JP2020027054A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増加を防止しつつ測定対象物のプロファイルを効率よく測定することが可能な光学式変位計を提供する。【解決手段】受光部１２１においてＸ２方向に並ぶ複数の受光素子列により測定対象物からの反射光が受光され、複数の受光量分布が出力される。複数の受光量分布に基づいて画素列ごとにＺ２方向における１または複数の受光量のピーク候補位置がピーク検出部１により検出される。測定対象物の基準プロファイルを示す基準データが登録部１により登録される。検出されたピーク候補位置の中から、基準プロファイルの部分との近似度に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置が選択され、選択されたピーク位置に基づいてプロファイルを示すプロファイルデータがプロファイル生成部６により生成される。【選択図】図１２

Description

本発明は、三角測距方式により測定対象物の変位を検出する光学式変位計に関する。

光切断方式の光学式変位計においては、投光部から線状の断面を有する帯状の光が測定対象物（以下、ワークと呼ぶ。）上に照射され、その反射光が２次元の受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピークの位置に基づいて、ワークのプロファイルが測定される。ここで、ワークに照射された光がワークの表面で多重反射することがある。この場合、多重反射した光が受光素子に入射することにより受光量分布に複数のピークが現れるため、ワークの正確なプロファイルを測定することができない。投光部からの光とは異なる光（外乱光）が受光素子に入射した場合、またはワークの測定対象部分以外の部分により反射された光が受光素子に入射した場合等にも、同様の問題が発生する。

特許文献１に記載された光学式変位計においては、互いに直交する方向に偏光する第１および第２の光がワークに順次照射される。ワークに反射された第１および第２の光が受光素子により受光され、第１および第２の光の受光量分布をそれぞれ示す第１および第２の波形データが生成される。第１および第２の波形データの間で互いに対応するピークの比に基づいて、第１および第２の波形データから１つのピークが選択される。選択されたピークの位置に基づいてワークのプロファイルが測定される。

特開２０１２−１２７８８７号公報

特許文献１に記載の光学式変位計によれば、受光量分布における複数のピークからワークの表面で１回のみ反射した光によるピークを選択することが可能である。しかしながら、互いに直交する方向に偏光する光を出射する２つの投光素子を光学式変位計に設ける必要があるため、光学式変位計の製造コストが増加する。また、第１および第２の波形データを取得するとともに、これらの波形データに演算を行う必要があるため、ワークのプロファイルを効率よく測定することができない。

本発明の目的は、製造コストの増加を防止しつつ測定対象物のプロファイルを効率よく測定することが可能な光学式変位計を提供することである。

（１）本発明に係る光学式変位計は、測定対象物のプロファイルを測定する光切断方式の光学式変位計であって、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を測定対象物に照射する投光部と、第１の方向と、第１の方向に交差する第２の方向とに並ぶ複数の画素を含み、測定対象物の第１の方向の各位置からの反射光を受光し、受光量分布を出力する受光部と、第１の方向に並ぶ複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに第２の方向における１または複数の受光量のピーク候補位置を検出するピーク検出部と、測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データを登録する登録部と、各画素列についてピーク検出部により検出されたピーク候補位置の中から、当該画素列に隣接する他の画素列のピーク位置との相対的な位置関係に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択し、選択されたピーク位置に基づいてプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部とを備える。

この光学式変位計においては、投光部により第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向にスポット光が走査されて測定対象物に照射される。受光部において第１の方向に並ぶ複数の画素列により測定対象物からの反射光が受光され、受光量分布が出力される。各画素列において、複数の画素が第２の方向に並ぶ。複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに第２の方向における１または複数の受光量のピーク候補位置がピーク検出部により検出される。測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データが登録部により登録される。検出されたピーク候補位置の中から、プロファイルに採用されるべきピーク位置が、基準プロファイルの部分との近似度に基づいて選択され、選択されたピーク位置に基づいてプロファイルを示すプロファイルデータがプロファイル生成部により生成される。

この構成によれば、いずれかの画素列に対応する受光量分布において複数のピークが検出された場合でも、当該画素列について基準プロファイルの部分との近似度に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置が選択される。この場合、偏光方向が異なる複数の投光素子を光学式変位計に設ける必要がない。また、各画素列について複数の受光量分布を取得する必要がなく、したがって、複数の受光量分布に演算を行う必要もない。その結果、製造コストの増加を防止しつつ測定対象物のプロファイルを効率よく測定することができる。

（２）光学式変位計は、ピーク検出部により検出された複数のピーク候補位置に基づいて幾何学的パターンを示すパターンデータを生成するパターン生成部と、複数の画素列の各々について、登録部により登録された基準データとパターン生成部により生成されたパターンデータとの相関係数を算出する相関算出部とをさらに備え、プロファイル生成部は、相関算出部により算出された相関係数に基づいて近似度を判定してもよい。この場合、パターンデータと基準データとの相関係数に基づいて、複数のピーク候補位置の各々と基準プロファイルの部分との近似度を容易に判定することができる。

