JP5560558B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の中空形状を測定する測定装置および測定方法に関する。

従来、物体の中空形状を非接触で測定する方法として、距離センサ法や斜入射光学系法などが知られている。例えば、距離センサ法は、中空内側にレーザ光を投光して物体を回転させながら反射光の変位を測定し、物体の中空形状を測定する方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、金属等に設けられた中空形状の測定は、触針式の三次元形状測定機で触針を中空形状の内面に当てながら触針台を回転および上下移動させることにより行っていた（例えば、特許文献２参照）。

或いは、非接触で中空形状を計測する装置としては、スリット光投影方式で直径の両端に相当するエッジを検出する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６−３８８２０号公報 特開平６−３３７２１５号公報 特開平８−２３３５４５号公報

従来技術による距離センサ法は、物体の中空形状の全周形状情報を一度に得ることができず、物体や光源を回転させる必要があり、装置が複雑になるだけでなく、精度面での問題もあった。

また、触針台を動かす方法では、中空全体の形状を測定するのに触針の回転及び上下移動を行う必要があるため測定に時間がかかってしまうという問題と、触針台の回転の偏心や振れの影響を受けて誤差が生じる可能性があるという問題点がある。

さらに、スリット光投影方式では、測定する方位に直交するようにスリットを配置する必要があり、一つの方位のみしか一度に測定できないため多くの方位について測定して形状を求めるには不向きであるという問題点がある。また、被測定物である中空形状は貫通穴でなければならないという制約もある。

本発明の目的は、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な中空形状の測定装置および測定方法を提供することである。

本発明に係る測定装置は、中空状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、光源からの輪帯状の光束を中空状の前記被測定物の深さ方向に対応する第１の方向に送光する送光部と、前記送光部からの光を、前記送光部からの光が伝搬する前記第１の方向と略直交する方向へ、前記送光部からの光が伝播する光路を中心に全周にわたって偏向し、前記被測定物の内側に照射する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物の内側で反射した光の像を検出する検出部と、前記被測定物の内側の像を前記検出部に形成する受光光学系とを有し、前記受光光学系は、前記変換部で偏向された光の照射方向に位置する所定基準位置と前記検出部が共役な関係となるように構成されており、さらに、前記検出部の検出結果に基づいて、前記所定基準位置に対する前記被測定物の内側の表面の位置のずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部を設けたことを特徴とする。

さらに、前記被測定物に対して前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との前記第1の方向における相対位置毎に得られた前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする。

また、前記送光部は、輪帯状の開口を有する第１の光制限部材と、前記第１の光制限部材と前記所定基準位置とが共役な関係となるように構成された照明光学系とを有し、前記検出部は、前記受光光学系により前記所定基準位置にある前記被測定物の像が結像する結像面に配置された受光部を備えることを特徴とする。

さらに、前記第１の光制限部材から前記被測定物に照射される前記輪帯状の光束の一部を遮光するための、前記第1の光制限部材を通過した光束の半分を遮光するように形成された輪帯状の開口を有する第２の光制限部材を設けたことを特徴とする。

また、前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したことを特徴とする。

また、前記送光部は、前記光源からの光を輪帯状の光量分布となるように変換する光学部材を有し、前記光学部材からの輪帯状の光束を前記所定基準位置に集光する照明光学系を更に備え、前記検出部は、前記受光光学系により前記所定基準位置にある前記被測定物の像が結像する結像面に配置された受光部を備えることを特徴とする。

或いは、前記受光部は、前記所定基準位置と共役関係にある輪帯状スリットを介して前記被測定物からの光を受光することを特徴とする。

また、前記光学部材は、前記光源からの光を、前記輪帯状の光束に変換するアキシコンレンズからなることを特徴とする。

さらに、前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、前記被測定物と前記送光部との間にあって、前記送光部が送光する光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物から戻ってくる光を前記検出部側に透過するハーフミラーを設けたことを特徴とする。

また、前記形状測定部は、前記検出部で検出された画像のボケに応じて生ずる光束の広がり方に応じて、前記所定基準位置に対する前記被測定物の内側の表面の位置のずれを求めることを特徴とする。

本発明に係る測定方法は、中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する方向でかつ前記変換部で変換される光の光路を中心に全周方向に変換して前記被測定物の内側に照射し、前記全周方向に変換した方向上に位置する所定基準位置と共役な位置に配置された検出部により、前記被測定物の内側で反射した光の像を検出して、前記所定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする。

また、前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出部により前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする。

また、中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、送光部が第１の方向に送光する輪帯状の光束を前記被測定物に挿入した変換部で前記第１の方向と略直交する方向でかつ前記変換部で変換される光の光路を中心に全周方向に変換して、前記被測定物の内側に照射し、前記被測定物の内側からの反射光を前記変換部を介して、受光光学系により所定基準位置と共役な位置に配置した輪帯状スリットに結像させ、前記輪帯状スリットを通過した光を受光部で受光し、前記受光部の出力値から求めた前記所定基準位置からのずれを用いて、前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、複雑な演算を行うことなく、中空状の被測定物の内側形状を測定することができる。

