予め定められた距離だけ離れた位置よりも外側の領域が照明されるように照明系１１０を制御する。結像光学系１２２は、一定の開口数（ＮＡ）を有しているため、マージンΔ_１が大き過ぎない限りは、デフォーカスした位置にある被検物１０１の表面１０１ｂは、エッジ（境界）まで照明される。また、マージンΔ_１には、一定の自由度があるため、空間光変調器１１２の各画素１１２ａについて、透過又は遮光する範囲を厳密にエッジの位置に応じて決定する必要がなく、空間光変調器１１２の制御が容易である。

図５（ｂ）は、被検物１０１の表面１０１ｂにピントを合わせて被検物１０１の表面１０１ａを選択的に照明する場合の照明状態を示す図である。被検物１０１の表面１０１ｂにピントが合っている場合、テクスチャの影響が大きくなる表面１０１ｂが照明されないように、照明系１１０（空間光変調器１１２）を制御する必要がある。被検物１０１の側面で反射された光によって表面１０１ｂが照明されることを避けるためには、フォーカス面１２５でエッジから大きくシフトした位置（Δ_２）よりも内側の領域だけが照明されるように、照明系１１０を制御しなければならない。更に、被検物１０１の表面１０１ａのエッジまで照明するためには、空間光変調器１１２の各画素１１２ａについて、透過又は遮光する範囲を厳密にエッジの位置に合わせる必要があり、空間光変調器１１２の制御が難しくなる。

従って、図５（ａ）に示すように、結像光学系１２２に近い被検物１０１の表面１０１ａにピントを合わせて、結像光学系１２２から遠い被検物１０１の表面１０１ｂを選択的に照明することが好ましい。換言すれば、フォーカス面１２５と被検物１０１の照明されない表面１０１ａとが一致するように、フォーカス面１２５を調整するとよい。

このように、本実施形態の計測装置１０によれば、透過照明を用いて計測することができない被検物１０１の部分についても、短時間で、且つ、高精度に計測することができる。

＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態における被検物１０１の形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。本実施形態は、被検物１０１の寸法や幾何公差などの形状（形状データ）が既知である場合、例えば、同一形状を有する異なる部品（同一型番の部品）を計測する場合に適用される。

Ｓ２０１では、制御部１３２は、計測装置１０に対して、被検物１０１の位置合わせを行う。被検物１０１の位置合わせには、当業界で周知のいかなる技術をも適用することが可能である。例えば、被検物１０１を冶具によって保持し、かかる冶具をステージ１３４に設けられた突き当て部（不図示）に突き当てることによって、計測装置１０に対する被検物１０１の位置合わせを行うことができる。また、被検物１０１を下方から照明して（即ち、透過照明を用いて）画像を取得し、被検物１０１の輪郭を算出することで計測装置１０と被検物１０１との相対的な位置及び角度を求めて位置合わせを行ってもよい。この場合、被検物１０１の輪郭のコントラストが高くなるように、オートフォーカスなどによって予めピントを合わせておくとよい。

Ｓ２０２では、制御部１３２は、ハードディスクやＳＳＤなどの記憶装置に記憶された被検物１０１の形状データを読み出す。ここで、形状データとは、被検物１０１のエッジの位置の情報を含むデータであって、例えば、被検物１０１の形状の設計値を表すデータを含む。また、形状データは、被検物１０１の２つの表面領域のうちの一方が照明され、他方の表面領域が照明されない状態で光検出器１２１によって取得された被検物１０１の画像から求められたエッジの位置を表すデータであってもよい。

Ｓ２０３では、制御部１３２は、Ｓ２０２で読み出された被検物１０１の形状データに基づいて、被検物１０１のエッジの位置を算出する。具体的には、Ｓ２０１で行われた被検物１０１の位置合わせの情報とＳ２０２で読み出された被検物１０１の形状データとを組み合わせて、計測装置１０を基準とする被検物１０１のエッジの位置を算出する。

Ｓ２０４では、制御部１３２は、Ｓ２０３で算出された被検物１０１のエッジの位置に基づいて、アクチュエータ１３３を介してステージ１３４を上下方向に駆動し、被検物１０１にピントを合わせるオートフォーカスを行う。

Ｓ２０５では、制御部１３２は、Ｓ２０３で算出されたエッジを境界として区別（分割）される被検物１０１の２つの表面領域（表面１０１ａ及び１０１ｂ）のうち、どちらにピントが合っているかを判定する（即ち、フォーカスの判定を行う）。

Ｓ２０６では、制御部１３２は、被検物１０１の表面１０１ｂが照明され、表面１０１ａが照明されない選択的照明状態（第１状態）となるように照明系１１０を制御する。具体的には、制御部１３２は、図４（ａ）に示すように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａのうち、被検物１０１の表面１０１ａに対応する領域にある画素が光を透過しない状態になるように、空間光変調器１１２を制御（設定）する。また、制御部１３２は、図４（ａ）に示すように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａのうち、被検物１０１の表面１０１ｂに対応する領域にある画素が光を透過する状態になるように、空間光変調器１１２を制御（設定）する。これにより、被検物１０１のエッジを境界として区別される被検物１０１の２つの表面領域のうち、フォーカス面１２５から遠い領域（表面１０１ｂ）が選択的に照明される。換言すれば、図４（ｂ）に破線で示す被検物１０１の表面１０１ａを照明する光が遮光される。

Ｓ２０７では、選択的照明状態において、光検出器１２１によって被検物１０１の画像（第１画像）を取得する。被検物１０１の表面１０１ｂは表面１０１ａよりもフォーカス面１２５から遠い位置にあり、ピントが外れることによって画像がぼやけてテクスチャの影響が平滑化される。