（３）光学式変位計は、パターン生成部により生成されたパターンデータの少なくとも一部に基づいて、幾何学的パターンと基準形状との相対的な位置ずれが小さくなるようにパターンデータおよび基準データの少なくとも一方を補正する補正部をさらに備え、相関算出部は、補正部による補正後のパターンデータと基準データとの相関係数を算出してもよい。この構成によれば、幾何学的パターンと基準プロファイルとが位置ずれを有する場合でも、パターンデータと基準データとの相関係数を容易に算出することができる。

（４）光学式変位計は、ピーク検出部により検出されたピーク候補位置におけるピークの態様を示すパラメータを取得するパラメータ取得部をさらに備え、プロファイル生成部は、パラメータ取得部により取得されたパラメータにさらに基づいて各受光量分布における複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択してもよい。

この場合、複数のピーク候補位置の各々と基準プロファイルの部分との近似度と、ピークの態様との総合的な判断に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置が選択される。これにより、測定対象物のプロファイルをより正確に測定することができる。

（５）パラメータ取得部により取得されるパラメータは、ピークの受光量またはピークの幅を含んでもよい。この場合、ピークの態様を示すパラメータを容易に取得することができる。

（６）光学式変位計は、プロファイル生成部の動作モードを第１の動作モードと第２の動作モードとで切り替える切替部をさらに含み、プロファイル生成部は、第１の動作モードにおいては、ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布において複数のピーク候補位置が検出された場合、複数のピーク候補位置の各々と登録部により登録された基準データが示す基準形状の部分との近似度に基づいて複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択し、第２の動作モードにおいては、ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布において複数のピーク候補位置が検出された場合、予め設定された条件に基づいて複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択してもよい。

測定対象物の形状によっては、予め設定された条件に基づいて選択されるピーク位置が測定対象物の表面の位置に合致することがある。このような場合、第２の動作モードが選択されることにより、測定対象物のプロファイルをより効率よく測定することができる。

（７）予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピーク候補位置から最大の受光量を有するピーク候補位置をプロファイルに採用されるべきピーク位置として選択することを含んでもよい。この構成によれば、最大の受光量を有するピーク候補位置が測定対象物の表面の位置に合致する場合、第２の動作モードが選択されることにより、測定対象物のプロファイルをより効率よく測定することができる。

（８）予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピーク候補位置から第２の方向における一端または他端に最も近いピーク候補位置をプロファイルに採用されるべきピーク位置として選択することをさらに含んでもよい。この構成によれば、第２の方向における一端または他端に最も近いピーク候補位置が測定対象物の表面の位置に合致する場合、第２の動作モードが選択されることにより、測定対象物のプロファイルをより効率よく測定することができる。

（９）光学式変位計は、プロファイル生成部により生成されたプロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるようにプロファイルデータにフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備えてもよい。この場合、プロファイルにおける段差部分およびエッジ部分の形状を維持しつつ、測定対象物の平坦な部分に対応するプロファイルの部分を平滑化することができる。

本発明によれば、製造コストの増加を防止しつつ測定対象物のプロファイルを効率よく測定することができる。

本発明の一実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドおよびワークの外観斜視図である。 ワークの表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 ワークの表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 受光部の受光面における受光量分布を示す図である。 図５の１つの画素列における受光量分布を示す図である。 図５の受光量分布における全てのピーク位置を示す図である。 図７のピーク位置に基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。 ワークの表面での反射について説明するための図である。 受光部における受光量分布の他の例を示す図である。 図１０の１つの画素列における受光量分布を示す図である。 プロファイル取得部の構成を示すブロック図である。 第１の動作モードにおけるプロファイル取得部の動作を説明するための図である。 第１の動作モードにおけるプロファイル取得部の動作を説明するための図である。 第１の動作モードにおけるプロファイル取得部の動作を説明するための図である。 第１の動作モードにおけるプロファイル取得部の動作を説明するための図である。 変形例におけるプロファイル取得部の構成を示すブロック図である。 図１２のフィルタ処理部の動作を説明するための図である。 他の実施の形態におけるプロファイル取得部の構成を示すブロック図である。

（１）光学式変位計の構成
以下、本発明の実施の形態に係る光学式変位計として、光切断方式の光学式変位計について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。図１に示すように、光学式変位計５００は、撮像ヘッド１００、処理装置２００、入力部３００および表示部４００を備える。光学式変位計５００は、複数の撮像ヘッド１００を備えてもよい。撮像ヘッド１００は、処理装置２００に対して着脱可能に構成される。撮像ヘッド１００と処理装置２００とは一体的に構成されてもよい。

撮像ヘッド１００は、投光部１１０および撮像部１２０を含む。投光部１１０は、一方向（後述するＸ１方向）に広がる帯状の光を測定対象物（以下、ワークＷと呼ぶ。）に照射可能に構成される。投光部１１０は、一方向に広がる帯状の光に代えて、一方向に走査される光をワークＷに照射可能に構成されてもよい。

