JP5291545B2 - 形状測定方法及び形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、球体の形状測定方法及び形状測定装置に関する。

従来、球体の外形に応じた開口を有するアパーチャを測定基準として用いる形状測定に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−１０２１２３号公報

しかしながら、上記特許文献１の場合、ほぼ同じサイズの球体を多数測定する場合はよいが、サイズが異なる様々な球体を測定する場合には、開口サイズの異なるアパーチャを各種用意しなければならず、またアパーチャの交換に際して測定条件が変わる度に校正を行わなければならないので、その形状測定が煩わしい作業になってしまうことがあるという問題があった。

本発明の目的は、球体を形状測定する作業性を向上させる形状測定方法及び形状測定装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸に取り付けられた球体の形状を測定する形状測定方法であって、
前記球体と、前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材を、前記光軸上に配置する工程と、
前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記球体の写像を前記撮像部で撮像する工程と、
前記撮像部で撮像された複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する工程と、
前記回転軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する工程と、
前記第１情報に応じて前記第２情報を補正し、その補正された第２情報に基づいて、前記球体の形状を測定する工程と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸に取り付けられた球体の形状を測定する形状測定方法であって、
前記球体と、前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材を、前記光軸上に配置する工程と、
前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記球体の写像を前記撮像部で撮像する工程と、
前記撮像部で撮像された複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する工程と、
前記回転軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する工程と、
前記回転軸及び前記光軸に直交する軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第３情報を取得する工程と、
前記第１情報に応じて前記第２情報及び前記第３情報を補正し、その補正された第２情報と第３情報とに基づいて、前記球体の形状を測定する工程と、
を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の形状測定方法において、
前記光学部材は、テレセントリックレンズであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸を有し、この回転軸に設けられた球体の形状を測定する形状測定装置であって、
光源と撮像部の間の光軸上に配される前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材と、
前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる第一回転手段と、
前記第一回転手段により前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された前記球体の複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する第１情報取得手段と、
前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる第二回転手段と、
前記第二回転手段により前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する第２情報取得手段と、
前記第１情報に応じて前記第２情報を補正し、その補正された第２情報に基づいて、前記球体の形状を測定する形状測定手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸を有し、この回転軸に設けられた球体の形状を測定する形状測定装置であって、
光源と撮像部の間の光軸上に配される前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材と、
前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる第一回転手段と、
前記第一回転手段により前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された前記球体の複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する第１情報取得手段と、
前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる第二回転手段と、
前記第二回転手段により前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する第２情報取得手段と、
前記球体を前記光軸及び前記回転軸と直交する第三の軸回りに所定の角度で回転させる第三回転手段と、
前記第三回転手段により前記球体を前記第三の軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第３情報を取得する第３情報取得手段と、
前記第１情報に応じて前記第２情報及び前記第３情報を補正し、その補正された第２情報と第３情報に基づいて、前記球体の形状を測定する形状測定手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の形状測定装置において、
前記光学部材は、テレセントリックレンズであることを特徴とする。

本発明によれば、形状測定装置は、球体を光軸回りに所定の角度で回転させる度に撮像部により撮像された球体の複数の写像に基づいて、光学部材の収差に関する第１情報を取得することができる。
そして、球体を回転軸回りに所定の角度で回転させる度に撮像部により撮像された、回転軸と平行な面の球体の複数の断面形状に基づき取得した第２情報に対して、第１情報に応じた補正を施すことができるので、従来技術のようにアパーチャを測定基準として用いなくても、より正確に球体の形状測定を行うことができる。
特に、アパーチャを使用せずとも、正確な球体の形状測定を行うことができるので、様々なサイズの球体の形状測定が可能となり、形状測定の作業性を向上させることができる。

本発明の実施形態１における形状測定装置の構成を示す概略図である。 形状測定装置の回転機構を示す斜視図である。 撮像部で撮像された球体に関する説明図である。 撮像部で撮像された球体に関する説明図である。 形状測定装置において取得された第２情報に関する球体の断面形状を示す説明図である。 回転機構における第３の回転部による回転を示す説明図である。 形状測定装置において取得された第２情報および第３情報に関する球体の断面形状を示す説明図である。 本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。 本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２における形状測定装置の構成を示す概略図である。

