JP4775072B2 - 表面形状測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検面に対して複数の波長の測定光を投射し、その反射パターンを観察することによって被検面の表面形状を測定する技術に関するものである。

従来の筒形状の内側を測定する技術として、図１５に従来の筒内形状測定装置の断面図を示す（例えば、特許文献１参照）。

図１５において、ケーシング１には、レーザ光源２Ａ、２Ｂが取り付けられている。レーザ光源２Ａ、２Ｂから出射されたレーザ光は、それぞれ平面鏡３により折り曲げられた後、さらに平面鏡４Ａ、４Ｂで折り曲げられ、ケーシング１の窓５Ａ、５Ｂから被検面６Ａ、６Ｂに角度θで入射される。被検面６Ａ、６Ｂに入射した後に反射したレーザ光は、再び窓５Ａ、５Ｂに戻りレンズ７Ａ、７Ｂとミラー８を経て光位置検出素子９に到達する。

窓５Ａ、５Ｂから被検面６Ａ、６Ｂまでの距離に応じて、反射レーザ光のレンズ７Ａ、７Ｂへの戻り位置が変化する。そのため、光位置検出素子９のレーザ光の到達位置も変化する。このように、平面鏡４Ａ、４Ｂ、被検面６Ａ、６Ｂ、レンズ７Ａ、７Ｂとミラー８とによって、レーザによる三角測量を行うことで、窓５Ａ、５Ｂから被検面６Ａ、６Ｂまでの距離を算出することができる。

図１６は、従来の筒内形状測定方法による測定状況を示す図である。

ここで、被検面１０がケーシング１の軸線とそろっていない場合は、窓５Ａから出射した光の被検面１０での反射光の軌跡は、図１６の示すようにレンズ７Ｂに入射しない。また被検面１１のように、溝形状が被検面上にある場合、被検面１１で反射した光の軌跡も図１６に示すようにレンズ７Ａに入射しない。
特開平７−２６０４３９号公報（第７頁、図１）

前記従来の構成では、被検面がケーシングの軸線と揃っていない場合は、被検面での反射光の反射角の誤差が大きくなり、レンズの移動幅も大きくなり、検出誤差が大きくなる。また、溝形状が被検面上にある場合、被検面で反射した光がレンズに戻るとは限らず、測定不能となる可能性が高い。従って、被検面の状態によっては、筒形状内側を測定することが出来ない場合がある。

また、筒形状内側の測定精度を向上させようとすると測定光を集光させる必要があるが、測定光を集光させると測定光の焦点から大きく外れた位置では測定光がデフォーカス状態になり、測定精度が低下する。従来の構成では、測定面の形状の誤差が大きい場合、デフォーカス状態になる可能性が高く、測定精度が低下しやすい。

本発明は、前記従来の課題を解決するためのものであって、様々な被検面の構造において測定可能であり、また、測定精度の高い測定技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の表面形状測定方法は、波長の異なる複数の測定光の光軸を等しくした後に波長毎に異なる焦点位置にライン状測定光として集光させ、前記ライン状測定光を被検面に照射して反射させた後に波長毎に分光し、分光された前記ライン状測定光を複数の撮像素子で波長毎にそれぞれ検出し、検出した前記ライン状測定光から波長毎の形状データを取得し、前記被検面の基準面からの予め波長毎に設定された高さ方向のオフセット量に基づいて前記波長毎の形状データをずらして重ね合わせることで、前記被検面の表面形状を測定することを特徴とする。

また、本発明の表面形状測定装置は、波長の異なる複数の測定光の光軸を等しくした後に波長毎に異なる焦点位置にライン状測定光として集光して被検面に照射する投光装置と、前記被検面で反射した前記ライン状測定光を波長毎に分光する分光プリズムと、分光された前記ライン状測定光を波長毎にそれぞれ検出して波長毎の形状データを取得する複数の撮像素子と、前記被検面の基準面からの予め波長毎に設定された高さ方向のオフセット量に基づいて前記波長毎の形状データをずらして重ね合わせることで前記被検面の表面形状を測定する解析装置と、を備えることを特徴とする。

以上のように、本発明の表面形状測定方法および測定装置によれば、様々な被検面の構造において測定することが可能で、測定精度の高い測定技術を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における筒形状内側測定装置の概略図である。

図１において、本実施の形態の筒内形状測定装置は、投光装置１２Ａ、１２Ｂと、撮像装置１３Ａ、１３Ｂから構成される。また、被検物である被測定円筒１４は、開口１５Ａ、１５Ｂの２つの開口部を有している。本実施の形態では、第１の開口１５Ａ側に、第１の投光装置１２Ａと第２の撮像装置１３Ｂとが配置され、第２の開口１５Ｂ側に、第１の撮像装置１３Ａと第２の投光装置１２Ｂとが配置されている。

第１の投光装置１２Ａと第１の撮像装置１３Ａは、第１の投光装置１２Ａから出射された第１の測定光１６が測定箇所１７に照射されて生じる反射光を第１の撮像装置１３Ａで観察できるように配置されている。また、第２の投光装置１２Ｂと第２の撮像装置１３Ｂは、第２の投光装置１２Ｂから出射された第２の測定光１８が測定箇所１７に照射されて生じる反射光を第２の撮像装置１３Ｂで観察できるように配置されている。

また、第１の投光装置１２Ａ、第１の撮像装置１３Ａ、第２の投光装置１２Ｂ、第２の撮像装置１３Ｂとは、それぞれ機械的干渉をしない位置に配置されている。

なお、測定箇所１７に照射されるまでの第１の測定光１６と測定箇所１７に照射されるまでの第２の測定光１８のなす角は、第１の測定光１６と第２の測定光１８が被測定円筒１４に遮られない条件のうち、値が最小になる角度を取ることが望ましい。