撮像部１２０は、受光部１２１および受光レンズ１２２を含む。ワークＷからの反射光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。受光部１２１は例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサを含み、２次元に配置された複数の画素を有する。受光部１２１の受光量分布は、デジタルのデータとして出力される。

処理装置２００は、記憶部２１０および制御部２２０を含む。また、処理装置２００は、機能部として、投光制御部２２１、受光制御部２２２、入力設定部２２３、プロファイル取得部２２４、切替部２２５、計測処理部２２６および表示処理部２２７を含む。

記憶部２１０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ハードディスクまたは半導体メモリ等により構成され、測定プログラムを記憶する。制御部２２０は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）である。制御部２２０が記憶部２１０に記憶された測定プログラムを実行することにより処理装置２００の機能部が実現される。処理装置２００の機能部の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。

投光制御部２２１は、投光部１１０の光の照射タイミングおよび光の強度等を制御する。受光制御部２２２は、受光部１２１の受光タイミング等を制御する。入力設定部２２３は、入力部３００により与えられる指令信号に基づいて、その指令信号をプロファイル取得部２２４、切替部２２５および計測処理部２２６に与える。

プロファイル取得部２２４は、受光部１２１により出力された受光量分布および入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいてワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータを取得する。切替部２２５は、入力設定部２２３により与えられる指令信号に基づいて、プロファイル取得部２２４の動作モードを第１の動作モードと第２の動作モードとで切り替える。プロファイル取得部２２４および動作モードの詳細については後述する。

計測処理部２２６は、プロファイル取得部２２４により取得されたプロファイルデータに対する計測処理を行う。ここで、計測処理とは、プロファイルデータに基づいてワークＷの表面の任意の部分の寸法（変位）を算出する処理である。表示処理部２２７は、プロファイルデータに基づくワークＷの形状および計測処理により算出された寸法（変位）を示す画像データを生成し、生成された画像データを表示部４００に与える。

入力部３００は、キーボードおよびポインティングデバイスを含み、使用者により操作可能に構成される。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。また、入力部３００として専用のコンソールを用いてもよい。使用者により入力部３００が操作されることにより、入力部３００から処理装置２００の入力設定部２２３に指令信号が与えられる。

表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。表示部４００は、処理装置２００の表示処理部２２７により与えられる画像データに基づいてワークＷのプロファイルおよび計測処理部２２６による計測結果を表示する。

（２）動作の概要
図２は、撮像ヘッド１００およびワークＷの外観斜視図である。図３および図４は、ワークＷの表面における光の照射位置と受光部１２１における光の入射位置との関係を示す図である。図２〜図４においては、水平面内で互いに直交する２方向をＸ１方向およびＹ１方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ１，Ｙ１で示す。また、鉛直方向をＺ１方向と定義し、矢印Ｚ１で示す。また、図３および図４においては、受光部１２１の受光面上で互いに直交する２方向をＸ２方向およびＺ２方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ２，Ｚ２で示す。ここで、受光面とは、受光部１２１の複数の画素により形成される面である。

図２の例では、ワークＷの表面にＹ１方向に延びる断面台形状の溝が形成される。撮像ヘッド１００は、Ｘ１方向に沿った帯状の光をワークＷの表面に照射する。以下、帯状の光が照射されるワークＷの表面の線状の領域を照射領域Ｔ１と呼ぶ。図３に示すように、照射領域Ｔ１で反射される光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。この場合、照射領域Ｔ１における光の反射位置がＺ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＺ２方向に異なる。

また、図４に示すように、照射領域Ｔ１における光の反射位置がＸ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＸ２方向に異なる。これにより、受光部１２１のＺ２方向における光の入射位置が、照射領域Ｔ１のＺ１方向における位置（高さ）を表し、受光部１２１のＸ２方向における光の入射位置が、照射領域Ｔ１におけるＸ１方向の位置を表す。

図５は、受光部１２１の受光面における受光量分布を示す図である。図５の受光部１２１の各画素ｐの受光量に基づいて受光量分布が生成される。受光部１２１の複数の画素ｐは、Ｘ２方向およびＺ２方向に沿うように２次元に配置される。Ｚ２方向に沿った複数の画素ｐの列の各々を画素列ＳＳと呼ぶ。したがって、受光部１２１の受光面には、複数の画素列ＳＳがＸ２方向に配列され、各画素列ＳＳはＺ２方向に沿った複数の画素ｐを含む。

なお、本発明における各画素ｐは、ＣＭＯＳセンサ等の撮像装置の１個のピクセル（ピクセルの最小単位）により構成されることに限定されず、複数個のピクセルにより構成されてもよい。例えば、２×２に配列された４個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよいし、３×３に配列された９個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。したがって、複数個のピクセルを１個の単位としてビニング処理が行われている場合には、当該１個の単位に含まれる複数個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。

図２の照射領域Ｔ１で反射された光は、図５に示される受光領域Ｒ１に入射する。それにより、受光領域Ｒ１の受光量が大きくなる。図５の受光量分布が、画素列ＳＳごとにデジタルのデータとして出力される。