Ｓ２０８では、制御部１３２は、Ｓ２０７で取得された画像に基づいて、被検物１０１のエッジ（少なくとも１つのエッジ）を検出する。上述したように、エッジの位置の検出精度は、エッジのコントラスト及びエッジ周辺の画像のノイズ（強度のばらつき）に依存する。第１の実施形態と同様に、Ｓ２０７で取得された画像において、ピントが合った領域では強度がほぼゼロであるが、ピントが外れた領域では強度が大きな値となる。従って、Ｓ２０７で取得された画像では、エッジにおいて、高いコントラストが得られる。更に、Ｓ２０７で取得された画像は、被検物１０１の表面１０１ａに対応する領域では強度がほぼゼロで強度のばらつきが小さいため、被検物１０１のエッジの位置を高い精度で求めることができる。従って、選択的照明状態で取得された画像から求められるエッジの位置は、高精度である。

Ｓ２０９では、制御部１３２は、Ｓ２０８で検出された被検物１０１のエッジの位置に基づいて、被検物１０１の形状を算出する。本実施形態では、領域１５１ａと領域１５１ｂとの境界に対応するエッジの位置に基づいて、被検物１０１の側面１０１ｃと側面１０１ｄとの間の寸法が算出される。

Ｓ２１０では、制御部１３２は、被検物１０１の別の部分の形状を計測するかどうかを判定する。被検物１０１の別の部分の形状を計測する場合には、Ｓ２０３に移行し、被検物１０１の別の部分の形状を計測しない場合には、計測処理を終了する。

複数のピント位置で被検物１０１を計測する場合、第１の実施形態では、各ピント位置で２つの画像を取得する（第１照明状態及び第２照明状態のそれぞれで画像を取得する）必要がある。一方、本実施形態では、被検物１０１の既知の形状データを用いることで、各ピント位置で１つの画像のみを取得すればよい（選択的照明状態で画像を取得すればよい）。従って、被検物１０１が複雑な形状を有し、多数のピント位置での計測が必要な場合には、本実施形態における計測処理が好適である。

このように、本実施形態の計測装置１０によれば、透過照明を用いて計測することができない被検物１０１の部分についても、短時間で、且つ、高精度に計測することができる。

＜第３の実施形態＞
上述した各実施形態の計測装置１０は、機械部品などの物品の製造に適用することができる。かかる物品の製造方法は、上述した計測装置１０を用いて被検物の形状を計測する工程と、その計測結果に基づいて、被検物の形状が所定の形状となるように被検物を加工（研磨など）する工程とを含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

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 (11)

1. エッジを境界として区別される、高さの異なる２つの表面領域を含む被検物の形状を計測する計測装置であって、
   前記被検物を照明する照明系と、
   前記被検物によって反射された光により形成される前記被検物の像を撮像して画像を生成する撮像部と、
   前記被検物の形状を求める処理を行う処理部と、を有し、
   前記処理部は、
   前記２つの表面領域のうちの一方の表面領域が照明され、他方の表面領域が照明されない又は前記一方の表面領域よりも照度が小さくなるように前記他方の表面領域を照明する第１状態となるように前記照明系を制御し、
   前記第１状態で前記撮像部によって生成された第１画像に基づいて前記エッジの位置を求めることを特徴とする計測装置。
2. 前記処理部は、
   前記２つの表面領域が照明される第２状態となるように前記照明系を制御し、
   前記第２状態で前記撮像部によって生成された第２画像に基づいて、前記第１状態となるように前記照明系を制御することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記処理部は、前記第２画像に基づいて前記エッジの位置を求め、当該エッジの位置に基づいて前記第１状態となるように前記照明系を制御し、
   前記第１画像から求められる前記エッジの位置の精度は、前記第２画像から求められる前記エッジの位置の精度よりも高いことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 前記被検物の形状を表す形状データを記憶する記憶部を更に有し、
   前記処理部は、前記記憶部に記憶された形状データに基づいて前記エッジの位置を求め、当該エッジの位置に基づいて前記第１状態となるように前記照明系を制御することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
5. 前記形状データは、前記被検物の形状の設計値を表すデータ、又は、前記２つの表面領域が照明される第２状態で前記撮像部によって生成された第２画像から求めた前記エッジの位置を表すデータを含むことを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 前記処理部は、前記第１状態において、前記撮像部のフォーカス面に対して前記一方の表面領域が前記他方の表面領域よりも遠くなるように、前記撮像部のフォーカス面を調整することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記処理部は、前記撮像部のフォーカス面と前記他方の表面領域とが一致するように、前記撮像部のフォーカス面を調整することを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
8. 前記処理部は、前記撮像部のフォーカス面において、前記エッジから前記一方の表面領域側に予め定められた距離だけ離れた位置よりも前記一方の表面領域側の領域が照明されるように前記照明系を制御することを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
9. 前記照明系は、前記被検物を照明する光の強度を空間的に調整する空間光変調器を含み、
   前記処理部は、前記第１状態となるように前記空間光変調器を制御することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の計測装置。
10. エッジを境界として区別される、高さの異なる２つの表面領域を含む被検物の形状を計測する計測方法であって、
    前記２つの表面領域のうちの一方の表面領域が照明され、他方の表面領域が照明されない又は前記一方の表面領域よりも照度が小さくなるように前記他方の表面領域を照明する第１状態で前記被検物を照明する工程と、
    前記第１状態で照明された前記被検物で反射された光により形成される前記被検物の像を撮像して画像を生成する工程と、
    前記画像に基づいて前記エッジの位置を求める工程と、
    を有することを特徴とする計測方法。
11. 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被検物の形状を計測する工程と、
    前記工程での計測結果に基づいて、前記被検物の形状が所定の形状となるように前記被検物を加工する工程と、
    を有することを特徴とする物品の製造方法。

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