第１の実施形態に係る中空形状測定装置１０１の構成図である。 中空形状測定装置１０１の円形スリット１０３および光制限スリット１０４の構成図である。 中空形状測定装置１０１の円錐型ミラー１０８の構成図である。 中空形状測定装置１０１の光学系を示す補助図である。 中空形状測定装置１０１の原理を説明するための補助図である。 中空形状測定装置１０１の原理を説明するための補助図である。 測定原理を説明するための補助図である。 被測定物の中空形状の穴径を説明するための補助図である。 中空形状測定装置１０１の測定手順を示すフローチャートである。 中空形状の構築を説明するための補助図である。 本発明の第２の実施形態である中空形状測定装置３０の光学系の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態における中空形状測定の原理を説明するための図である。 本発明の実施形態である中空形状測定装置３０に好適な撮像素子の一例を示す図である。 本発明の実施形態である中空形状測定装置３０に好適な撮像部の一例を示す図である。 本発明の実施形態で用いる光透過部材の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態である中空形状測定装置３１の光学系の概要を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る中空形状測定装置１０１のブロック図である。中空形状測定装置１０１は、中空状の物体の内側の形状を所定の高さ毎に測定して断面形状を求め、求めた断面形状を高さ方向に合成することによって、物体の中空形状を立体的に構築する装置である。

中空形状測定装置１０１は、送光部１０２と、円形スリット１０３と、光制限スリット１０４と、照明レンズ１０５と、ハーフミラー１０６と、対物レンズ１０７と、円錐型ミラー１０８と、結像レンズ１１０と、撮像部１１１と、画像処理部１１２と、Ｚ軸駆動部本体１１３と、移動部１１４と、パソコン１１５とで構成される。

移動部１１４は、ハーフミラー１０６、、対物レンズ１０７、円錐型ミラー１０８、結像レンズ１１０、撮像部１１１を一体的に支持する部材であり、ハーフミラー１０６に送光部１０２の光が入射する部分と、円錐型ミラー１０８の円周方向にあって被測定物１０９内側に挿入される移動部１１４の先端部分１１４ａはガラスなどの透明な部材でできている。また、移動部１１４は、土台（不図示）に固定されたＺ軸駆動部本体１１３によって、中心軸Ｃ１の方向に上下に駆動され、被測定物１０９の中空部分に移動部１１４の先端部分１１４ａが出入りして被測定物１０９の内側形状を測定する。尚、送光部１０２，円形スリット１０３，光制限スリット１０４，照明レンズ１０５，ハーフミラー１０６，対物レンズ１０７，円錐型ミラー１０８，結像レンズ１１０および撮像部１１１は、移動部１１４と一体となって測定光学系を構成し上下に移動する。

送光部１０２から照射された光は、視野絞りに相当する円形スリット１０３のスリット１０３ａを通って光制限スリット１０４に入射される。光制限スリット１０４を光束が通る際に、光束の半分（光束の中心を示す一点鎖線１５４を中心とする例えば内側部分の光束１５１）が遮蔽され、照明レンズ１０５側には出力されない。

ここで、円形スリット１０３および光制限スリット１０４の形状について、図２を用いて詳しく説明する。図２（ａ）に示した円形スリット１０３は、送光部１０２から照射される光をリング状に透過するスリット１０３ａが設けられている。ここで、図１の光束の中心を示す一点鎖線１５４が円形スリット１０３の中央に位置するようにリング状のスリット１０３ａが配置されている。

一方、図２（ｂ）に示した光制限スリット１０４は、円形スリット１０３を透過した光束の半分を遮蔽して残りの半分を透過するリング状のスリット１０４ａが設けられている。光制限スリット１０４の特徴は、一点鎖線Ｃ２およびＣ３で示したように、リング状のスリット１０４ａの内径が光束の中心を示す一点鎖線１５４の位置に対応しているため、リング状のスリット１０４ａは光束の外側半分しか透過しない。尚、円形スリット１０３および光制限スリット１０４は、例えば、液晶板を用いてリング状に光を透過するように液晶を制御することで実現できる。或いは、ガラス板などに遮光部分を蒸着したり、透過部分をエッチングするなどの方法によっても構わない。また、遮蔽率により撮像部１１１の感度がかわる。

光制限スリット１０４で光束の半分を遮蔽された光は、照明レンズ１０５を通ってハーフミラー１０６に入射される。ハーフミラー１０６は入射する光の方向を変換して、対物レンズ１０７側に反射する。ここで、ハーフミラー１０６が反射する光の方向は被検物の深さ方向（筒形状においては軸方向）となっており、これを第１の方向と定義すると、ハーフミラー１０６で第１の方向に反射された光は、対物レンズ１０７を介して円錐型ミラー１０８に送光され、円錐型ミラー１０８で第１の方向に略直交する全周方向に被測定物１０９の内側に向けて水平に照射される。水平に照射された光は、被測定物１０９の内側で反射して再び円錐型ミラー１０８に再び入射され、対物レンズ１０７側に反射された後、ハーフミラー１０６および結像レンズ１１０を通って撮像部１１１の受光面に結像される。尚、撮像部１１１の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、被測定物１０９を設置する基準位置とは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。また、ハーフミラー１０６で反射したリング状の光束のリング中心と円錐型ミラー１０８の中心は一致している。

ここで、円錐型ミラー１０８の形状について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は円錐型ミラー１０８の斜視図、同図（ｂ）は上面図、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示している。ハーフミラー１０６を介して第１の方向に反射された光束の中心を示す一点鎖線１５４は、円錐型ミラー１０８の外側に傾斜したミラー部分１０８ａで第１の方向と略直交する方向に反射され、被測定物１０９の内側に照射される。この様子を詳しく描いたのが図１（ａ）である。光制限スリット１０４で遮光されずに透過した光束は、例えば、光束の中心を示す一点鎖線１５４から光束の外側を示す点線１５２の間にあり、円錐型ミラー１０８のミラー部分１０８ａで反射される。さらに、光束の外側を示す点線１５２は被測定物１０９で反射し、実線１５３で示すように、再び円錐型ミラー１０８で対物レンズ１０７の方向に反射される。つまり、被測定物１０９の内側で反射して戻ってくる光束も半分が遮蔽されたままであり、光束の中心を示す一点鎖線１５４から光束の外側を示す実線１５３の間にある。