以下に、本発明に係る形状測定方法及び形状測定装置について、図面を用いて具体的な態様を説明する。

（実施形態１）
形状測定装置１００は、例えば、図１に示すように、光源部１０と、球体２００を回転支持する回転機構３０と、対物レンズ４０と、撮像部５０と、画像処理部６０と、を備え、光源部１０から照射される光の光軸Ｌに沿い、球体２００、対物レンズ４０、撮像部５０の順に配置されている。

光源部１０は、例えば、白色光を出力する点光源であって、球体２００に白色光を照射する。なお、光源部１０は、点光源に限らず、面光源でもよく、また、放電灯、発光ダイオード、レーザーなどによって、光を発生させてもよい。

回転機構３０は、例えば、図２に示すように、回転軸であるステム２０１に取り付けられた球体２００をステム２０１を軸心とするＹ軸回りに回転させる第二回転手段としての第２の回転部３２と、球体２００を光軸Ｌに沿うＺ軸回りに回転させる第一回転手段としての第１の回転部３１と、球体２００を光軸Ｌ及び回転軸（ステム２０１）と直交する第三の軸（Ｘ軸）回りに回転させる第三回転手段としての第３の回転部３３と、を備えている。

第２の回転部３２は、例えば、図２に示すように、一端側に球体２００が取り付けられたステム２０１の他端を軸支する基部３２ａと、基部３２ａに配設された第２操作棒３２ｂ等を備えている。
第２操作棒３２ｂは、例えば、かさ歯車やウォームギアなどを介してステム２０１の他端側と連結されており、第２操作棒３２ｂを回すことで、ステム２０１を回動させて球体２００をステム軸回りに回転させることができる。

第１の回転部３１は、例えば、図２に示すように、第２の回転部３２の基部３２ａが固定された内環部３１ａと、内環部３１ａに配設された第１操作棒３１ｂと、内環部３１ａを摺動可能に支持する外環部３１ｃ等を備えている。
内環部３１ａの外周面は、外環部３１ｃの内周面とほぼ同じ径の円に相当する曲面を有しており、内環部３１ａは、外環部３１ｃの内周面に沿って回転可能に備えられている。
そして、第１操作棒３１ｂを掴んで内環部３１ａをその円周方向に回転させることで、内環部３１ａとともに球体２００を光軸回りに回転させることができる。なお、この円環状の内環部３１ａの曲率中心と球体２００の中心とが一致するように形成されており、内環部３１ａを回転させた際、球体２００の中心と光軸Ｌの位置を調整することなく、球体２００を光軸Ｌを中心として回転させることができる。

第３の回転部３３は、例えば、図２に示すように、凹型のスロープ面を有する保持部３３ａと、保持部３３ａに配設された第３操作棒３３ｂと、保持部の３３ａのスロープ面に沿ってスライド可能な可動部３３ｃ等を備えている。この可動部３３ｃの上面に第１の回転部３１の外環部３１ｃが固定されている。
保持部３３ａのスロープ面は略半円形状の曲面を有しており、その半円の曲率中心は、球体２００の中心に一致するように形成されている。従って、可動部３３ｃをスライドさせた際、球体２００の中心と光軸Ｌの位置を調整することなく、ステム２０１を所定の角度に傾けることができる。
そして、第３操作棒３３ｂは、例えば、ラックピニオンなどを介して可動部３３ｃと連結されており、第３操作棒３３ｂを操作することで、可動部３３ｃをスライド移動させて球体２００を第３の軸回りに回転させることができる。

対物レンズ４０は、例えば、図１に示すように、光源部１０から照射される光の光軸Ｌ上において、球体２００と撮像部５０の撮像面との間に配置されており、球体２００の写像を撮像部５０の撮像面に結像させる光学部材である。

撮像部５０は、例えば、ＣＣＤカメラであり、対物レンズ４０を通して球体２００を撮像する。
具体的には、図３に示すように、光源部１０から出力された光が球体２００を照射してできる写像を、対物レンズ４０を通して撮像する。

画像処理部６０は、例えば、図１に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、記憶部６３、表示部６４等を備えて構成されており、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の画像処理を行うため予め設定された動作条件等に基づき、装置各部の動作制御を行う機能を有する。
表示部６４は、撮像部５０により撮像された写像や、画像処理結果等を表示する。

ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、球体２００に関する画像処理を行う。

ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行される処理プログラム等を、ＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行された際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部６３は、ＣＰＵ６１が画像処理を行うための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。より具体的には、記憶部６３は、例えば、図１に示すように、第１情報取得プログラム６３ａ、第２情報取得プログラム６３ｂ、第３情報取得プログラム６３ｃ、形状測定プログラム６３ｄ等を格納している。なお、記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等が予め記憶されている記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、例えば、半導体メモリ等で構成されている。

第１情報取得プログラム６３ａは、光学部材である対物レンズ４０の収差に関する第１情報を取得する機能を、ＣＰＵ６１に実現させるプログラムである。
ＣＰＵ６１が、第１情報取得プログラム６３ａを実行することにより、球体２００を光軸Ｌ回りに所定の角度で回転させる度に、撮像部５０により撮像された球体２００の複数の写像（図４参照）に基づき、光学部材である対物レンズ４０の収差に関する第１情報を取得する。
つまり、ＣＰＵ６１は、第１情報取得プログラム６３ａを実行することで、第１情報取得手段として機能する。

具体的には、第１情報取得手段としてのＣＰＵ６１は、図４に示すように、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する写像情報を取得する。更に、第１の回転部３１によって球体２００を光軸Ｌ回りに所定の角度で回転させた後、再度、球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、球体２００の断面形状に関する写像情報を取得する。
そして、最初に撮像された球体２００の一断面が３６０°回転するまで、球体２００を光軸Ｌ回りに所定の角度で回転させる度に断面形状を撮像する一連の動作を繰り返して、複数の断面形状に関する複数の写像情報を取得し（図４参照）、その複数の写像情報に基づき対物レンズ４０の収差に関する第１情報を取得する。
なお、光軸Ｌ回りに球体２００を回転させて、それぞれの角度で撮像した、球体２００の断面形状の写像は、球体２００の同一断面を異なる回転角で撮像したものである。

ここで、対物レンズ４０の収差に関する第１情報について説明する。
対物レンズ４０が、理想レンズでない限り、少なからず収差が存在する。
その収差を有する対物レンズ４０で撮像した写像には、収差の影響により歪んだ誤差（系統誤差）が含まれているといえる。
そこで、固定された対物レンズ４０に対し、球体２００を光軸Ｌ回りに回転させて、球体２００の同一断面を異なる回転角で撮像することで、写像中に対物レンズ４０の収差に関する誤差成分を固定するようにして、球体２００の同一断面の写像を複数撮像する。
そして、撮像して取得した複数の写像情報に対して、周知のマルチステップ法による演算処理を施すことで、写像における球体２００の真の断面形状成分と、収差に関する誤差成分を分離するように求める。例えば、マルチステップ法によって球体２００の一断面形状を定めた後、その定められた球体２００の一断面形状と各写像情報の相違点を抽出するように処理することで、形状測定装置１００の系統誤差成分である対物レンズ４０の収差に関する誤差成分を求めることができる。
なお、球体２００の形状成分とともに、対物レンズ４０の収差など形状測定装置１００の系統誤差成分を分離して求めることを可能にするマルチステップ法は周知の技術であるので、ここでは詳述しない。

第２情報取得プログラム６３ｂは、ステム２０１を軸回りに回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第２情報を取得する機能を、ＣＰＵ６１に実現させるプログラムである。
ＣＰＵ６１が、第２情報取得プログラム６３ｂを実行することにより、球体２００をステム２０１軸回りに所定の角度で回転させる度に、撮像部５０により撮像された球体２００の複数の写像（図３参照）に基づき、ステム２０１を軸回りに回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第２情報を取得する。
つまり、ＣＰＵ６１は、第２情報取得プログラム６３ｂを実行することで、第２情報取得手段として機能する。

具体的には、第２情報取得手段としてのＣＰＵ６１は、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、ステム２０１を軸回りに回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第２情報を取得する。更に、第２の回転部３２によって球体２００をステム２０１の軸回りに所定の角度で回転させた後、再度、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、ステム２０１を軸回りに回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第２情報を取得する。
そして、最初に撮像された球体２００の一断面が１８０°回転するまで、球体２００をステム２０１の軸回りに所定の角度で回転させる度に断面形状を撮像する一連の動作を繰り返して、図５（球形状を表す細線）に示すように、ステム２０１を軸回りに回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の複数の断面形状に関する第２情報を取得する。