図６は、図５の１つの画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。図６において、横軸はＺ２方向の位置を示し、縦軸は受光量を示す。図６に示すように、１つの画素列ＳＳにおける受光量分布には、図５の受光領域Ｒ１に対応するピークＰ（極大値）が現れる。ピークＰのＺ２方向における位置（以下、ピーク位置ＰＰと呼ぶ。）は、照射領域Ｔ１におけるワークＷの表面（反射面）の高さを示す。

複数の画素列ＳＳに対応する複数の受光量分布の各々において１つ以上（図６の例では１つ）のピーク位置ＰＰが図１のピーク検出部２により検出される。複数のピーク位置ＰＰに基づいて、ワークＷのプロファイル（照射領域Ｔ１の形状）を示すプロファイルデータがプロファイル取得部２２４により取得される。

図７は、図５の受光量分布における全てのピーク位置ＰＰを示す図である。図８は、図７のピーク位置ＰＰに基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。図７および図８に示すように、検出された全てのピーク位置ＰＰが、連続的な線として示されることにより、ワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータが得られる。

上記のように、照射領域Ｔ１で反射された光が受光部１２１に入射することにより、照射領域Ｔ１の高さを表すピークが受光量分布に表れる。しかしながら、照射領域Ｔ１以外の部分で反射された光が受光部１２１に入射することがある。この場合、照射領域Ｔ１の高さを示すピーク（以下、真ピークと呼ぶ。）とは異なるピーク（以下、偽ピークと呼ぶ。）が受光量分布に現れる。図９（ａ），（ｂ）は、ワークＷの表面での反射について説明するための図である。図１０は、受光部１２１における受光量分布の他の例を示す図である。図１１は、図１０の１つの画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。

図９（ａ）に示すように、ワークＷに照射される光は、照射領域Ｔ１で正反射および拡散反射される。ここで、正反射とは、入射角と反射角とが等しい反射をいい、拡散反射とは、入射角と反射角とが異なる反射をいう。通常、照射領域Ｔ１で正反射された光は受光部１２１に入射せず、照射領域Ｔ１で拡散反射された一部の光Ｌ１が受光部１２１に入射する。一方、図９（ｂ）に示すように、照射領域Ｔ１で拡散反射された他の一部の光Ｌ２が、ワークＷの表面の照射領域Ｔ１以外の他の領域（以下、偽照射領域Ｔ２と呼ぶ。）で正反射され、受光部１２１に入射することがある。

光が正反射された場合、反射前後で光の強度が大きく変化しない。そのため、照射領域Ｔ１から受光部１２１に入射する光Ｌ１の強度と、偽照射領域Ｔ２から受光部１２１に入射する光Ｌ２の強度との間に大きな差が生じない。なお、本実施の形態は一例であり、このような多重反射（複数回反射）は様々な状況下で起こりうる。例えば、正反射光がワークＷからの反射光として受光部１２１に受光されるようにワークＷおよび撮像ヘッド１００が配置されている場合、正反射光以外の拡散反射光が他の領域でさらに反射され、受光部１２１に受光されることもある。

この場合、図１０に示すように、受光部１２１の受光面において、受光領域Ｒ１以外に、他の領域（以下、偽受光領域Ｒ２と呼ぶ。）の受光量が大きくなる。そのため、図１１に示すように、受光量分布において、受光領域Ｒ１に対応するピークＰである真ピークＰ１の他に、偽受光領域Ｒ２に対応するピークＰである偽ピークＰ２が現れる。すなわち、真ピークＰ１の位置と偽ピークＰ２の位置とがピークＰの候補の位置（以下、ピーク候補位置と呼ぶ。）としてプロファイル取得部２２４により検出される。真ピークＰ１の位置ではなく偽ピークＰ２の位置を用いた場合、正確なプロファイルデータを取得することができない。

また、投光部１１０以外からの光（外乱光）が受光部１２１に入射することがある。あるいは、ワークＷの照射領域Ｔ１以外の部分に照射された光が反射されて受光部１２１に入射することがある。これらの場合にも、受光量分布において、真ピークＰ１の他に偽ピークＰ２が現れることとなり、同様の問題が発生する。

そこで、プロファイル取得部２２４は、第１の動作モードと第２の動作モードとで選択的に動作する。第１の動作モードにおいては、検出された複数のピーク候補位置の各々とワークＷのプロファイルの基準となる基準プロファイルの部分との近似度に基づいて偽ピークＰ２の位置ではなく真ピークＰ１の位置がピーク位置ＰＰとして選択される。第２の動作モードにおいては、予め設定された条件に基づいて複数のピーク候補位置から１つのピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして選択される。

以下、プロファイル取得部２２４の動作の詳細について説明する。また、以下の説明では、画素列ＳＳに対応する受光量分布におけるピーク候補位置を単に画素列ＳＳのピーク候補位置と呼ぶ。