この様子を図４を用いて説明する。図４は、図１の中空形状測定装置１０１の光学的な構成を描いた図で、図１と同符号のものは同じものを示している。送光部１０２は、光源１２０、照明のＮＡを決める開口絞り１２１、光源１２０の光を集光し、光軸と平行な光線とするレンズ１２２、受光側のＮＡを決める結像絞り１２３で構成される。尚、先に説明したように、撮像部１１１の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、基準位置における被測定物１０９のエリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっていることがわかる。図４において、光制限スリット１０４で光束の半分が遮蔽されているので、被測定物１０９から戻ってくる光束も半分が遮蔽され、斜線で示した光束の半分１６０は撮像部１１１には入射されない。

次に、撮像部１１１の受光面に結像される画像を構成する点の像について図５を用いて説明する。同図（ａ）は、光制限スリット１０４が無い場合に、被測定物１０９の内側のある点を撮像部１１１で撮影した時の様子を示した図で、測定位置において穴径が異なる場合の光束の広がり、つまり撮像部１１１におけるピントのずれ（画像のボケ）の変化を描いてある。ここで、被測定物１０９の内径によってピントがずれるが、ピントがぴったり合う位置の内径を基準穴径と定義し、中空形状測定装置１０１の光学系は、この基準穴径でピントがぴったり合うように予め校正されているものとする。

同図（ａ）の４５１および４５１ａから４５１ｆは撮像部１１１で撮像される像を示しており、直線４０１で示した部分が基準穴径の場合を示し、直線４０１より紙面上側に向かって穴径が大きくなり、逆に紙面下側に向かって穴径が小さくなる。例えば、基準穴径を撮影した場合は、光束４５１のように画像のボケはないが、穴径が基準穴径より大きくなるに従って、光束４５１ａ，４５１ｂおよび４５１ｃのように光束が広がっていく。同様に、穴径が基準穴径より小さくなるに従って、光束４５１ｄ，４５１ｅおよび４５１ｆのように光束が広がっていく。つまり、光束の広がり量から基準穴径からのずれの大きさを計測することができる。ところが、この時の光束の広がり方は、穴径が大きくなっても小さくなっても基準穴径の合焦位置を通る軸Ｃ４の両側に同じように光束が広がるので、このままでは穴径が大きくなったのか小さくなったのか判別できない。

これに対して、本実施形態の場合は光制限スリット１０４によって被測定物１０９に照射する光束の半分を遮光しているので、穴径が異なる場合の光束の広がりの変化は図５（ｂ）のようになる。同図において、基準穴径を撮影した場合は、光束４５２のように画像のボケはないが、穴径が基準穴径より大きくなるに従って、光束４５２ａ，４５２ｂおよび４５２ｃのように光束が広がっていく。同様に、穴径が基準穴径より小さくなるに従って、光束４５２ｄ，４５２ｅおよび４５２ｆのように光束が広がっていく。ところが、図５（ａ）の場合とは異なり、光束４５２ａ，４５２ｂおよび４５２ｃの光束の広がり方は軸Ｃ４の紙面右側方向だけであり、同様に、光束４５２ｄ，４５２ｅおよび４５２ｆの光束の広がり方は軸Ｃ４の紙面左側方向だけである。つまり、軸Ｃ４の紙面右側方向にずれているか左側方向にずれているかによって、被測定物１０９の穴径が基準穴径より大きくなったのか小さくなったのかを判別することができる。画像処理部１１２は、この判別結果と光束の広がり量から基準穴径からのずれの大きさを計測し、被測定物１０９の内側形状が基準穴径に対してどれだけ大きいか或いは小さいかを求めることができる。

図５では撮像部１１１の受光面に結像された光束の様子について説明したが、被測定物１０９の中空形状によって、撮影画像がどのように変化するかについて図６を用いて説明する。同図は撮像部１１１の受光面５０１に結像された画像の全体の様子を示しており、同図（ａ）は基準穴径を測定した時の画像で、基準穴径位置Ｃ６部分に結像される。尚、同図では分かり易いように基準穴径位置Ｃ６の両側に広い幅で描いてあるが、実際には基準穴径位置Ｃ６部分に重なる。同図（ｂ）は基準穴径より大きい中空形状を測定した時の画像で、基準穴径位置Ｃ６の外側にボケた画像が得られる。逆に、同図（ｃ）は基準穴径より小さい中空形状を測定した時の画像で、基準穴径位置Ｃ６の内側にボケた画像が得られる。例えば、基準穴径位置Ｃ６より大きかったり小さかったりする四角い内側形状を有する被測定物１０９を測定した場合は、同図（ｄ）で示すような画像が得られる。