これは、第１の測定光１６と第２の測定光１８のなす角度を小さくすることで、第１の測定光１６と第２の測定光１８を用いて同一の測定箇所１７を観測する場合のそれぞれ異なる観測方向のなす角度を９０°に近くすることと等価であり、そのようにすることで溝や凹凸から構成される測定箇所１７に対して、第１の測定光１６と第２の測定光１８の少なくとも一方は溝や凹凸に遮られることなく投光できるようにするためである。

図２は、図１の筒内形状測定装置を矢印Ａの方向から見た概略断面図である。

図２において、第１の投光装置１２Ａと第１の撮像装置１３Ａとを結ぶ直線と、第２の投光装置１２Ｂと第２の撮像装置１３Ｂとを結ぶ直線とは、被測定円筒１４の円筒形状から定まる被測定円筒軸１９と同一にならないように配置されている。

第１の投光装置１２Ａから出射された第１の測定光１６は、測定箇所１７に集光され、第１のライン状測定光２０Ａとなる。同様に、第２の投光装置１２Ｂから出射された第２の測定光１８は、測定箇所１７に集光され、第２のライン状測定光２０Ｂとなる。

第１のライン状測定光２０Ａと第２のライン状測定光２０Ｂとは測定箇所１７において互いに交差するように配置されている。測定箇所１７の領域は、第１の撮像装置１３Ａ、第２の撮像装置１３Ｂのどちらからも観察可能な位置となるように構成されている。

第１の撮像装置１３Ａと第２の撮像装置１３Ｂは、それぞれ第１の画像データ合成装置２１Ａ、第２の画像データ合成装置２１Ｂとに接続されている。第１の画像データ合成装置２１Ａと第２の画像データ合成装置２１Ｂは、更に画像データ解析装置２２に接続されており、画像データ解析装置２２は画像表示装置２３に接続されている。

ここで、それぞれの測定光１６、１８が測定箇所１７で反射して生じる反射光の中で、正反射となる反射光を直接それぞれの撮像装置１３Ａ、１３Ｂで撮像しないようにすることが望ましい。例えば、第１の測定光１６の光軸が測定箇所１７で正反射した後の光軸と、第１の撮像装置１３Ａの光軸とが一致しない位置に第１の撮像装置１３Ａを配置されること等により実現される。

これは、それぞれの投光装置１２Ａ、１２Ｂからの出射光のパワーにも拠るが、測定箇所１７の凹凸によってそれぞれのライン状測定光２０Ａ、２０Ｂの輝度が大幅に変化するのを防ぐことを目的とするためである。

なお、それぞれの撮像装置１３Ａ、１３Ｂの調整によって、測定箇所１７で正反射した場合の反射光と正反射しない場合の反射光との輝度の変化分を吸収できる場合は、上記、それぞれの撮像装置１３Ａ、１３Ｂと反射光の光軸との相対位置関係について考慮する必要は無い。

また、被測定円筒１４は、円筒状の部材を固定することが可能な移動ステージ２４に固定されており、移動ステージ２４は、被測定円筒軸１９の平行方向（図２の矢印Ｃの方向）への直進動作と、被測定円筒軸１９の周方向（図２の矢印Ｄの方向）に関する回転動作を行うことが可能な構成となっている。更に、移動ステージ２４は、矢印Ｃ方向の直線移動量と矢印Ｄ方向の回転角度を管理するスケールを備えており、所定の位置からの移動ステージ２４の移動量を把握することができる。

移動ステージ２４は、ステージ動作装置２５に接続されており、ステージ動作装置２５は、画像データ解析装置２２に接続されている。

図３は、図２の筒内形状測定装置を矢印Ｂの方向から見た概略断面図である。

なお、図３では説明のために第２の投光装置１２Ｂ、第２の撮像装置１３Ｂは省略して開示している。

図３において、第１の投光装置１２Ａは、第１のレーザ光源２６（第１の赤色レーザ光源２６Ｒ、第１の緑色レーザ光源２６Ｇ、第１の青色レーザ光源２６Ｂ）と、第１のコリメートレンズ２７（第１の赤色用コリメートレンズ２７Ｒ、第１の緑色用コリメートレンズ２７Ｇ、第１の青色用コリメートレンズ２７Ｂ）と、第１のシリンドリカルレンズ２８と、第１のプリズムミラー２９と、第１の偏光素子３０とから構成されている。

ここで、各色用コリメートレンズとして記載しているが、これは、入射した各色の波長域の光を平行光にするためのレンズである。

また、第１のプリズムミラー２９は、入射した赤色、青色、緑色の周波数毎の光の光軸を揃えるために、第１のプリズムミラー赤色反射面２９Ｒ、第１のプリズムミラー青色反射面２９Ｂを有する。

第１の撮像装置１３Ａは、第１の撮像素子３１（第１の赤色用撮像素子３１Ｒ、第１の緑色用撮像素子３１Ｇ、第１の青色用撮像素子３１Ｂ）と、第１の分光プリズム３２と、第１の結像レンズ３３と、第１の対物レンズ３４と、第１の偏光フィルタ３５とから構成されている。ここで、第１の分光プリズム３２は、入射した光を赤色、青色、緑色の周波数毎の光に分割するために、第１の分光プリズム赤色反射面３２Ｒ、第１の分光プリズム青色反射面３２Ｂを有する。

第１の投光装置１２Ａ内の第１の赤色レーザ光源２６Ｒ、第１の緑色レーザ光源２６Ｇ、青色レーザ光源２６Ｂからそれぞれ出射された光は、それぞれ第１の赤色用コリメートレンズ２７Ｒ、第１の緑色用コリメートレンズ２７Ｇ、第１の青色用コリメートレンズ２７Ｂで屈折して平行光となり、第１のプリズムミラー２９に入射する。第１の赤色レーザ光源２６Ｒからの光は第１のプリズムミラー赤色反射面２９Ｒで反射され、第１の青色レーザ光源２６Ｂからの光は第１のプリズムミラー青色反射面２９Ｂで反射され、第１の緑色レーザ光源２６Ｇからの光は第１のプリズムミラー２９を直進する。第１のプリズムミラー２９からのそれぞれの光は、光軸を等しくして第１のシリンドリカルレンズ２８を通過して、第１の測定光源光軸３６方向に平行な方向に集光される。