（３）プロファイル取得部
図１２は、プロファイル取得部２２４の構成を示すブロック図である。図１２に示すように、プロファイル取得部２２４は、機能部として、登録部１、ピーク検出部２、パターン生成部３、補正部４、相関算出部５、プロファイル生成部６およびフィルタ処理部７を含む。図１の制御部２２０が記憶部２１０に記憶された測定プログラムを実行することによりプロファイル取得部２２４の機能部が実現される。プロファイル取得部２２４の機能部の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。

登録部１は、第１の動作モードにおいて、入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいて基準データを登録する。基準データは、ワークＷのＣＡＤ（computer-aided design）データ等の設計データであってもよいし、ワークＷと同形状の測定対象物が予め測定されることにより生成されたマスタプロファイルデータであってもよい。ピーク検出部２は、第１および第２の動作モードにおいて、受光部１２１により出力される受光量分布に基づいて各画素列ＳＳのピーク（ピーク候補位置を含む。以下も同様である。）を検出する。

パターン生成部３は、第１の動作モードにおいて、ピーク検出部２により検出された複数のピーク候補位置に基づいて幾何学的パターンを示すパターンデータを生成する。幾何学的パターンは、直線または円弧等を含む。補正部４は、第１の動作モードにおいて、登録部１により登録された基準データおよびパターン生成部３により生成されたパターンデータを取得する。また、補正部４は、パターンデータの少なくとも一部に基づいて、幾何学的パターンと基準プロファイルとの相対的な位置ずれが小さくなるようにパターンデータおよび基準データの少なくとも一方を補正する。

相関算出部５は、第１の動作モードにおいて、複数の画素列ＳＳの各々について、補正部４による補正後のパターンデータと基準データとの相関係数を複数のピーク候補位置の各々と基準プロファイルの部分との近似度として算出する。プロファイル生成部６は、第１の動作モードにおいて、相関算出部５により算出された相関係数に基づいて各画素列ＳＳの複数のピーク候補位置からピーク位置ＰＰを選択する。

また、プロファイル生成部６は、第２の動作モードにおいて、予め設定された条件に基づいて各受光量分布における複数のピーク候補位置から１つのピーク位置ＰＰを選択する。予め設定された条件は、「標準（最大ピーク）」、「ＮＥＡＲ」および「ＦＡＲ」を含む。「標準（最大ピーク）」においては、各受光量分布における複数のピーク候補位置から最大の受光量を有するピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして選択される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最大の受光量を有する真ピークＰ１の位置がピーク位置ＰＰとして選択される。

「ＮＥＡＲ」においては、各受光量分布における複数のピーク候補位置からＺ２方向における一端（例えば左端）に最も近いピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして選択される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最も左に現れる偽ピークＰ２の位置がピーク位置ＰＰとして選択される。「ＦＡＲ」においては、各受光量分布における複数のピーク候補位置からＺ２方向における他端（例えば右端）に最も近いピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして選択される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最も右に現れる真ピークＰ１の位置がピーク位置ＰＰとして選択される。

使用者は、入力部３００を操作することにより、「標準（最大ピーク）」、「ＮＥＡＲ」および「ＦＡＲ」のいずれかを入力設定部２２３に設定することができる。ワークＷの形状によっては、いずれかの条件に基づいて選択されるピーク位置ＰＰがワークＷの表面の位置に合致することがある。したがって、使用者がワークＷの形状に対応する適切な条件を認識している場合には、第２の動作モードにおいてその条件を設定することにより、ワークＷの表面の位置に対応する適切なピーク位置ＰＰをより効率よく選択することができる。

さらに、プロファイル生成部６は、選択されたピーク位置ＰＰに基づいてワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータを生成する。フィルタ処理部７は、プロファイル生成部６により生成されたプロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるようにプロファイルデータにフィルタ処理を行う。フィルタ処理部７の詳細については後述する。プロファイル生成部６により生成されたプロファイルデータに基づくプロファイルは、表示処理部２２７を通して表示部４００に表示される。

図１３〜図１６は、第１の動作モードにおけるプロファイル取得部２２４の動作を説明するための図である。上記のように、図１２のピーク検出部２は、各画素列ＳＳのピーク候補位置を検出する。図１３の例においては、検出されたピーク候補位置に対応する受光部１２１の画素ｐがドットパターンにより示される。図１３に示すように、一部の画素列ＳＳにおいては、複数のピーク候補位置が検出される。

次に、ピーク検出部２により検出された複数のピーク候補位置に基づいて、図１４に示すように、図１２のパターン生成部３により直線状の幾何学的パターンＰａを示すパターンデータが生成される。続いて、生成されたパターンデータの少なくとも一部に基づいて、パターンデータおよび図１２の登録部１により登録された基準データの少なくとも一方が図１２の補正部４により補正される。パターンデータの少なくとも一部とは、例えばパターンデータのうち１個のピーク候補位置のみが検出された画素列ＳＳに対応する部分である。