このように、画像処理部１１２は、撮像部１１１の受光面に結像された画像データを受け取ると、光束が広がる方向から被測定物１０９の内側形状が基準穴径よりも大きいか小さいかを判別し、さらに広がった光束の中心またはピーク位置と基準穴径位置Ｃ６との距離から被測定物１０９の内側の径（形状）を求めることができる。例えば、図６（ｂ）の場合は広がった光束のピーク位置と基準穴径位置Ｃ６との距離Δｘ１を測定し、図６（ｃ）の場合は距離Δｘ２を測定して、被測定物１０９の穴径を求める。また、全周範囲を細分化（例えば１°〜２°毎）してそれぞれ径（形状）を求めて合成することにより複雑な形状の測定が可能となる。尚、実際の測定においては、基準穴径と大きさが異なる穴径が分かっている校正用の工具を用いて、広がった光束のピーク位置と基準穴径位置Ｃ６との距離Δｘと実際の穴径の差を予め測定しておき、距離Δｘと実際の穴径の差の変換テーブルを準備しておくのが好ましい。

次に、断面測定方法について説明する。図７（ａ）は受光面に結像している光リングを示している。まず、受光面の中心に仮中心を設定する。次に、その仮中心から、設定角度毎に放射方向の光強度を測定していく。光リングが結像している部分では光強度が強くなっている。このリング像の光量分布からリングの円周と定義する部分を算出する。

定義の方法はいくつかあり、例えば以下の方法が利用できる。
１）光量ピーク法：リングプロファイルのピーク位置周辺の光量分布の離散的なデータを近似式にフィッティングをおこない、そのピーク位置を算出する方法。
２）光量重心法：リングプロファイルのピーク位置周辺の光量分布の重心位置を算出する方法。
３）しきい値法：リングプロファイルのピーク位置から例えば３０％暗い位置に閾値を設定し、プロファイルと交わった位置の中間位置を算出する方法。

例えば上記の光重心法でそれぞれの方向における円周位置を求めていく。図７（ａ）では４５度毎に算出した場合を示しており、図７（ｂ）に示す光リングの円周点がポイント８点求まる。その後、これらのポイントから最小自乗法などの数学的手法を用いて、光リングの大きさやリングの中心を求める。さらに、光リングの大きさから直接被測定物の内径を算出することもできる。また、前述のように、基準リング寸法からの差分を算出することもできる。

また、予め設定した仮中心と実際の光リング中心が大きくずれていた場合は、この工程で算出された光リング中心から放射方向に再度円周位置を算出し直せば、より高精度に光リングの大きさを測定することができる。

また、画像処理部１１２は、ケーブル１１７を介して接続されているＺ軸駆動部本体１１３に指令を送り、円錐型ミラー１０８を保持する移動部１１４を撮像部１１１方向に所定ピッチで上下させる。つまり、測定光学系と円錐型ミラー１０８との相対位置を変化させる。そして、移動部１１４の所定位置毎に撮像部１１１から画像データを入力し、入力した画像データを処理して、先に説明したように、所定位置における被測定物の内側の形状を求める。

ここで、被測定物の穴径に合わせて本装置を最適化する方法を説明する。

円形スリット１０３の被測定物１０９への投影倍率、被測定物１０９から撮像部１１１への投影倍率、及び、撮像部１１１のサイズにより、本装置の測定範囲が決まる。例えば、撮像部１１１に結像する基準となるリング像の大きさが決まっていて、被測定物１０９の内径によって、リング像はボケながら、大きさが変化する。小さくなれば円として判別できなくなり、また、大きくなれば撮像部１１１のサイズを超えてしまうことになる。例えば、円錐ミラー１０８が図８に示す上の位置にあるときに被測定物１０９を測定しようとしても測定不可能となる。

ここで、図８に示すように円錐ミラー１０８の位置を図８に示す下の位置に移動することで、対物レンズ１０７と円錐ミラー１０８の間隔を変えることができ、測定範囲を変えられる。このように、円錐ミラー１０８の位置を調整するだけで測定範囲を変更でき、本装置の測定範囲を最大限に活かすことができる。

図８では、対物レンズ１０７によって物体に投影される光リングの径はφ１０であり、上記間隔を広げることで、φ３０の穴径を測定できる。また、上記間隔を狭くすることで、φ１００の穴径を測定できる。つまり、同図の被測定物１０９’のような大きな穴径にも対応できる。

尚、円錐ミラー１０８の位置を変更すると撮像部１１１で得られるリング像の大きさと被測定物１０９の内径との関係が変わるため、円錐ミラー１０８の位置を変えたときには基準となる被測定物によりキャリブレーションが必要となる。また、円錐ミラー１０８の調整範囲は光学系の倍率、ＮＡなどから求めることができる。

次に、中空形状測定装置１０１の測定の流れについて、図９のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ２０１）先ず、被測定物１０９を移動部１１４の下にセットする。
（ステップＳ２０２）次に、移動部１１４の測定レンジ（移動範囲）や測定ピッチ（移動ピッチ）などの測定仕様をパソコン１１５から入力する。パソコン１１５で入力された測定仕様は、ケーブル１１８を介して画像処理部１１２に出力され、画像処理部１１２はケーブル１１７を介してＺ軸駆動部本体１１３に移動部１１４を送光部１２０等と共に測定開始位置に移動するよう指令する。
（ステップＳ２０３）移動部１１４の現在位置で送光部１０２から光を照射し、撮像部１１１で画像を撮影する。
（ステップＳ２０４）撮像部１１１で受光した画像をケーブル１１６を介して画像処理部１１２に出力する。
（ステップＳ２０５）画像処理部１１２は、図５および図６で説明したように、被測定物１０９の内径（形状）を求める。
（ステップＳ２０６）測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、移動部１１４が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップＳ２０７に進み、終了位置に達している場合はステップＳ２０８に進む。
（ステップＳ２０７）移動部１１４を設定された測定ピッチに従って、次の測定位置まで移動してステップＳ２０３に戻り、当該位置での測定を行う。
（ステップＳ２０８）移動部１１４が移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、被測定物１０９の内側の高さ（測定光学系との相対位置）毎の形状を求め、これらの形状を合成して中空形状データを作成する。