また、第１のプリズムミラー２９に第１のプリズムミラー赤色反射面２９Ｒ、第１のプリズムミラー青色反射面２９Ｂを設けたが、周波数毎の光の光軸を揃えるという目的を満たすならば、これらの内いずれか一方と置き換えて緑色反射面を設けても良い。

測定箇所１７を反射した光は第１のライン状測定光３７となる。具体的には、第１の赤色レーザ光源２６Ｒから第１のプリズムミラー２９を介して出射された第１の赤色測定光１６Ｒは、測定箇所１７においてＹ方向に平行な細い第１の赤色ライン状測定光３７Ｒとなる。同様に、第１の緑色レーザ光源２６Ｇからの第１の緑色測定光１６Ｇは、第１の緑色ライン状測定光３７Ｇとなり、第１の青色レーザ光源２６Ｂからの第１の青色測定光１６Ｂは、第１の青色ライン状測定光３７Ｂとなる。

第１のシリンドリカルレンズ２８は、例えばアッベ数が４０以下の光学材料など、波長分散の大きな光学材料を用いる。このような材料を用いることにより、第１の赤色測定光１６Ｒ、第１の緑色測定光１６Ｇ、第１の青色測定光１６Ｂのそれぞれの集光位置を第１の測定光源光軸３６方向で変化させることができる。

このようにして、測定箇所１７に照射されたそれぞれのライン状測定光３７が測定箇所１７付近にそれぞれ照射された像を、第１の撮像装置１３Ａで撮像する。

具体的には、第１の赤色ライン状測定光３７Ｒが測定箇所１７付近に照射された像は、測定箇所１７付近にて反射し、第１の偏光フィルタ３５、第１の対物レンズ３４、第１の結像レンズ３３を介して第１の分光プリズム３２に入射する。第１の赤色ライン状測定光３７Ｒが測定箇所１７付近で反射した光は、第１の分光プリズム赤色反射面３２Ｒで反射され、第１の赤色用撮像素子３１Ｒ上に結像する。同様に、第１の緑色ライン状測定光３７Ｒが測定箇所１７付近で反射した光は、第１の分光プリズム３２を直進して第１の緑色撮像素子３１Ｇ上に結像し、第１の青色ライン状測定光３７Ｂが測定箇所１７付近で反射した光は、第１の分光プリズム青色反射面３２Ｂで反射され、第１の青色用撮像素子３１Ｂ上に結像する。

また、第１の分光プリズム３２に第１の分光プリズム赤色反射面３２Ｒと第１の分光プリズム青色反射面３２Ｂを設けたが、周波数毎の光に分割するという目的を満たすならば、これらの内いずれか一方と置き換えて緑色反射面を設けても良い。

第１の赤色用撮像素子３１Ｒは、第１の結像レンズ３３と第１の対物レンズ３４を通して測定箇所１７を観察する場合に、第１の赤色用撮像素子３１Ｒの中央に第１の赤色ライン状測定光３７Ｒが結像するように配置されている。同様に、第１の緑色用撮像素子３１Ｇは第１の緑色用撮像素子３１Ｇの中央に第１の緑色ライン状測定光３７Ｒが結像するように配置され、第１の青色用撮像素子３１Ｂは、第１の青色用撮像素子３１Ｂの中央に第１の青色ライン状測定光３７Ｂが結像するように配置される。３つの撮像素子は個別に光軸合わせがされている。これにより、１つの撮像素子に対して１つの波長光のライン状測定光だけを捉えることが可能になる。

このような構成とすることにより、１つの撮像装置に対して１種類の波長光のライン状測定光だけを捕らえることが可能になる。

第１の偏光素子３０の偏光軸と、第１の偏光フィルタ３５の偏光軸の向きは一致させておく。

第１の赤色用撮像素子３１Ｒ、第１の緑色用撮像素子３１Ｇ、第１の青色用撮像素子３１Ｂは、それぞれ第１の画像データ合成装置２１Ａに接続されている。第１の画像データ合成装置２１Ａにて、第１の赤色用撮像素子３１Ｒ、第１の緑色用撮像素子３１Ｇ、第１の青色用撮像素子３１Ｂから送られた画像データを１つのデータにまとめる。

第１の画像データ合成装置２１Ａは、更に第１の画像表示装置２３に接続されており、図３の第１の画像表示装置２３内に示したように、第１のライン状測定光３７が測定箇所１７に照射されている像を表示する。

ここで、第１の投光装置１２Ａと第１の撮像装置１３Ａとは、被測定円筒軸１９を挟んでＹ軸方向にずれた位置に存在する。

図４に、図３の筒内形状測定装置の斜視図を示す。

図４は、第１の投光装置１２Ａと第１の撮像装置１３Ａとの位置関係を明確にするために示したものであり、図３とは異なる方向から測定箇所１７付近及び、第１の投光装置１２Ａと第１の撮像装置１３Ａとの位置関係の概略を示す図である。

図５は、図２の筒内形状測定装置を矢印Ｂの方向から見た概略断面図である。ただし、図５では説明のために第１の投光装置１２Ａ、第１の撮像装置１３Ａは省略して開示している。また、図５において、図３と同じ符号に関しては、説明を省略する。