第３情報取得プログラム６３ｃは、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸（Ｘ軸に平行な軸）回りに、球体２００を回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第３情報を取得する機能を、ＣＰＵ６１に実現させるプログラムである。
ＣＰＵ６１が、第３情報取得プログラム６３ｃを実行することにより、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに球体２００を所定の角度で回転させる度に、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、球体２００の断面形状に関する第３情報を取得する。
つまり、ＣＰＵ６１は、第３情報取得プログラム６３ｃを実行することで、第３情報取得手段として機能する。

具体的には、第３情報取得手段としてのＣＰＵ６１は、例えば、図６に示すように、第３の回転部３３の可動部３３ｃがスライド移動されて、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに球体２００が回転された状態（当初垂直なステム２０１に対して、光軸Ｌ方向に沿ってステム２０１が所定の角度に傾けられた状態）で、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに球体２００を回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第３情報（図７の球形状を表す太線）を取得する。
そして、最初に撮像された球体２００の一断面が所定の角度回転するまで、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに所定の角度で回転させる度に断面形状を撮像する一連の動作を繰り返して、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに球体２００を回転させたときの、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の複数の断面形状に関する第３情報を取得する。

更に、図６に示すように、第３の回転部３３によってステム２０１が傾けられた状態で、第２の回転部３２によってステム２０１の軸回りに球体２００を所定の角度で回転させた後、再度、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の一断面形状を撮像部５０によって撮像し、撮像された球体２００の一断面形状の写像についてエッジ検出を行うことによって、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第３情報を取得してもよい。そして、最初に撮像された球体２００の一断面が１８０°回転するまで、傾いたステム２０１の軸回りに所定の角度で回転させる度に断面形状を撮像する一連の動作を繰り返して、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の複数の断面形状に関する第３情報を取得してもよい。

形状測定プログラム６３ｄは、ＣＰＵ６１に、第１情報に応じて第２情報を補正して、その補正された第２情報に基づいて、球体２００の形状を算出する機能を実現させるプログラムである。
ＣＰＵ６１が、形状測定プログラム６３ｄを実行することにより、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された、光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する複数の第２情報に基づいて、球体２００の立体形状を算出する。
つまり、ＣＰＵ６１は、形状測定プログラム６３ｄを実行することで、形状測定手段として機能する。
具体的には、形状測定手段としてのＣＰＵ６１は、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第２情報である複数の断面形状を算出し、その算出された球体２００の複数の断面形状それぞれについて中心位置（円の中心）を求める。そして、各中心位置が合致するように複数の断面形状を合成して得られた立体形状（図５参照）に基づいて球形状を算出する。
なお、第１情報は、球体２００のエッジ位置における半径方向の収差（系統誤差）に関する情報であり、誤差の大きさの値として得られる。そして、第２情報から第１情報を減算するように、第２情報について収差の補正がなされる。

また、形状測定プログラム６３ｄは、ＣＰＵ６１に、第１情報に応じて第２情報と第３情報を補正して、その補正された第２情報と第３情報に基づいて、球体２００の形状を算出する機能を実現させるプログラムである。
ＣＰＵ６１が、形状測定プログラム６３ｄを実行することにより、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された、ステム２０１を軸回りに回転させたときの光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第２情報と、Ｘ軸に平行な軸回りに球体２００を回転させたときの光軸Ｌと直交する面に平行な球体２００の断面形状に関する第３情報とに基づいて、球体２００の立体形状を算出する。
つまり、ＣＰＵ６１は、形状測定プログラム６３ｄを実行することで、形状測定手段として機能する。
具体的には、形状測定手段としてのＣＰＵ６１は、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第２情報である複数の断面形状と、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第３情報である複数の断面形状を算出し、その算出された球体２００の複数の断面形状それぞれについて中心位置（円の中心）を求める。そして、各中心位置が合致するように断面形状を合成して得られた立体形状（図７参照）に基づいて球形状を算出する。
このように、第２情報に対応する複数の断面形状と、第３情報に対応する複数の断面形状を求めて、より多くの断面形状を合成するようにして得られた立体形状は、より高精度に測定された球体２０の立体形状であるといえる。