ここで、中空形状データの作成方法について、図１０を用いて説明する。同図において、７０１から７０６は、Ｚ軸方向（高さ方向）にそれぞれ高さ（ｎ）から（ｎ＋５）まで所定ピッチ毎に可変した時の内側形状を示している。尚、図では分かり易いように内側形状は円で示しているが、被測定物１０９によっては半径が異なる凹凸のある形状になる。各高さ毎に内側形状７０１から７０６を合成することによって、被測定物１０９の中空形状データを求めることができ、この中空形状データから立体的な中空形状１０９ａを構築することができる。また、測定時に測定光の中心と被測定物１０９の中心とが一致していることが好ましいが、ずれていた場合には中空データを求めるときに補正することができる。

さて、図９のフローチャートに戻って説明を続ける。
（ステップＳ２０９）画像処理部１１２で作成された中空形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１５に出力され、パソコン１１５の画面に表示される。
（ステップＳ２１０）必要に応じて、パソコン１１５では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物１０９の任意の位置を指定して、画像処理部１１２から受け取った被測定物１０９の中空形状データから指定された各部の大きさや長さを表示する。
（ステップＳ２１１）全ての計測を終了する。

このようにして、所定ピッチで移動部１１４を上下させながら被測定物に光が当たっている部分の内側形状を抽出し、これらを所定位置毎の内側形状として合成することによって、被測定物１０９の中空形状を測定することができる。測定した被測定物１０９の中空形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１５に送られ、パソコン１１５で被測定物１０９の中空形状を表示することができる。

尚、本実施形態では、画像処理を行う画像処理部１１２と、中空形状測定装置１０１全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン１１５とを別々に設けたが、パソコン１１５に画像処理部１１２のハードウェアおよびソフトウェアを内蔵するようにしても構わない。或いは、逆に画像処理部１１２に操作部や表示部を設けて、中空形状測定装置１０１専用の制御部としても構わない。

このように、本実施形態に係る中空形状測定装置１０１は、中空状の物体の所定の高さ毎に基準穴径とのずれから内側形状を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の内側形状を合成することによって物体の中空形状を立体的に構築することができる。特に、基準穴径とのずれから内側形状を求めるので、簡易な構成で複雑な演算を行う必要がない。また、一度に全ての等高線を得るモアレ法は、物体の高低差によって誤差が大きくなるという問題があったが、本実施形態による中空形状測定装置および測定方法では、高さ毎に内側形状を求めるので、物体の高低差に依らず高精度な測定が可能になる。また、全周にわたる内側形状を１回の撮影で得ることができるため、従来の触針式の３次元計測に比べて極めて高速に３次元計測を行うことができる。

尚、本実施形態では、光制限スリット１０４を用いて被測定物１０９に照射する光束の半分を遮蔽するようにしたが、光制限スリット１０４を用いずに、Ｚ軸駆動部本体１１３が移動部１１４を移動するＺ軸に直交する方向に被測定物１０９と円錐型ミラー１０８とを相対的に動かす駆動ステージを設け、所定の位置で測定をする際に、駆動ステージをＺ軸に直交する方向に微小距離だけ動かし、駆動ステージを動かした方向と光束の広がり量（画像のボケの大きさ）と基準穴径に対するずれから被測定物１０９の内側形状を求めるようにしても構わない。例えば、駆動ステージを被測定物１０９の内側に向けて動かした時、つまり円錐型ミラー１０８を被測定物１０９の一部に近づけた時に、光束の広がり量が大きくなる場合はその部分の被測定物１０９の穴径が基準穴径よりも小さいことが分かり、逆に光束の広がり量が小さくなる場合は被測定物１０９の穴径が基準穴径よりも大きいことが分かる。或いは、駆動ステージを被測定物１０９の内側から離れる方向に動かして、光束の広がり量が大きくなる場合は被測定物１０９の穴径が基準穴径よりも大きいことが分かり、逆に光束の広がり量が小さくなる場合は被測定物１０９の穴径が基準穴径よりも小さいことが分かる。

また、本実施形態では無色透明な移動部１１４で円錐ミラー１０８を支持したが、移動部１１４の外周に開口部を設ければ移動部１１４は無色透明である必要はない。また、円錐ミラー１０８及び対物レンズ１０７、ハーフミラー１０６の中心部分は光路とならないため、この部分に支柱を立てて円錐ミラー１０８等の支持を行うこともできる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態の例を、図を用いて説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態である中空形状測定装置３０の光学系の概要を示す図である。
光源１からの照明光をコレクタレンズ２で集光し、ほぼ平行になった光束が円錐状の出射面を持つ輪帯光形成用のアキシコンレンズ３に底面方向から入射する。前述の照明光の中心はアキシコンレンズ３の中心軸にほぼ一致し円錐面で屈折して輪帯状に広がる平行光束を形成する。この光束は送受光分岐ミラー４（ハーフミラー、ハーフミラーの代わりにハーフプリズムを用いることもできる）で反射し対物レンズ５で集光され輪帯状の細い光となる。