図５において、第２の投光装置１２Ｂは、第２の赤色レーザ光源３８Ｒ、第２の緑色レーザ光源３８Ｇ、第２の青色レーザ光源３８Ｂと、第２の赤色用コリメートレンズ３９Ｒ、第２の緑色用コリメートレンズ３９Ｇ、第２の青色用コリメートレンズ３９Ｂと、第２のシリンドリカルレンズ４０と、第２のプリズムミラー４１と、第２の偏光素子４２とから構成されている。また、第２のプリズムミラー４１は、入射した赤色、青色、緑色の周波数毎の光の光軸を揃えるために、第２のプリズムミラー赤色反射面４１Ｒ、第２のプリズムミラー青色反射面４１Ｂを有する。

第２の撮像装置１３Ｂは、第２の赤色用撮像素子４３Ｒ、第２の緑色用撮像素子４３Ｇ、第２の青色用撮像素子４３Ｂと、第２の分光プリズム４４と、第２の結像レンズ４５と、第２の対物レンズ４６と、第２の偏光フィルタ４７とから構成されている。ここで、第２の分光プリズム４４は、入射した光を赤色、青色、緑色の周波数毎の光に分割するために、第２の分光プリズム赤色反射面４４Ｒ、第２の分光プリズム青色反射面４４Ｂを有する。

第２の赤色レーザ光源３８Ｒから第２のプリズムミラー４１を介して出射された第２の赤色測定光１８Ｒは、測定箇所１７においてＹ方向に平行な細い第２の赤色ライン状測定光４８Ｒとなる。同様に、第２の緑色レーザ光源３８Ｇからの第２の緑色測定光１８Ｇは、第２の緑色ライン状測定光４８Ｇとなり、第２の青色レーザ光源３８Ｂからの第２の青色測定光１８Ｂは、第２の青色ライン状測定光４８Ｂとなる。

ただし、第２の偏光素子４２の偏光軸と第２の偏光フィルタ４７の偏光軸の向きは、第１の偏光素子３０と第１の偏光フィルタ３５の向きと直交するように調整しておく。

これにより、第１の測定光１６は第２の撮像装置１３Ｂに入射する前に第１の偏光フィルタ３５に遮られるので、第１の測定光１６が第２の撮像装置１３Ｂに入射する、又は逆に第２の測定光１８が第１の撮像装置１３Ａに入射することにより、それぞれの撮像装置に計測に用いない光が検出されることで生じる形状測定データの精度低下を防止できる。

まず、互いに異なる３波長を用いた測定系に用いて、筒内面形状の深さ方向に測定範囲を広げる方法について、図６〜図９を用いて説明する。

図６は、図３の測定箇所１７付近を拡大した模式図である。

図６において、測定箇所１７付近にある溝構造５４の形状データを取得する場合、第１の赤色ライン状測定光３７Ｒ、第１の緑色ライン状測定光３７Ｇ、第１の青色ライン状測定光３７Ｂのそれぞれの筒内面への投影像を撮像光学系で観察するが、図４で示したように波長の異なる測定光の像は、それぞれ集光位置が異なるため、撮像素子はライン状測定光の種類に応じて使用する必要がある。

図６において、第１の撮像装置１３Ａは、第１の赤色用撮像素子３１Ｒの中央付近に第１の赤色ライン状測定光３７Ｒが結像するように調整されており、同様に第１の緑色用撮像素子３１Ｇの中央付近に第１の緑色ライン状測定光３７Ｇが、第１の青色用撮像素子３１Ｂの中央付近に第１の青色ライン状測定光３７Ｂが結像するように調整されている。

そのため、被測定円筒１４の内面形状を第１の撮像装置１３Ａで観察する場合、図６において、第１の赤色用撮像素子３１Ｒで観察している筒内面形状高さ範囲は第１の赤色観察領域５６Ｒとなり、同様に第１の緑色用撮像素子３１Ｇで観察している筒内面形状高さ範囲は第１の緑色観察領域５６Ｇ、第１の青色用撮像素子３１Ｂで観察している筒内面形状高さ第１の範囲は青色観察領域５６Ｂとなる。

ここで第１の赤色観察領域５６Ｒ、第１の緑色観察領域５６Ｇ、第１の青色観察領域５６Ｂは、高さ方向（図１２のｈ方向）に１０〜１５％程度に重なるように第１の撮像装置１３Ａを調整しておく。

図７は、実施の形態１における３つの筒内面形状データの結合状況を示す図である。図７（ａ）は、実施の形態１における３つの波長のそれぞれの測定データを示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）で得られた３つのデータの結合状況を示す図であり、図７（ｃ）は、図７（ｂ）で得られた結合データを１つのデータに集約した図である。

図７（ａ）において、３つの撮像素子画像データから算出された筒内形状データを、それぞれ赤色形状データ５７Ｒ、緑色形状データ５７Ｇ、青色形状データ５７Ｂとすると、赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）、緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）、青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）が得られる。

第１の撮像装置１３Ａの調整やそれぞれの撮像素子の設置誤差により、各波長の撮像素子で観察している領域が異なるため、赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）、緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）、青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）の間にはｈ（高さ）座標にもＷ（位置）座標にもオフセットが含まれている。赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）に対する緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）のオフセット量を（Ｗ_P、ｈ_P）とし、赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）に対する青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）のオフセット量を（Ｗ_Q、ｈ_Q）とする。赤色形状データ５７Ｒ、緑色形状データ５７Ｇ、青色形状データ５７Ｂの相対的な関係を図７（ｂ）に示す。緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）、青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）にオフセット量（Ｗ_P、ｈ_P）、（Ｗ_Q、ｈ_Q）を加えて（Ｗ_G＋Ｗ_P、ｈ_G＋ｈ_P）、（Ｗ_B＋Ｗ_Q、ｈ_B＋ｈ_Q）とすることで赤色形状データ５７Ｒ、緑色形状データ５７Ｇ、青色形状データ５７Ｂをまとめて、図７（ｃ）に示すように観察領域の筒内面形状データ（Ｗ、ｈ）とすることができる。ここで、赤色形状データ５７Ｒと、緑色形状データ５７Ｇ、青色形状データ５７Ｂとを測定箇所１７の被検面の高さ方向（被検面の深さ方向）に相対的にずらして重ね合わせる。そして、そのずらす量は色毎の光の焦点距離に応じて決定し、焦点距離が深いほど、深さ方向に深くなるようにずらす。