なお、第３情報に対応する球体２００の断面形状を求めて、より高精度に球体２０の立体形状を測定する手法は、上記実施例に限られない。
例えば、垂直なステム２０１に取り付けられた球体２００の、光軸Ｌと直交する面に平行な断面形状と、第３の回転部３３によって傾けられたステム２０１に取り付けられた球体２００の、光軸Ｌと直交する面に平行な断面形状との、断面形状間の所定の拘束条件を用いることにより、第２情報取得プログラム６３ｂの実行により取得された第２情報および第３情報取得プログラム６３ｃの実行により取得された第３情報に基づき、球体２００のステム２０１と平行な球体２００における断面形状間の相対的な位置を求めて、それら複数の断面形状を合成するようにして球体２００の立体形状を算出する、という手法をとることもできる。
具体的には、形状測定手段としてのＣＰＵ６１は、第１情報に基づき対物レンズ４０の収差に関して補正された第２情報および第３情報に対応する各断面形状の中心をノミナルな円の中心と合致させる。なお、このとき、各断面形状の最小二乗円を求め、この最小二乗円の中心（仮の中心）をノミナルな円の中心と合致させてもよい。
そして、互いに交差する２つのノミナルな断面（理想球体の断面）であれば、各断面による円形状は、２交点を持つはずであるが、実際には測定誤差が含まれるため、完全には一致しない。そこで、２つのノミナルな断面による円形状の交点を結ぶ直線方向に円形状を平行移動させ、同一点の位置が等しくなるようにする（差が最小となるようにする）。これについて第２情報および第３情報に対応する全ての断面の組み合わせを考えて、最小二乗法等により最適な調整量を求める。
そして、求められた調整量に基づいて、ステム２０１と平行な球体２００の断面形状の夫々を平行移動させ合成することにより、球体２００の形状のマップデータを求め、球形状を算出する。また、このデータにより、真球度（最小二乗球からの偏差や、最大内接球と最小外接球の差など）を算出することができる。
このように、最適な調整量に基づいて、ステム２０１と平行な球体２００の断面形状の夫々を平行移動させて合成して得られた立体形状に基づき球形状を算出する手法は、周知の技術であるので、ここでは詳述しない。

次に、形状測定装置１００による球体２００の形状測定方法について、図８、図９に示すフローチャートに基づき説明する。

まず、形状測定装置１００におけるステム２０１の一端に、球体２００を取り付け、その球体２００を光軸Ｌ上となる所定位置に設置する（ステップＳ１）。
次いで、第１情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、球体２００の写像を撮像部５０で撮像し、写像情報を取得する（ステップＳ２）。
次いで、第１の回転部３１を操作して、球体２００を光軸Ｌ回りに所定角度（例えば、１８°）回転させ（ステップＳ３）、第１情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、その角度における球体２００の写像を撮像部５０で撮像し、写像情報を取得する（ステップＳ４）。
そして、球体２００を光軸Ｌ回りに３６０°回転し終えていなければ（ステップＳ５；Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。
一方、球体２００を光軸Ｌ回りに３６０°回転させて、光軸Ｌ回りの回転に対する球体２００の撮像を終えていれば（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、第１情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、得られた複数の写像情報に対して、周知のマルチステップ法による演算処理を施して、対物レンズ４０の収差に関する第１情報を取得する（ステップＳ６）。

次いで、ステム２０１をＹ軸の軸線方向に合わせた状態で、第２情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、球体２００の写像を撮像部５０で撮像し、断面形状に関する第２情報を取得する（ステップＳ７）。
次いで、第２の回転部３２を操作して、球体２００をステム２０１軸回りに所定角度（例えば、１８°）回転させ（ステップＳ８）、第２情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、その角度における球体２００の写像を撮像部５０で撮像し、断面形状に関する第２情報を取得する（ステップＳ９）。
そして、球体２００をステム２０１の軸回りに１８０°回転し終えていなければ（ステップＳ１０；Ｎｏ）、ステップＳ８に戻る。
一方、球体２００をステム２０１の軸回りに１８０°回転させて、ステム２０１軸回りの回転に対する球体２００の撮像を終えていれば（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１において、第３の回転部３３を操作して、ステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに球体２００を回転させるように、ステム２０１を所定の角度に傾け（ステップＳ１１）、第３情報取得手段としてのＣＰＵ６１が、球体２００の写像を撮像部５０で撮像し、断面形状に関する第３情報を取得する（ステップＳ１２）。