アキシコンレンズ３は、その円錐の頂点が、対物レンズ５の焦点と一致するように配置させる。このように配置すると、円錐の中心を透過した光線は対物レンズ５の瞳の中心を通過し、対物レンズ５を透過後は、対物レンズ５の光軸に平行に進む。また、アキシコンレンズ３の円錐面で照明光は屈折されるので、この屈折角と対物レンズ５の焦点距離の積を半径とする輪帯状の光が形成される。さらに、アキシコンレンズ３の円錐面に入射した光は、屈折されても平行光束のままなので、対物レンズ５の物体側焦点位置に集光される。

輪帯光は、端面に円錐状に窪んだ反射部６ａを有する円筒形の光学部材６（光透過部材）に入射するが、その際、その主光線が、前記円錐の中心軸（円筒の中心軸に一致）に平行にならないように入射する。即ち、輪帯光束の輪帯幅の中点位置における光線は、光軸とは平行にならない。そして、円錐状の反射部６ａで直角に反射されて円筒面より出射し、所定の距離だけ離れた円周上で結像する。なお、光学部材６の形状は、反射部６ａで反射された光が射出する面が円筒形であれば、全体が円筒形である必要は無い。又、光が入射する面は、前記円錐の中心軸に垂直な平面である。

ここで、反射部６ａの形状は、第１の実施形態の図３で説明した円錐型ミラー１０８と同じ形状であっても構わない。逆に、第１の実施形態の円錐型ミラー１０８は、本実施形態の反射部６ａと同じ形状で、円筒形の光学部材６を有していても構わない。

前述の輪帯光を形成する光束は被検物体である中空形状の内壁７で反射され、再び反射部６ａで反射されて、円筒形の光学部材６および対物レンズ５を介して、送受光分岐ミラー４を透過し、さらに開口絞り８を透過して、結像レンズ９を介して被検物体７からの反射光による像を撮像面１０に形成する。開口絞り８は、照明光束の瞳と共役になる位置に、照明光束の瞳と共役な大きさの円形の開口が開けられている。

中空形状の測定の原理を図１２を用いて説明する。以下の図においては、原則として、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。

わかりやすく説明するために、輪帯光の片側のみを図１２に示す。図１２では、輪帯光の結像位置に比べ穴径が大きい場合を示す。照明光束は一度輪帯光結像位置Ｃで極小となり広がりながら被検物体である中空形状の内壁７に照射される。中空形状の内壁７で反射された光束は、反射部６ａ、光学部材６を介して、対物レンズ５、送受光分岐ミラー４、開口絞り８、結像レンズ９からなる受光光学系に導かれるが、受光光学系から見るとあたかもＡ面から発した光束を受光することになり、この光束は撮像面１０より手前のＢ面で結像する。このため撮像面１０では光束が広がって観察される。

受光光学系の倍率をβ、輪帯光結像位置Ｃから中空形状の内壁７までの距離をδとすると、撮像素子１０から結像面Ｂまでの距離Δは次のように表すことができる。
Δ＝２β２δ …(1)
輪帯光像の放射方向の広がり量εは、片側にのみ広がるので撮像素子１０から結像面Ｂまでの距離Δに結像側の開口数をかけたものとなる。照明光の開口数をＮＡとすると、

となる。

よって、輪帯光像の放射方向の広がり量εから、輪帯光結像位置Ｃから中空形状の内壁７までの距離δを求めることができる。また、広がりの方向から輪帯光の結像位置に比べて穴径が小さいか、大きいかを判断できる。即ち、輪帯光結像位置に共役な撮像面１０上の所定位置から外側に広がる場合は、穴径が輪帯光結像位置より大きく、所定位置から内側に広がる場合は、穴径が輪帯光結像位置より小さい。ここで、輪帯光像の放射方向の広がりは、第１の実施形態の図５（ｂ）および図６と同じように考えることができ、穴径が輪帯光結像位置（基準穴径）より大きくなるに従って輪帯光像は外側に広がり、穴径が基準穴径より小さくなるに従って輪帯光像は内側に広がる。また、上記の式（２）の考え方は、第１の実施形態にも適用できる。
なお、本実施形態では、輪帯光束として連続的な輪帯光束を用いて説明したが、不連続な（断続的）輪帯光束であってもよい。

輪帯光は中空形状の内側全周方向に投影しているので撮像面内で輪帯状光の像の広がりを測定することにより、それぞれの方向での輪帯光結像位置Ｃから中空形状の内壁７までの距離を、全円周方向について求めることができる。輪帯光結像位置Ｃから、前記円錐の中心軸（円筒の中心軸に一致）の距離は、光学系１〜６の配置を変えない限り既知で一定であるので、これにより、前記円錐の中心軸（円筒の中心軸に一致）から、中空形状の内壁７までの距離を全円周方向について求めることもでき、中空形状の形状（前記円錐の中心軸に垂直な断面形状）を求めることができる。

なお、必ずしも、アキシコンレンズ３の円錐頂点を、対物レンズ５の焦点に一致させて配置する必要はなく、輪帯光束の輪帯幅の中点位置における光線は、光軸とは平行にならないような輪帯光が形成されればよい。穴径が輪帯光結像位置より大きい場合は、輪帯光結像位置に共役な撮像面１０上の所定位置から外側にも内側にも広がるが、広がり量は、外側が大きい。一方、穴径が輪帯光結像位置より小さい場合は、輪帯光結像位置に共役な撮像面１０上の所定位置から外側にも内側にも広がるが、広がり量は、内側が大きい。したがって、広がり量、広がり方向の双方から穴径が輪帯光結像位置より大きいか、小さいかの判断をすることができる。