図８は、実施の形態１における３波長の光源を用いた測定の処理フローを示す図である。図８における具体的な形状データ取得の詳細は後述するため、ここでは省略する。

図８において、まずステップＳ１〜ステップＳ３において、第１の測定系を用いて被測定円筒１４の筒内面形状データを取得する。この時、第１の赤色ライン状測定光３７Ｒ、第１の緑色ライン状測定光３７Ｇ、第１の青色ライン状測定光３７Ｂの筒内面への投影像を第１の撮像装置１３Ａで撮像することにより、第１の赤色用撮像素子３１Ｒ、第１の緑色用撮像素子３１Ｇ、第１の青色用撮像素子３１Ｂから測定箇所１７の形状を反映した画像データが得られ、画像データから赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）、緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）、青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）が得られる。

次に、ステップＳ４、ステップＳ５において、緑色形状データ５７Ｇ（Ｗ_G、ｈ_G）、青色形状データ５７Ｂ（Ｗ_B、ｈ_B）に赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）に対するオフセット量（Ｗ_P、ｈ_P）、（Ｗ_Q、ｈ_Q）を加えてオフセット補正後の緑色形状データ５７Ｇ’（Ｗ’_G、ｈ’_G）＝（Ｗ_G＋Ｗ_P、ｈ_G＋ｈ_P）、オフセット補正後の青色形状データ５７Ｂ’（Ｗ’_B、ｈ’_B）＝（Ｗ_B＋Ｗ_Q、ｈ_B＋ｈ_Q）を得る。

このようにして得られた赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）とオフセット後の緑色形状データ５７Ｇ’（Ｗ’_G、ｈ’_G）とオフセット後の青色形状データ５７Ｂ’（Ｗ’_B、ｈ’_B）を、ステップＳ６において、図７に示すようにそれぞれ重ね合わせることで実際の表面形状を形成し、測定を終了する。

以上のように、３波長の光源を測定系に用いて筒内面形状を測定することにより、単色の光源を用いて同様の測定を行って筒内面形状データを得る場合に比べて、高さ方向の測定範囲が約３倍に広がり、筒内面形状の高さ方向の測定範囲が広くても測定光学系を筒内面形状高さに合わせて再調整したりする必要が無いため、測定時間を増加させることなく、凹凸の大きな筒内面形状の測定を行うことができる。

また、単色の光源を用いて凹凸の大きな筒内面形状を測定する場合に、測定光の焦点深度を広くすることによって高さ方向の測定範囲を広くして測定する手段があるが、そうするとライン状測定光の幅も広くなってしまい筒面内形状の測定分解能が損なわれてしまう。しかし、３波長の光源を測定系に用いて筒内面形状を測定し、それぞれの波長について注目すれば、意図的に焦点深度を深くすること無く焦点深度を保つことが可能であり、筒面内形状の測定分解能を損なうことなく筒内面形状の高さ方向の測定範囲を広げることができる。

次に、測定箇所１７へのライン状測定光の投影像から、測定箇所１７の形状データを得る方法について説明する。

図９に、測定箇所１７付近のライン状測定光の投影像の模式図を示す。

ここで、図９（ａ）は測定箇所１７付近のライン状測定光の投影像の斜視図であり、図９（ｂ）は測定箇所１７付近のライン状測定光の投影像の断面図である。

図９（ａ）において、測定箇所１７に存在する高さｈのリブ構造４９のリブ長手方向に沿って、投光装置から角度θで入射した測定光５０が幅Ｌのライン状測定光５１を形成している。ライン状測定光５１は、角度ωで反射して撮像装置に入射する。

ここで、投光装置からの測定光５０の光軸の存在する平面５２ａと、撮像装置に入射する光の光軸の存在する平面５２ｂは、角度φを有する。

ここで、図９（ｂ）の形状で示される画像データが、図９（ａ）のライン状測定光５１の投影像として画像表示装置２３に表示されているとする。破線で示された画像領域５３は、撮像装置に組み込まれている撮像素子の大きさに相当する。

画像領域５３内に表示される画像データは、図３に示す第１の青色撮像素子３１Ｂ、第１の赤色用撮像素子３１Ｒ、第１の緑色用撮像素子３１Ｇの内のどの素子から得られた画像データに対しても、形状データを得る方法は同様の方法を用いる。

撮像装置の像倍率をＭとすると、画像表示装置２３から得られた像から、リブ構造４９の高さｈは、リブ構造４９の上段部分と下段部分からの反射像に相当する画像データの高低差をＨと仮定すると、（式１）が成り立つ。

リブ構造４９の幅をＷとし、リブ構造４９の上段部分からの反射像に相当する画像データの幅をＩとすると、（式２）が成り立つ。

図９において、それぞれの画像を第１の画像データ合成装置２１Ａ、第２の画像データ合成装置２１Ｂを経て画像データ解析装置２２に取り込んだ後、画像データから形状データを得るまでの処理は、画像データ解析装置２２によって行われる。得られた画像データや画像データ解析装置２２による処理結果は画像表示装置２３に表示される。

図１０は、実施の形態１における画像データから形状データを得る処理フローを示す図である。

図１０において、まず、ステップＳ７で、被測定円筒１４の筒内面へ投影した測定光の反射像を画像表示装置２３に表示する。

次に、ステップＳ８で、画像データの縦方向（画面垂直方向）の画素の中で最大の輝度値を持つ画素座標を、画面端の画素縦方向列から順に各画素縦方向の列について求める。この求めた画素の縦方向における最大値の位置を、座標（Ｉ、Ｈ）とする。