図１５の例では、基準データに基づく基準プロファイルＰｂが太い点線で示されている。ここで、パターンマッチングに基づいてパターンデータが補正されることにより、幾何学的パターンＰａが矢印Ａ１で示すようにＺ２方向に移動するとともに、矢印Ａ２で示すようにＸ２方向に移動する。これにより、幾何学的パターンＰａが基準プロファイルＰｂに重なる。なお、幾何学的パターンＰａを回転させる補正がパターンデータに加えられてもよい。また、基準プロファイルＰｂが幾何学的パターンＰａに重なるように基準データが補正されてもよい。

その後、複数の画素列ＳＳの各々について、登録部１により登録された基準データと、補正部４により補正されたパターンデータとの相関係数が図１２の相関算出部５により算出される。各画素列ＳＳについて、基準データとの相関係数が最も大きいパターンデータの部分に対応するピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして図１２のプロファイル生成部６により選択される。図１６の例においては、選択されたピーク候補位置に対応する受光部１２１の画素ｐがドットパターンにより示される。選択されたピーク位置ＰＰに基づいて図１２のプロファイル生成部６によりプロファイルデータが生成される。

（４）変形例
本実施の形態においては、各画素列ＳＳについて、基準データとの相関係数が最も大きいパターンデータの部分に対応するピーク候補位置がピーク位置ＰＰとして選択されるが、本発明はこれに限定されない。基準データとの相関係数と、ピーク候補の態様を示す他のパラメータとの総合的な判断に基づいてピーク位置ＰＰが選択されてもよい。

図１７は、変形例におけるプロファイル取得部２２４の構成を示すブロック図である。図１７のプロファイル取得部２２４について、図１２のプロファイル取得部２２４と異なる点を説明する。図１７に示すように、変形例におけるプロファイル取得部２２４は、パラメータ取得部８をさらに含む。パラメータ取得部８は、第１の動作モードにおいて、ピーク検出部２により検出された複数のピークＰの候補の態様をそれぞれ示す複数のパラメータを取得する。

具体的には、真ピークＰ１の受光量は、偽ピークＰ２の受光量よりも大きい傾向がある。あるいは、真ピークＰ１の幅は、偽ピークＰ２の幅よりも狭い傾向がある。そこで、パラメータ取得部８は、上記のパラメータとして、例えばピークＰの候補の受光量またはピークＰの候補の幅を取得する。

プロファイル生成部６は、相関算出部５により算出された相関係数と、パラメータ取得部８により取得されたピークの候補の受光量の大きさまたはピークの候補の幅の狭さとを総合的に判断する。その判断の結果、プロファイル生成部６は、各画素列ＳＳの複数のピーク候補位置からピーク位置ＰＰを選択する。

（５）フィルタ処理部
図１８は、図１２のフィルタ処理部７の動作を説明するための図である。図１８（ａ）〜（ｃ）においては、ワークＷのプロファイルが表示部４００に表示されている。また、表示部４００の画面上には、図１の受光部１２１のＸ２方向およびＺ２方向にそれぞれ対応するＸ３方向およびＺ３方向が定義されている。

ワークＷの部分が平坦である場合でも、ワークＷの表面の状態または色ムラ等によっては、図１８（ａ）に示すように、プロファイルデータに基づくワークＷのプロファイルの部分が平坦にならず、ギザギザになることがある。また、ワークＷのプロファイルの部分を平滑化するためにスムージングフィルタ処理をプロファイルデータに行うと、図１８（ｂ）に示すように、プロファイルの段差部分またはエッジ部分が消失し、正確なプロファイルが得られないことがある。

そこで、本実施の形態においては、フィルタ処理部７は、下記式（１）を演算することにより、出力値ｆ_ｉを算出する。ここで、Ｘ３方向に並ぶ複数の画素列ＳＳを左から順にｉ番目（ｉは１以上の整数）とすると、式（１）において、ｚ_ｉは、プロファイルデータにおけるｉ番目の画素列ＳＳに対応する部分のＺ３方向の位置（高さ）である。αは、Ｚ３方向における重み付けパラメータである。ｋは、１以上の整数であり、番数ｉを中心とした演算を行う範囲（カーネル）を示す。

全ての番数ｉについて式（１）の出力値ｆ_ｉが算出されることにより、プロファイルにおける高さ変化の小さい部分の平滑効果が高さ変化の大きい部分の平滑効果よりも大きくなるようにプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。これにより、図１８（ｃ）に示すように、段差部分およびエッジ部分の形状が維持されつつプロファイルが平滑化される。

フィルタ処理部７は、式（１）に代えて下記式（２）を演算することにより、出力値ｆ_ｉを算出してもよい。ここで、式（２）において、ｘ_ｉは、プロファイルデータにおけるｉ番目の画素列ＳＳに対応する部分のＸ３方向の位置である。βはＸ３方向における重み付けパラメータである。他のパラメータは、式（１）におけるパラメータと同様である。

全ての番数ｉについて式（２）の出力値ｆ_ｉが算出されることにより、プロファイルにおける高さ変化の小さい部分の平滑効果が高さ変化の大きい部分の平滑効果よりも大きくなるようにプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。また、プロファイルにおけるＸ３方向に近接する部分間の平滑効果がＸ３方向に離間した部分間の平滑効果よりも大きくなるようにプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。