撮像素子１０には、通常の碁盤の目のように画素の並んだＣＣＤやＣＭＯＳ素子を用いて、信号処理で任意の方位の輪帯光結像位置から中空形状の内壁７までの距離を求めてもよいが、図１３に示すような放射状に画素を並べた撮像素子や、図１４に示すように光ファイバーを入射側を放射状に並べて出射側を２次元撮像素子の画素のならびに合わせて並び替えたものを用いると、２次元座標から円筒座標系への変換をする必要がないので、高速で高精度の測定を行うことができる。

なお、図１３および図１４に示した撮像素子１０の構成例は、第１の実施形態に係る中空形状測定装置１０１の撮像部１１１にも適用することができる。

さらに、デフォーカス量が大きくなると光束の広がり量が大きくなり、ビームのエッジ部分の検出がノイズに埋もれやすく誤差を発生しやすくなる。そのため、光源１にＬＥＤなどを使って強度変調して、撮像素子の各画素から得られる出力を同期検波するようにしてもよい。

中空形状の内壁７の形状を求めるためには、光学系全体を、前記円錐の中心軸方向に移動して輪帯光の当たる位置をずらしながら全周方向の距離を測定することを繰り返せば、それぞれの方位に対しての中空形状の内壁７までの距離を求めることができるので円筒座標で形状データを得ることができる。

ここで、本実施形態に係る中空形状測定装置３０の測定処理は、第１の実施形態の図９のフローチャートと同様の処理を画像処理部１１２およびパソコン１１５を用いて実現することができる。

図１５に円筒形の光学部材６を示し、測定可能な条件を考える。円筒部材の円筒部の半径をＲとし、輪帯光の主光線の半径をｒとするとき、図１２で示す仮想的な発光中心Ａからθの角度で広がる光が蹴られなく対物レンズ５に入射するためには、図１５に示す上側の円筒部材６の入射側で円筒が光束径より大きい必要がある。輪帯光結像位置が円筒の中心軸からｕの半径のところにある場合に、深さＤまで測定できる被検物体の中空形状の内径φは次の条件を満たす必要がある。ただし、ｎは円筒部材の屈折率を示す。

測定長Ｄが１００ｍｍで円筒部の半径Ｒが２０ｍｍ，屈折率が1.8の光学部材６を用いて半径ｒ＝８ｍｍ，ｓｉｎθ＝0.1の輪帯光を使った場合、輪帯光結像位置を円筒の中心軸から２２ｍｍの位置にすると、内径99.7ｍｍまでの内径の計測を行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る中空形状測定装置３１について説明する。中空形状測定装置３１は、必ずしも高速化できるわけではないが、本発明の光学部材を用いて共焦点観察を使って全周方向の距離測定を行うことも可能である。図１６に第３の実施形態に係る中空形状測定装置３１の構成例を示す。図１６において示される構成要素は、特に説明を加えない限り、図１１、図１２に示された中空形状測定装置３０の構成要素と同じ構成を有するものとする。

光源１１から出射した照明光は、コレクタレンズ１２を介してピンホール１３を照明する。ピンホール１３を透過した光はコンデンサレンズ１４でほぼ平行な光束となり輪帯光形成用のアキシコンレンズ１５に入射する。照明光は前述のようにアキシコンレンズ１５で平行な輪帯状の光束に変換され、送受光分岐ミラー１６で反射し対物レンズ１７に導かれる。対物レンズ１７では輪帯状にテレセントリックに集光する光束に変換され、光学部材１８に入射して、対物レンズ１７の光軸に垂直な面内で広がる光束に変換され、被検物体である中空形状の内壁１９に照射される。

中空形状の内壁１９で反射された光は光学部材１８に再び入射し、対物レンズ１７、送受光分岐ミラー１６を透過して受光光学系に導かれる。受光光学系は、開口絞り２０で正反射光のみ透過して結像レンズ２１で中空形状の内壁１９からの光を集光し、輪帯スリット２２上に像を形成する。輪帯スリット２２は像共役の位置（すなわち、輪帯状の光束の動径方向の広がりが最小となる位置と共役な位置）に配置されているため、中空形状の内壁１９が照明の輪帯光像の結像位置に一致したときに輪帯スリット２２を透過する光量は最大となる。

輪帯スリット２２を透過した光は像リレーレンズ２３で撮像面２４に投影される。撮像面２４では、物体に投影される輪帯光の主光線の直径に受光光学系の総合倍率をかけた直径の部分に輪帯状の像ができるので、図１６（ｂ）に示されるような撮像素子２４を用いて、その周方向の光量をモニターする。図１６（ａ）の点線で囲んだ光学系は光学部材１８に対して独立に対物レンズ１７の光軸に沿って移動可能であり、光学部材１８と対物レンズ１７の間隔を変えることにより照明輪帯光の結像位置を変化させることができる。つまり、光学部材１８を固定して光学系を対物レンズ１７の光軸に沿って移動させ、撮像面２４の各々の画素で受光する光量が最大となる光学部材１８と光学系の間隔から中空形状の内壁１９の位置を、各々の画素に対応する円周方向位置毎に検出することができる。よって、中空形状の円周方向の形状を求めることができる。中空形状を求めるためには、さらに光学部材１８を移動したのち、同様に光学系を移動して測定範囲を走査して直径データを求める必要がある。

以上、各実施形態において説明してきたように、本発明に係る測定装置および測定方法は、簡易な構成で、複雑な演算を行うことなく、中空状の被測定物の内側形状を測定することができる。