次に、ステップＳ９で、抽出した縦方向の最大輝度を持つ画素の輝度と、予め設定しておいた閾値とを比較する。

その後、抽出した輝度最大値と予め設定した閾値との関係によって、異なる処理を行う。

輝度最大値が閾値以上となった場合は、ステップＳ１０において、輝度最大値の画素を縦方向画素列の最大値（Ｉ、Ｈ）とする。

その後、ステップＳ１１において、前述の（式１）、（式２）の計算式を用いて、画素の最大値の位置（Ｉ、Ｈ）を、実際に測定光が投影されている点の高さ情報（Ｗ、ｈ）に変換する。

逆に、輝度最大値が閾値より小さい場合は、ステップＳ１２において、輝度最大値の画素において測定光の反射像が得られなかったと判断し、筒内形状データが取得できない欠損点と定める。

ステップＳ１０とステップＳ１１、若しくはステップＳ１２を行った後、ステップＳ１３において、得られた画像の縦方向画素列の全てについて処理を行ったかどうかを判断する。画素列の全てについて処理を行っていた場合は、処理を終了し、未だ処理を行っていない画素列が存在する場合は、ステップＳ１４において、次の画素縦方向列へ処理を移し、ステップＳ８からの一連の動作を繰り返す。

このようにして、取得した画像データの全ての縦方向の画素列について処理を行うと、図９に示す画像データから測定光が投影されている箇所の形状情報を得ることができる。

次に、被測定円筒１４内の全面の形状を測定する方法について説明する。

図２で説明したように、被測定円筒１４は移動ステージ２４に固定されているため、移動ステージ２４が有する直進動作機構と回転動作機構を組み合わせて動作させることにより、第１の測定光１６と第２の測定光１８を筒内面の全面に走査させることができる。

図１１は、被測定円筒１４内面における座標の取り方を示す図である。

図１１（ａ）は、被測定円筒１４内面における座標を示す図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の被測定円筒１４内面の展開外略図である。

図１１（ａ）において、被測定円筒１４内面における座標の取り方を説明するために、切断線Ｃ−Ｃ’を定義し、切断線Ｃ−Ｃ’端近傍の角部分をＤ、Ｄ’、Ｅ、Ｅ’とする。ここで、Ｄを原点として切断線Ｃ−Ｃ’に沿った方向をＸ軸とし、角Ｄから角Ｄ’まで円筒の縁に沿った方向をＹ軸とすると、図１１（ｂ）に示すように、円筒面である筒内面をＸ軸、Ｙ軸で定義される平面で示すことができる。図１１（ａ）で示しているＤ、Ｄ’、Ｅ、Ｅ’と図１１（ｂ）で示しているＤ、Ｄ’、Ｅ、Ｅ’は同じ位置を示している。

図１１（ｂ）に示す被測定円筒１４内面全体の形状データを得る方法について説明する。

事前に画像データ解析装置２２で決めておいた座標数値をステージ移動装置２５に伝え、画像データ解析装置２２からの指示に従い、ステージ動作装置２５は、移動ステージ２４を直進動作と回転動作させる。画像データ解析装置２２はステージ移動装置２５を通じて移動ステージ２４の直進動作による移動量（図１１（ａ）、図１１（ｂ）にあるＸ軸方向の動作に相当）と、回転動作（図１１（ａ）、図１１（ｂ）にあるＹ軸方向の動作に相当）による回転量を取得することができる。そのため、図１０に示した処理フローを経て得られた被測定円筒１４内面の形状データ（Ｗ、ｈ）と被測定円筒１４内面上の位置（Ｘ、Ｙ）との関連付けができ、被測定円筒１４内面の全体の形状データ（Ｗ、ｈ、Ｘ、Ｙ）が得られる。

次に、２組の測定系を用いて被測定円筒１４内面の形状データを、被測定円筒１４全面にわたり欠損なく取得する方法について、図１２（ａ）、図１２（ｂ）を用いて説明する。

図１２は、実施の形態１における測定系と被測定物構造の位置関係を示す図である。

図１２（ａ）は、実施の形態１における光切断法で測定光が見えなくなる場合を示す図であり、図１２（ｂ）は、実施の形態１における光切断法のデータ補完を示す図である。

被測定円筒１４内の形状測定を前述の方法で測定する場合に、１つの測定系から得られた結果だけを用いると、測定光の入射角度と被測定円筒１４の内面上の構造（リブ、溝など）との位置や角度関係が原因となって、撮像光学系から見たときにライン状測定光が構造物の陰になり見えない場合が想定される。例えば図１２（ａ）のように、溝構造５４上に第１のライン状測定光３７が投影された場合、第１のライン状測定光３７の破線になっている部分は溝構造５４の影になってしまい撮像光学系から観察できない。このような場合、観察できない部分の形状データは前述の欠損点となり、形状データが測定できない。

そのような場合には、１つの測定系を用いているのみでは、影になっている部分の形状データは得られない。しかし、図２のように配置された２組の測定系を、それぞれ逆方向から測定光を入射する構造とすると、第１の測定系から測定したときに構造物に隠れる箇所を、第２の測定系から測定すれば、第１の測定系から測定したときに構造物に隠れてしまう箇所の測定が可能である。

図１２（ｂ）に、２つの測定系を用いて被測定円筒１４の内面の形状データを測定する場合の流れを示す。すでに述べた形状データ取得の詳細は省略してある。

以上のような形状データに対する処理を、筒内面で形状データを取得した位置（Ｘ、Ｙ）全てについて行うことにより、筒内面上にリブ・溝などの形状があっても形状データを被測定円筒１４の内面全面に渡って取得することが可能である。