次いで、形状測定手段としてのＣＰＵ６１は、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第２情報である複数の断面形状と、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第３情報である複数の断面形状を算出し、その算出された球体２００の複数の断面形状それぞれについて中心位置（円の中心）を求めて、各中心位置が合致するように断面形状を合成する処理を施し、合成して得られた立体形状に基づいて、球体２００の球形状を算出する（ステップＳ１３）。
こうして、球体２００を様々な角度から撮像した複数の写像から取得した、第１情報、第２情報、第３情報に基づき、球体２００の球形状を算出することで、球体２００の形状測定が行われる。

なお、より簡便に球体２００の形状測定を行う場合、第３の情報に関する球体２００の撮像は行わず、ステップＳ１０からステップＳ１３へ進み、形状測定手段としてのＣＰＵ６１は、第１情報に応じて対物レンズ４０の収差に関して補正された第２情報である複数の断面形状それぞれの中心位置（円の中心）を求めて、各中心位置が合致するように断面形状を合成する処理を施し、合成して得られた立体形状に基づいて、球体２００の球形状を算出するようにしてもよい。

以上のように、形状測定装置１００によれば、球体２００を第１の回転部３１によって光軸Ｌ回りに所定の角度で回転させる度に、球体２００の一断面形状を撮像して得た複数の写像情報に基づいて、形状測定装置１００の系統誤差成分である対物レンズ４０の収差に関する第１情報を取得することができる。
そして、第２の回転部３２によって、球体２００をステム２０１の軸回りに所定の角度で回転させる度に、球体２００を撮像して得た球体２００の断面形状に関する複数の第２情報、および第３の回転部３３によって、球体２００をステム２０１の軸方向及び光軸Ｌ方向に直交する軸回りに所定の角度で回転させる度に、球体２００を撮像して得た球体２００の断面形状に関する複数の第３情報に対して、その第１情報に応じた補正を施すことができるので、従来技術のようにアパーチャを測定基準として用いなくても、より正確に球体２００の形状測定を行うことができる。
特に、アパーチャを使用せずとも、正確な球体２００の形状測定を行うことができるので、直径が異なる様々なサイズの球体の形状測定が可能となり、形状測定の作業性を向上させることができる。

（実施形態２）
次に、本発明に係る形状測定装置の実施形態２について説明する。なお、実施形態１と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

形状測定装置１０１は、例えば、図１０に示すように、光源部１０と、球体２００を回転支持する回転機構３０と、第１テレセントリックレンズ２１と、第２テレセントリックレンズ２２と、撮像部５０と、画像処理部６０と、を備え、光源部１０から照射される光の光軸Ｌに沿い、第１テレセントリックレンズ２１、球体２００、第２テレセントリックレンズ２２、撮像部５０の順に配置されている。

第１テレセントリックレンズ２１は、光源部１０からの光を、光軸Ｌに沿った平行光に切り替えて、球体２００に向けて照射する。
第２テレセントリックレンズ２２は、光軸Ｌに沿った平行光が球体２００を照射してできる写像を、撮像部５０の撮像面に結像させる光学部材である。
こうして球体２００からの平行光が写像形成に関わるため、球体２００の位置の変化による写像の倍率変動が小さい。
そのため、球体２００の位置ずれによる写像の倍率変化を抑えることができ、特に、回転機構３０により球体２００を回転させた際の運動誤差によって生じる位置ずれによる写像の倍率変化を抑えることができる。また、光の回折を緩和させることができる。
その結果、好適に写像を撮像することができ、より好適な形状測定を行うことが可能になる。
なお、第１テレセントリックレンズ２１と第２テレセントリックレンズ２２の開口数（numerical aperture；Ｎ．Ａ．）を一致させることが好ましい。光源部１０側の第１テレセントリックレンズ２１と、撮像部５０側の第２テレセントリックレンズ２２の開口数（Ｎ．Ａ．）を一致させることによって、より高品質の画像を取得することが可能になる。

このように、光学部材を第１テレセントリックレンズ２１と第２テレセントリックレンズ２２で構成した形状測定装置１０１によれば、より高品質の写像を取得することができるので、より好適な球体２００の形状測定を行うことができる。