特に、中空形状の全周方向の距離測定を同時に行うことができ、距離測定は光束の主光線の方向に対して行われるので斜めに見るような方式に比べて一様な精度で測定できるため、高速で高精度の中空形状測定を行うことができる。

また、中空形状の内部で光束を放射方向に曲げる反射部を光学部材の内面反射で行うことにより、反射部を光透過部が保持することができ、光を遮る金物部品の柱は不要になる。

また、光透過部はガラスやプラスチックなどの光透過性の材料で埋めることにより、金物部品の細い柱で支えるより堅牢にできる。このため、測定時に被検物体に衝突などのアクシデントに対しても影響を受けにくいので作業性の向上にもつながる。

さらに、光透過部材は空気よりも屈折率が高いので、同じ開口数の光でも同じ長さの距離離れた位置で屈折率分だけ光束の広がりが小さくなるので、より深い中空形状の計測が可能である。

Claims (16)

1. 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、
   光源からの輪帯状の光束を中空状の前記被測定物の深さ方向に対応する第１の方向に送光する送光部と、
   前記送光部からの光を、前記送光部からの光が伝搬する前記第１の方向と略直交する方向へ、前記送光部からの光が伝播する光路を中心に全周にわたって偏向し、前記被測定物の内側に照射する変換部と、
   前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物の内側で反射した光の像を検出する検出部と、
   前記被測定物の内側の像を前記検出部に形成する受光光学系と
   を有し、
   前記受光光学系は、前記変換部で偏向された光の照射方向に位置する所定基準位置と前記検出部が共役な関係となるように構成されており、
   さらに、前記検出部の検出結果に基づいて、前記所定基準位置に対する前記被測定物の内側の表面の位置のずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部を設けた
   ことを特徴とする測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置において、
   前記受光光学系は、前記変換部で前記全周にわたって方向が変換された光により照明される前記被測定物の内側の領域について、前記領域すべてを前記検出部で結像するように構成されることを特徴とする測定装置。
3. 請求項１または２に記載の測定装置において、
   前記変換部は、円錐形状のミラーで構成されることを特徴とする測定装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置において、
   前記受光光学系は、前記被測定物の内側で反射し、前記変換部で方向が変換された光により、前記被測定物の内側の領域の像を前記検出部に形成することを特徴とする測定装置。
5. 請求項３に記載の測定装置において、
   前記被測定物に対して前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
   前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との前記第１の方向における相対位置毎に得られた前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の内側形状を測定する
   ことを特徴とする測定装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置において、
   前記送光部は、輪帯状の開口を有する第１の光制限部材と、
   前記第１の光制限部材と前記所定基準位置とが共役な関係となるように構成された照明光学系とを有し、
   前記検出部は、前記受光光学系により前記所定基準位置にある前記被測定物の像が結像する結像面に配置された受光部を備える
   ことを特徴とする測定装置。
7. 請求項６に記載の測定装置において、
   前記第１の光制限部材から前記被測定物に照射される前記輪帯状の光束の一部を遮光するための、前記第1の光制限部材を通過した光束の半分を遮光するように形成された輪帯状の開口を有する第２の光制限部材を設けたことを特徴とする測定装置。
8. 請求項６または７に記載の測定装置において、
   前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したことを特徴とする測定装置。
9. 請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置において、
   前記送光部は、前記光源からの光を輪帯状の光量分布となるように変換する光学部材を有し、
   前記光学部材からの輪帯状の光束を前記所定基準位置に集光する照明光学系とを更に備え、
   前記検出部は、前記受光光学系により前記所定基準位置にある前記被測定物の像が結像する結像面に配置された受光部を備える
   ことを特徴とする測定装置。
10. 請求項９に記載の測定装置において、
    前記受光部は、前記所定基準位置と共役関係にある輪帯状スリットを介して前記被測定物からの光を受光することを特徴とする測定装置。
11. 請求項９に記載の測定装置において、
    前記光学部材は、
    前記光源からの光を、前記輪帯状の光束に変換するアキシコンレンズからなることを特徴とする測定装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の測定装置において、
    前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、
    前記被測定物と前記送光部との間にあって、前記送光部が送光する光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物から戻ってくる光を前記検出部側に透過するハーフミラーを設けた
    ことを特徴とする測定装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の測定装置において、
    前記形状測定部は、前記検出部で検出された画像のボケに応じて生ずる光束の広がり方に応じて、前記所定基準位置に対する前記被測定物の内側の表面の位置のずれを求めることを特徴とする測定装置。
14. 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、
    送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する方向でかつ前記変換部で変換される光の光路を中心に全周方向に変換して前記被測定物の内側に照射し、
    前記全周方向に変換した方向上に位置する所定基準位置と共役な位置に配置された検出部により、前記被測定物の内側で反射した光の像を検出して、前記所定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する
    ことを特徴とする測定方法。
15. 請求項１４に記載の測定方法において、
    前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出部により前記被測定物の内側形状を測定することを特徴とする測定方法。
16. 中空状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、
    送光部が第１の方向に送光する輪帯状の光束を前記被測定物に挿入した変換部で前記第１の方向と略直交する方向でかつ前記変換部で変換される光の光路を中心に全周方向に変換して、前記被測定物の内側に照射し、
    前記被測定物の内側からの反射光を前記変換部を介して、受光光学系により所定基準位置と共役な位置に配置した輪帯状スリットに結像させ、前記輪帯状スリットを通過した光を受光部で受光し、
    前記受光部の出力値から求めた前記所定基準位置からのずれを用いて、前記被測定物の内側形状を測定する
    ことを特徴とする測定方法。

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