例えば、図１２（ｂ）のように、測定したい筒内面形状データ５５に対して第１の測定系からでは筒内面形状データ５５ａ（粗い破線）しか得られないが、第２の測定系から測定すれば筒内面形状データ５５ｂ（細かい破線）が得られる。２つの測定系を用いて被測定円筒１４の筒内面の形状データを測定する処理を行うと、筒内面形状データ５５ａと筒内面形状データ５５ｂのお互いのデータで足りない部分を補うことになるので、測定データ漏れのない筒内面形状データ５５が得られる。

図１３に、実施の形態１における光切断法のデータ補完の処理フロー図を示す。

図１３において、ステップＳ１５、ステップＳ１６に示すように、移動ステージ２４を動作させ、被測定円筒１４の内面の形状データを取得する。その際、図２のように配置された２組の測定系を用いて被測定円筒１４の内面の形状データを取得するので、第１の測定系で形状データを取得すると同時に、同位置の形状データを第２の測定系によって取得することができる。このように形状データ取得の操作を行うと、第１の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₁、Ｘ、Ｙ）と、第２の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₂、Ｘ、Ｙ）が同時に得られる。先に説明したように、筒内面形状によっては、第１の測定系では形状データが取得できず、ｈ₁が欠損点となる場合や、第２の測定系では形状データが取得できず、ｈ₂が欠損点となる場合が存在する。

次に、ステップＳ１７で、被測定円筒１４の内面で形状データを取得した位置（Ｘ、Ｙ）全てについて、第１の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₁、Ｘ、Ｙ）と、第２の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₂、Ｘ、Ｙ）を評価する。

第１の測定系から得られたｈ₁が欠損点となる場合は、ステップＳ１８に進み、第２の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₂、Ｘ、Ｙ）を筒内面位置における形状データ（Ｗ、ｈ、Ｘ、Ｙ）として採用する。

第２の測定系から得られたｈ₂が欠損点となる場合は、ステップＳ１９に進み、第１の測定系から得られた筒内形状データ（Ｗ、ｈ₁、Ｘ、Ｙ）を筒内面位置における形状データ（Ｗ、ｈ、Ｘ、Ｙ）として採用する。

第１の測定系から得られたｈ₁と第２の測定系から得られたｈ₂とが共に欠損点でない場合は、ステップＳ２０に進み、その筒内面位置における形状データ（Ｗ、ｈ、Ｘ、Ｙ）の高さデータｈを、第１の測定系での測定結果と第２の測定系での測定結果との平均値、ｈ＝（ｈ₁＋ｈ₂）／２として平均化したものを採用する。

このようにして得られたデータを、ステップＳ２１に示すように、筒内面の全ての位置について行い、測定を終了する。

なお、第１の測定系から得られたｈ₁と第２の測定系から得られたｈ₂とが共に欠損点の場合はそのままでは測定不能であるとし、ステップＳ２２において、投光装置又は撮像装置のうち少なくとも一方の位置を変更した後に、再度測定を行うことで、測定可能になる場合もある。

なお、図１３の流れの中で、第１の測定系から得られた筒内形状データ、第２の測定系から得られた筒内形状データのどちらも欠損点になっていない場合は、加重平均のような単純平均以外の平均化手段を取っても良いし、ｈ₁、ｈ₂のどちらかの高さデータを代表として採用させても良い。

次に、今までの方法をまとめて行う場合の処理フローについて説明する。

図１４は、実施の形態１における測定の処理フローを示す図である。

図１４において、ステップＳ２３〜ステップＳ２７は、図８のステップＳ１〜ステップＳ５と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ２３〜ステップＳ２７を行った後、ステップＳ２８において、赤色形状データ５７Ｒ（Ｗ_R、ｈ_R）、オフセット補正後の緑色形状データ５７Ｇ’（Ｗ’_G、ｈ’_G）、オフセット補正後の青色形状データ５７Ｂ’（Ｗ’_B、ｈ’_B）の全ての形状データについて、位置Ｗの最大値（Ｗｍａｘ）とＷの最小値（Ｗｍｉｎ）を探す。

次に、ステップＳ２９において、Ｗｍｉｎ≦Ｗ≦Ｗｍａｘである位置データを取得した全てのＷについて、欠損点でない高さデータ（ｈ_R、ｈ’_G、ｈ’_Bのいずれか）が存在するか調べる。

ここで、位置Ｗに対応する高さデータｈ_R、ｈ’_G、ｈ’_Bの全てが欠損点の場合は、ステップＳ３０にて、位置Ｗは欠損点と定義する。

また、位置Ｗに対応する高さデータｈ_R、ｈ’_G、ｈ’_Bのうち、１つ以上欠損点でない高さデータが存在する場合は、ステップＳ３１にて、それら欠損点でない高さデータの平均値ｈを位置Ｗの高さデータとする。

ステップＳ３２にて、この操作を、取得した全ての形状データの取りうる位置Ｗ（Ｗｍｉｎ≦Ｗ≦Ｗｍａｘ）について行う。

以上より、ステップＳ３３にて、データ取得時には別々に取得した、赤色形状データ５７Ｒ、緑色形状データ５７Ｇ、青色形状データ５７Ｂにオフセットを加えた状態で重ね合わせることで、測定箇所１７の筒内面形状データ（Ｗ、ｈ）として得ることができる。

次に、筒内回転方向の形状データの補正方法について説明する。

先に、図２において、筒内面の形状データを取得する際には被測定円筒１４を移動ステージ２４に固定することを説明したが、被測定円筒軸１９と移動ステージ２４の回転軸は取り付け時の誤差により一致しない可能性がある。