また、使用者は、入力部３００を操作することにより、Ｚ３方向においてフィルタ処理を行うプロファイルデータの範囲を指定することができる。フィルタ処理を行う範囲を複数指定することも可能である。図１８（ａ）には、フィルタ処理を行う２つの範囲Ｆ１，Ｆ２が指定される例がドットパターンにより示されている。

なお、式（１）または式（２）において、カーネルｋは、ガウシアンカーネルとして図１の入力設定部２２３に設定されてもよいし、使用者が図１の入力部３００を操作することにより入力設定部２２３に設定されてもよい。あるいは、図１の計測処理部２２６によりプロファイルの所定の段差部分を計測することが設定される場合、カーネルｋは、当該段差部分の大きさに応じて自動的に入力設定部２２３に設定されてもよい。

（６）効果
本実施の形態に係る光学式変位計５００においては、投光部１１０により光がワークＷに照射される。受光部１２１においてＸ２方向に並ぶ複数の画素列ＳＳによりワークＷからの反射光が受光され、受光量分布が出力される。複数の受光量分布の各々において、対応する画素列ＳＳの複数の画素ｐが並ぶＺ２方向における１つまたは複数の受光量のピーク候補位置がピーク検出部１により検出される。ワークＷのプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データが登録部１により登録される。各画素列ＳＳについて検出されたピーク候補位置の中から、基準プロファイルの部分との近似度に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置ＰＰが選択され、選択されたピーク位置ＰＰに基づいてワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータがプロファイル生成部６により生成される。

この構成によれば、いずれかの画素列ＳＳに対応する受光量分布において複数のピーク候補位置が検出された場合でも、当該画素列ＳＳについて基準プロファイルの部分との近似度に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置ＰＰが選択される。この場合、偏光方向が異なる複数の投光素子を光学式変位計５００に設ける必要がない。また、各画素列ＳＳについて複数の受光量分布を取得する必要がなく、したがって、複数の受光量分布に演算を行う必要もない。その結果、製造コストの増加を防止しつつワークＷのプロファイルを効率よく測定することができる。

近似度の判定においては、検出された複数のピーク候補位置に基づいて幾何学的パターンを示すパターンデータがパターン生成部３により生成される。複数の画素列ＳＳの各々について、基準データとパターンデータとの相関係数が相関算出部５により算出される。算出された相関係数に基づいて近似度がプロファイル生成部６により判定される。この場合、近似度を容易に判定することができる。

（７）他の実施の形態
上記実施の形態において、プロファイル取得部２２４はパターン生成部３を含むが、本発明はこれに限定されない。図１９は、他の実施の形態におけるプロファイル取得部２２４の構成を示すブロック図である。図１９に示すように、他の実施の形態においては、プロファイル取得部２２４はパターン生成部３を含まない。以下、図１９のプロファイル取得部２２４の第１の動作モードにおける動作を説明する。図１９のプロファイル取得部２２４の第２の動作モードにおける動作は、図１２のプロファイル取得部２２４の第２の動作モードにおける動作と同様である。

図１９のプロファイル取得部２２４においては、補正部４および相関算出部５の動作の前に、プロファイル生成部６が予め設定された条件に基づいて各受光量分布における複数のピーク候補位置から１つのピーク位置ＰＰを選択する。予め設定された条件は、第２の動作モードにおける予め設定された条件と同様でもよい。プロファイル生成部６は、選択されたピーク位置ＰＰに基づいてワークＷの仮のプロファイルを示す仮プロファイルデータを生成する。

その後、補正部４は、プロファイル生成部６により生成された仮プロファイルデータに基づいて、ワークＷの仮のプロファイルと基準プロファイルとの相対的な位置ずれが小さくなるように仮プロファイルデータおよび基準データの少なくとも一方を補正する。相関算出部５は、複数の画素列ＳＳの各々について、補正部による補正後の仮プロファイルデータと基準データとの相関係数を複数のピーク候補位置の各々と基準プロファイルの部分との近似度として算出する。

その後、プロファイル生成部６は、相関算出部５により算出された相関係数に基づいて各画素列ＳＳの複数のピーク候補位置からピーク位置ＰＰを再度選択する。プロファイル生成部６は、再度選択されたピーク位置ＰＰに基づいてワークＷの真のプロファイルを示す真プロファイルデータを生成し、生成された真プロファイルデータを表示処理部２２９に与える。フィルタ処理部７によるフィルタ処理は、真プロファイルデータに対して行われる。

また、図１２、図１７または図１９のプロファイル取得部２２４は補正部４を含むが、本発明はこれに限定されない。幾何学的パターンＰａまたは仮プロファイルデータに基づくワークＷの仮のプロファイルと基準プロファイルＰｂとが位置ずれを有さない場合には、プロファイル取得部２２４は補正部４を含まなくてもよい。