なお、以上の実施の形態においては、回転機構３０（第１の回転部３１、第２の回転部３２、第３の回転部３３）が手動操作されて、球体２００が回転されるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＣＰＵ６１の制御によって、各回転部が自動的に作動し球体２００を回転させてもよく、また、所定の角度に調整された球体２００を撮像部５０が自動で撮像するようにしてもよい。

また、形状測定装置１００、回転機構３０には、光学系のアライメントに関する機構が設けられていることが好ましい。
また、光学部材は、テレセントリックレンズであることに限らず、一般的な対物レンズなど、その他のレンズであってもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１０ 光源部（光源）
２１ 第１テレセントリックレンズ（光学部材）
２２ 第２テレセントリックレンズ（光学部材）
３０ 回転機構
３１ 第１の回転部（第一回転手段）
３２ 第２の回転部（第二回転手段）
３３ 第３の回転部（第三回転手段）
４０ 対物レンズ（光学部材）
５０ 撮像部
６０ 画像処理部
６１ ＣＰＵ
６３ 記憶部
６３ａ 第１情報取得プログラム
６３ｂ 第２情報取得プログラム
６３ｃ 第３情報取得プログラム
６３ｄ 形状測定プログラム
１００、１０１ 形状測定装置
２００ 球体
２０１ ステム（回転軸）

Claims (6)

1. 光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸に取り付けられた球体の形状を測定する形状測定方法であって、
   前記球体と、前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材を、前記光軸上に配置する工程と、
   前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記球体の写像を前記撮像部で撮像する工程と、
   前記撮像部で撮像された複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する工程と、
   前記回転軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する工程と、
   前記第１情報に応じて前記第２情報を補正し、その補正された第２情報に基づいて、前記球体の形状を測定する工程と、
   を備えることを特徴とする形状測定方法。
2. 光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸に取り付けられた球体の形状を測定する形状測定方法であって、
   前記球体と、前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材を、前記光軸上に配置する工程と、
   前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記球体の写像を前記撮像部で撮像する工程と、
   前記撮像部で撮像された複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する工程と、
   前記回転軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する工程と、
   前記回転軸及び前記光軸に直交する軸回りに前記球体を所定の角度で回転させる度に、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の断面形状に関する第３情報を取得する工程と、
   前記第１情報に応じて前記第２情報及び前記第３情報を補正し、その補正された第２情報と第３情報とに基づいて、前記球体の形状を測定する工程と、
   を備えることを特徴とする形状測定方法。
3. 前記光学部材は、テレセントリックレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定方法。
4. 光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸を有し、この回転軸に設けられた球体の形状を測定する形状測定装置であって、
   光源と撮像部の間の光軸上に配される前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材と、
   前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる第一回転手段と、
   前記第一回転手段により前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された前記球体の複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する第１情報取得手段と、
   前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる第二回転手段と、
   前記第二回転手段により前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する第２情報取得手段と、
   前記第１情報に応じて前記第２情報を補正し、その補正された第２情報に基づいて、前記球体の形状を測定する形状測定手段と、
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
5. 光源から撮像部に向かって出射される光の光軸に対して直交する方向に延在する回転軸を有し、この回転軸に設けられた球体の形状を測定する形状測定装置であって、
   光源と撮像部の間の光軸上に配される前記球体に光を照射してできる写像を前記撮像部に結像させる光学部材と、
   前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる第一回転手段と、
   前記第一回転手段により前記球体を前記光軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された前記球体の複数の写像に基づき、前記光学部材の収差に関する第１情報を取得する第１情報取得手段と、
   前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる第二回転手段と、
   前記第二回転手段により前記球体を前記回転軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第２情報を取得する第２情報取得手段と、
   前記球体を前記光軸及び前記回転軸と直交する第三の軸回りに所定の角度で回転させる第三回転手段と、
   前記第三回転手段により前記球体を前記第三の軸回りに所定の角度で回転させる度に、前記撮像部により撮像された、前記光軸と直交する面に平行な前記球体の複数の断面形状に基づき、前記球体の断面形状に関する第３情報を取得する第３情報取得手段と、
   前記第１情報に応じて前記第２情報及び前記第３情報を補正し、その補正された第２情報と第３情報に基づいて、前記球体の形状を測定する形状測定手段と、
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
6. 前記光学部材は、テレセントリックレンズであることを特徴とする請求項４又は５に記載の形状測定装置。

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