被測定円筒軸１９と移動ステージ２４の回転軸が一致していない（偏芯が生じている）ときには、移動ステージ２４で被測定円筒１４を被測定円筒軸１９の周りに回転させると、被測定円筒１４は偏芯を伴う回転をする。

そうすると第１の測定系、第２の測定系で取得した筒内面の被測定円筒軸１９周りの回転方向の形状データには偏芯の影響が加わる。被測定円筒軸１９の周方向回転角をΘ、被測定円筒軸１９と移動ステージ２４の回転軸が一致しているときの角度Θの位置における円筒内面の高さをＨ（Θ）、被測定円筒軸１９と移動ステージ２４の回転軸の偏芯量をＡ、偏芯の角度方向をδ、偏芯の影響を含んだ円筒内面の高さをＨ’（Θ）とする。偏芯が高さ計測データにあたえる影響は、偏芯量Ａが被測定円筒１４の直径の１０％以下程度である量であれば、（式３）で表すことができる。

従って、被測定円筒軸１９の回転方向に対する高さデータから、（式３）の第２項を引くことで、被測定円筒軸１９と移動ステージ２４の回転軸の偏芯の影響を取り除くことが可能である。ここで、Ａ、δは数学的処理（例えばフーリエ変換）を用いて算出することができる。

以上のような方法と手順により、筒形状部品の内面形状を、高さ（厚み）方向に幅広い測定範囲でかつ高い測定精度を保ち、筒内面全面に渡り漏れなく測定することを可能にする。

なお、本実施の形態では色毎に分光することで表面形状を測定したが、ここで分光する基準としては、色に限らず波長を基準とすることもできる。

なお、本発明は、その被検物を管形状に限定せず、一般的な３次元形状測定用途にも適用できる。

本発明の表面形状測定方法および測定装置によれば、円筒の内面の形状測定を内周前面にわたって測定精度を保ちつつ行うことが可能であるため、カメラ鏡筒の内カム溝測定や、雌ねじのねじ山形状評価測定などに適用することができる。

実施の形態１における筒内形状測定装置の概略図 図１の筒内形状測定装置を矢印Ａの方向から見た概略断面図 図２の筒内形状測定装置を矢印Ｂの方向から見た概略断面図 図３の筒内形状測定装置の斜視図 図２の筒内形状測定装置を矢印Ｂの方向から見た概略断面図 図３の測定箇所１７付近を拡大した模式図 （ａ）実施の形態１における３つの波長のそれぞれの測定データを示す図（ｂ）３つのデータの結合状況を示す図（ｃ）結合データを１つのデータに集約した図 実施の形態１における３波長の光源を用いた測定の処理フローを示す図 （ａ）測定箇所１７付近のライン状測定光の投影像の斜視図（ｂ）測定箇所１７付近のライン状測定光の投影像の断面図 実施の形態１における画像データから形状データを得る処理フローを示す図 （ａ）被測定円筒１４内面における座標を示す図（ｂ）被測定円筒１４内面の展開外略図 （ａ）実施の形態１における光切断法で測定光が見えなくなる場合を示す図（ｂ）実施の形態１における光切断法のデータ補完を示す図 実施の形態１における光切断法のデータ補完の処理フローを示す図 実施の形態１における測定の処理フローを示す図 従来の筒内形状測定装置の断面図 従来の筒内形状測定方法による測定状況を示す図

符号の説明

１２Ａ 第１の投光装置
１３Ａ 第１の撮像装置
１４ 被測定円筒
１６ 第１の測定光
１７ 測定箇所
１９ 被測定円筒軸
２１Ａ 第１の画像データ合成装置
２２ 画像データ解析装置
２３ 画像表示装置
２５ ステージ移動装置
２６ 第１のレーザ光源
２７ 第１のコリメートレンズ
２８ 第１のシリンドリカルレンズ
２９ 第１のプリズムミラー
３０ 第１の偏光素子
３１ 第１の撮像素子
３２ 第１の分光プリズム
３３ 第１の結像レンズ
３５ 第１の偏光フィルタ
３６ 第１の測定光源光軸
３７ 第１のライン状測定光

Claims (4)

1. 波長の異なる複数の測定光の光軸を等しくした後に波長毎に異なる焦点位置にライン状測定光として集光させ、
   前記ライン状測定光を被検面に照射して反射させた後に波長毎に分光し、
   分光された前記ライン状測定光を複数の撮像素子で波長毎にそれぞれ検出し、
   検出した前記ライン状測定光から波長毎の形状データを取得し、
   前記被検面の基準面からの予め波長毎に設定された高さ方向のオフセット量に基づいて前記波長毎の形状データをずらして重ね合わせることで、前記被検面の表面形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法。
2. 被検面を挟んだ異なる２方向からの測定光を用いて前記被検面の表面形状を測定することを特徴とする請求項１記載の表面形状測定方法。
3. 前記被検面は円筒状の被検物の内周面であり、
   前記被検物を回転動作機構によって回転させることで前記ライン状測定光が反射する前記被検面の位置を変えて前記被検物の表面形状を測定するに際して、
   前記被検物の回転角をθ、前記回転動作機構の偏芯量をＡ、偏芯の位相をδとして、Ａｃｏｓ（θ−δ）だけ前記高さ方向のオフセット量から減算することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の表面形状測定方法。
4. 波長の異なる複数の測定光の光軸を等しくした後に波長毎に異なる焦点位置にライン状測定光として集光して被検面に照射する投光装置と、
   前記被検面で反射した前記ライン状測定光を波長毎に分光する分光プリズムと、
   分光された前記ライン状測定光を波長毎にそれぞれ検出して波長毎の形状データを取得する複数の撮像素子と、
   前記被検面の基準面からの予め波長毎に設定された高さ方向のオフセット量に基づいて前記波長毎の形状データをずらして重ね合わせることで前記被検面の表面形状を測定する解析装置と、を備える表面形状測定装置。

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