（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

ワークＷが測定対象物の例であり、光学式変位計５００が光学式変位計の例であり、投光部１１０が投光部の例であり、Ｘ２方向が第１の方向の例であり、Ｚ２方向が第２の方向の例である。画素ｐが画素の例であり、画素列ＳＳが画素列の例であり、受光部１２１が受光部の例であり、ピーク検出部２がピーク検出部の例であり、登録部１が登録部の例である。

プロファイル生成部６がプロファイル生成部の例であり、パターン生成部３がパターン生成部の例であり、相関算出部５が相関算出部の例である。補正部４が補正部の例であり、パラメータ取得部８がパラメータ取得部の例であり、切替部２２５が切替部の例であり、フィルタ処理部７がフィルタ処理部の例である。

１…登録部，２…ピーク検出部，３…パターン生成部，４…補正部，５…相関算出部，６…プロファイル生成部，７…フィルタ処理部，８…パラメータ取得部，１００…撮像ヘッド，１１０…投光部，１２０…撮像部，１２１…受光部，１２２…受光レンズ，２００…処理装置，２１０…記憶部，２２０…制御部，２２１…投光制御部，２２２…受光制御部，２２３…入力設定部，２２４…プロファイル取得部，２２５…切替部，２２６…計測処理部，２２７…表示処理部，３００…入力部，４００…表示部，５００…光学式変位計，Ｆ１，Ｆ２…範囲，Ｌ１，Ｌ２…光，ｐ…画素，Ｐ…ピーク，Ｐ１…真ピーク，Ｐ２…偽ピーク，Ｐａ…幾何学的パターン，Ｐｂ…基準プロファイル，ＰＰ…ピーク位置，Ｒ１…受光領域，Ｒ２…偽受光領域，ＳＳ…画素列，Ｔ１ 照射領域，Ｔ２…偽照射領域，Ｗ…ワーク

Claims (9)

1. 測定対象物のプロファイルを測定する光切断方式の光学式変位計であって、
   第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を測定対象物に照射する投光部と、
   前記第１の方向と、前記第１の方向に交差する第２の方向とに並ぶ複数の画素を含み、測定対象物の前記第１の方向の各位置からの反射光を受光し、受光量分布を出力する受光部と、
   前記第１の方向に並ぶ複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに前記第２の方向における１または複数の受光量のピーク候補位置を検出するピーク検出部と、
   測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データを登録する登録部と、
   各画素列について前記ピーク検出部により検出されたピーク候補位置の中から、前記登録部により登録された基準データが示す基準形状の部分との近似度に基づいてプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択し、選択されたピーク位置に基づいてプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部とを備える、光学式変位計。
2. 前記ピーク検出部により検出された複数のピーク候補位置に基づいて幾何学的パターンを示すパターンデータを生成するパターン生成部と、
   前記複数の画素列の各々について、前記登録部により登録された基準データと前記パターン生成部により生成されたパターンデータとの相関係数を算出する相関算出部とをさらに備え、
   前記プロファイル生成部は、前記相関算出部により算出された相関係数に基づいて前記近似度を判定する、請求項１記載の光学式変位計。
3. 前記パターン生成部により生成されたパターンデータの少なくとも一部に基づいて、前記幾何学的パターンと基準形状との相対的な位置ずれが小さくなるようにパターンデータおよび基準データの少なくとも一方を補正する補正部をさらに備え、
   前記相関算出部は、前記補正部による補正後のパターンデータと基準データとの相関係数を算出する、請求項２記載の光学式変位計。
4. 前記ピーク検出部により検出されたピーク候補位置におけるピークの態様を示すパラメータを取得するパラメータ取得部をさらに備え、
   前記プロファイル生成部は、前記パラメータ取得部により取得されたパラメータにさらに基づいて各受光量分布における複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式変位計。
5. 前記パラメータ取得部により取得されるパラメータは、ピークの受光量またはピークの幅を含む、請求項４記載の光学式変位計。
6. 前記プロファイル生成部の動作モードを第１の動作モードと第２の動作モードとで切り替える切替部をさらに含み、
   前記プロファイル生成部は、
   前記第１の動作モードにおいては、前記ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布において複数のピーク候補位置が検出された場合、複数のピーク候補位置の各々と前記登録部により登録された基準データが示す基準形状の部分との近似度に基づいて複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択し、
   前記第２の動作モードにおいては、前記ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布において複数のピーク候補位置が検出された場合、予め設定された条件に基づいて複数のピーク候補位置の中からプロファイルに採用されるべきピーク位置を選択する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式変位計。
7. 前記予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピーク候補位置から最大の受光量を有するピーク候補位置をプロファイルに採用されるべきピーク位置として選択することを含む、請求項６記載の光学式変位計。
8. 前記予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピーク候補位置から前記第２の方向における一端または他端に最も近いピーク候補位置をプロファイルに採用されるべきピーク位置として選択することをさらに含む、請求項６または７記載の光学式変位計。
9. 前記プロファイル生成部により生成された前記プロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるように前記プロファイルデータにフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学式変位計。

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